生命科学研究中的光镊技术_李银妹

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1、综述生命科学仪器2004第2卷/第4期生命科学研究中的光镊技术李银妹楼立人（中国科学技术大学物理系，安徽合肥230026）摘要光镊诞生18年来，无论是技术本身还是它的应用都有了极大的进展。本文从光的力学效应出发，简要讨论了光镊的原理，介绍了光镊装置的基本结构，并对光镊的独特功能进行了分析，进而对光镊技术及其在生命科学中的应用现状和进一步发展作了评述和讨论。阐述了光镊在生命科学研究中的潜在地位和巨大的发展前景。OpticalTweezersinLifeScienceLiYin-meiLouLi-ren(UniverisityofScienceandTechnolo

2、gyChina,Physics,Hefei230026,China)AbstractOpticaltweezerstechnologyanditsapplicationhavegainedgreatsuccesssinceitwasrealized18yearsago.Thispaperwillbrieflydiscussitsworkingprinciplebasedonthemechanicaleffectoflight,itsbasicstructureandnovelfeatures,thenitsrecentdevelopmentsonboththet

3、echnologyandapplicationsinlifesciencewillbereviewed.Itisshownthatopticaltweezerswillhavegreatpotentialinlifescience.1前言通过光合作用太阳光给农作物生长提供能量来源等。但是与光的能量相比，光具有动量和角动量这一性生命科学与人类的生存和发展有着最直接的关质，却超越了人们的日常经验。实际上，光与物质相系，历来受到人们的特别关注。20世纪，生命科技有互作用的过程中，光与物质间可以交换动量，使受光了重大的发展，研究日益向微观层次深入，从细胞、细照射的物体受

4、到一个力或力矩，也即产生光的力学效胞器直到生物大分子，这与各种新仪器的发明紧密相应。关。在生物大分子个体行为研究的基础上，又需要从由于通常光源发出的光产生的力学效应太微弱，它们间的联系和相互作用去更深入的理解生物微粒群这一效应在激光发明之后才引起人们的关注，并取得体的行为，实现从研究单个基因和蛋白质的分子生物了突破性进展。在光与微观粒子相互作用中，光被用学向系统生物学转变。从方法学的角度，生命科学的来使原子偏转，减速和冷却。朱棣文等人正是由于在实验研究正在从现象驱动向假设驱动过渡。为验证假这方面的成就而荣获1997年度诺贝尔物理奖。与此同设，就必须设计新的实验方

5、法，发明新的实验仪器。由时，激光对于宏观微粒的辐射压力或力学效应的研究于生物对象的复杂性和对活的生命过程研究的需求，也引起了人们的关注。早在1969年，A.Ashkin首次实对生命科学仪器提出了越来越高的要求。光镊现了激光驱动微米粒子的实验。此后他又发现微粒会（Opticaltweezer）技术正是在这样的背景下应运而生在横向被吸入光束（微粒折射率大于周围介质），并利的。用相对传播的二束激光实现了双光束光阱。他在这方光是一种特殊的物质，它与人类生活的关系非面的系列研究最终导致光镊的发明[1]。常密切，伴随着人类文明的发展，人们对光的认识也光镊的发明是光的力学效应

6、走向实际应用的一个越来越深入。光携带有能量和动量,光与物质相互作重要进展，它捕获和操控微小粒子的功能，使它成为用时彼此交换能量和动量，产生各种效应。人们由日深入研究微小宏观粒子的特有手段，特别是在生命科常的经验很容易认识到光携带有能量，光与物质相学领域。光镊诞生不久，光镊发明人A.Ashkin就曾预互作用使物体的温度升高,称之为光的热学效应，比言“将细胞器从它的正常位置移去的能力为我们打开如最重要的天然光源太阳，它的辐射带给地球热能；了精确研究细胞功能的大门”。近20年的发展，已远3综述生命科学仪器2004第2卷/第4期远超越了A.Ashkin当初的预言。光镊用

7、于操控和研究2.2光镊——单光束梯度力光阱[2-4]单个细胞，细胞器和生物大分子的行为，在一些生命光与物体间的相互作用力本质上是光的电磁场与科学的基本问题上，取得了开创性的成果，展现了广组成物质的带电粒子相互作用的结果，包括散射力和阔的应用前景[2]。光镊技术已经成为微观生物学研究梯度力两部分。散射力正比于辐射强度，方向指向光的重要手段。束传播方向，梯度力正比于光的强度梯度，指向光的本文简要介绍光镊的原理和装置，结合实验室的强度梯度方向。通常光辐射对物体的作用都是以散射工作，介绍有关光镊的基本实验技术、光镊技术的新力为主，表现为推力。然而在特定强度分布的光场下，

8、近发展、光镊技术在生命科