新型光镊及光镊应用

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1、光镊原理及其应用自1986年单光束光镊概念被提出以来，至今光镊已经发展30多年，光镊的可操控尺寸从最初的微米级发展到现在的纳米级，操控方法从最初的单光束光镊到双光束光镊，再到全息光镊以及新型光束捕获，极大地促进了定量生物学的发展，光镊技术已经成为众多学科科学家所渴望的工具。光镊的基本原理光镊的基本原理和新型光镊新型光镊光场全息光镊光镊的应用光镊与细胞生物学光镊与软物质胶体科学光镊与单分子生物学光镊与物理学光镊的基本原理光与物质相互作用伴随着动量的交换,从而表现为光对物体力的作用力（F=P/t）。由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力，因而通常称之为辐射压力或简称光压

2、。然而，在特定的光场分布下，光对物体也可产生一拉力，即形成束缚粒子的光势阱。对于直径大于波长的米氏散射粒子，可采用几何光学的方法来解释光势阱的形成，如图。光镊的基本原理对于直径小于波长的瑞利散射粒子对于直径小于激光波长的瑞利散射颗粒,适用于波动光学理论和电磁模型。波动光学理论认为,在光轴方向有一对作用力:与入射光同向正比于光强的散射力和与光强梯度同向正比于强度梯度的梯度力。梯度力与散射力的比值大于1，这样合力就指向焦点处，能够实现对微粒的捕捉新型光镊光场起初，光镊的光场基本是低阶的高斯光束，然而这种光场的捕获范围和纵向深度都十分有限，而且光镊如果要想获得更加广泛的应

3、用，就必须结合各种新型光场来实现各种特殊、复杂的操纵功能。当下备受关注的新型光场主要有：涡旋光束、非衍射和自修复光束、自加速光束以及矢量光束。新型光镊光场涡旋光束与相位奇点相关，本身携带轨道角动量，在与物质相互作用过程中可以将角动量传递给微粒，从而导致微粒在光场中做旋转运动。常见的涡旋光束有拉盖尔高斯光束(Laguerre-Gaussianbeam)和高阶贝塞尔光束(Besselbeam)。新型光镊光场贝塞尔光束同时也属于非衍射光束，相比于高斯型光束，贝塞尔光束可传播较远距离而保持中心光斑的大小和尺寸基本不变。由于贝塞尔光束在传播过程中具有很好的稳定性，故被用于引导

4、微粒沿轴向输运距离可达3mm，这个间距远远大于高斯型光束的光镊的轴向捕获深度。并且，在轴向3mm距离中可以实现多个平面长距离捕获多微粒，如图所示。非衍射光束还包括马提厄光束、抛物线光束、艾里光束等。新型光镊光场抛物线光束和艾里光束也是一种自加速光束。自加速光束在沿轴向传播过程中以某个角度弯曲而不沿直线传播，看起来像是在自由空间中加速。这种光束在光操控中可以用于沿着设定的轨迹输运微粒，如图所示。自加速光束还有韦伯光束(Weberbeam)和螺旋光束(spiralbeams)等新型光镊光场不均匀的偏振光场，如径向偏振光束和方位角偏振光束，具有优越的会聚特性，使得矢量光束

5、在操控纳米粒子，特别是金属纳米粒子方面具有明显的优势。全息光镊全息光镊作为一种产生多光阱或新型光学势阱的方法脱颖而出。它不仅能构成各种功能的光阱，并且还能实现三维光辨阵列，并且带动了一系列的研究和发展。科学家Grier预引，全息光镊将零发光学操纵的一场技术革命。全息光镊的主要原理是利用全息元件(目前主要是计算机寻址的液晶空间光调制器)产生具有特定功能的光场而形成的光镊。所形成的光场性质的不同，全息光镊会实现不同的功能，如单粒子的旋转、多粒子的操控和分选等。形成拉盖尔-高斯光束的叉型光栅。对应的拓扑指数为l=4全息光镊全息的技术一是可以方便地产生各种具有轨道角动量或特

6、定衍射特性的新型光镊光场，包括拉盖尔-高斯光、高阶贝塞尔光、厄米特-高斯光束，利用全息技术产生的新型光阱，如涡旋光阱，在界面所形成的倏逝波形成的近场光镊可以用来捕获和旋转金属粒子。二是可以对多粒予进行实时动态的捕获和操控不仅可以实现十字、矩形、圆形等特殊形状的光阱，还可以控制粒子在其中沿特定的路径运动，原则上可以实现对粒子在任意形状的光阱中的操控。从上至下分别为：傅里叶平面光场的振幅分布、物镜焦平面光场分布和被捕获的粒子在光阱中运动的示意图光镊与细胞生物学光镊发明初期，Ashkin等[首次用这个新的工具尝试操纵细胞和病毒等各种生物样品，并且成功地演绎了光镊捕捉、拖动

7、、损伤细胞和深入到细胞内部操控细胞的功能。Ashkin预言“将细胞器从它们正常位置移去的能力，打开了精细研究细胞功能的大门”。Liang等联合光镊和光刀对细胞和细胞器进行手术，感慨细胞工具箱里又多了一把镊子，用起来更方便了。光镊操控细胞和细胞器的手段是多种多样的，包括悬浮、移动、分选、融合等，还可以定量的测量细胞的力学性质以及细胞间的相互作用。随着光镊技术的成熟以及与更多的技术结合，如微分干涉和荧光技术，脉冲激光技术、激光拉曼技术、全息技术、共聚焦技术、磁镊技术等，使得在实时测量细胞的变化，细胞的相互作用，细胞的力学性质等方面的研究更加深入的展开。分选单条染色体