第五组——光镊技术地新应用

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1、实用文档光镊技术的新应用纪美伶，白中博，王娜，马学进（西安交通大学生物医学工程）摘要激光光镊自从1986年发明以来，作为一种无直接接触、无损伤、可产生和检测微小力以及精确测量微小位移的物理学工具，在生命科学等多个领域得到了广泛的应用。本文从光镊的诞生出发，简要讨论了光镊的原理，光镊装置的基本结构，并简要介绍了各个种类光镊的独特功能以及基于光镊的一些新技术，进而对光镊技术及其删除“及其”两字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。关键词光镊；生命科学；原理；基本结构；应用现状；发

2、展NewApplicationsofOpticalTweezerJiMei-ling,BaiZhong-bo,WangNa,MaXue-jinAbstractTheopticaltweezertechniquehasemergedasaflexibleandpowerfultoolforexploringavarietyofscientificprocessessuchaslifesciencesinceitwasinventedin1986.Fromthebirthoftheopticaltweezer,thispaperwillbrie

3、flydiscussitsworkingprinciple,itsbasicstructureandintroducesomekindsofopticaltweezerswithnovelfeaturesorsomenewtechnologiesbasedonit.Thenitsrecentdevelopmentsonboththetechnologyandapplicationsinlifesciencewillbereviewed.Itisshownthatopticaltweezerwillhavegreatpotentialinli

4、fescience.Keywords：opticaltweezer;lifescience;principle;basicstructure;application;development光镊简介一百年前，爱因斯坦提出的光量子学说最终导致了激光的诞生，20世纪60年代激光器的发明，使光与物质相互作用产生的力学效应真正走向实际的应用。20世纪70年代，美国贝尔实验室的学者ArthurAshkin等人[1]发现了激光具有移动微粒的能力，并首先提出利用光压操控微小粒子的概念：在氩离子激光器发出的TEM00模式激光束作用下，氩离子激光器发出的TEM

5、00模式激光束照射到硅小球上硅小球在此处加入“会在”两字横向梯度力的作用下陷入光束中心，然后在光束散射力的作用下沿着光束传播的方向加速运动；还发现了折射率低于周围介质的粒子（气泡）会被激光束排斥，同时也会被激光束沿着激光传播的方向加速。此处句子删除其后Ashkin利用两束相对照射的TEM00模式激光去捕获改为“照射”高折射率粒子，发现粒子在激光横向梯度力的作用下陷入光束中心，然后沿着光束传播的方向运动到一个稳定的平衡点停止下来，这样粒子就被两束相对照射的激光束稳定捕获了。这时它还不能称之为光镊，因为只能实现此处加入“对粒子”三字横向二维捕获

6、，而在轴向上由于强烈的散射力的存在无法实现捕获。1971年，Ashkin和Dziedzic第一次使用了单光束捕获粒子[2]。他们利用一束聚焦的TEM00模式激光从下向上照射粒子，在轴向散射力的作用下粒子被顶起，同时粒子受到向下的重力作用。当粒子运动到平衡位置时，向上的散射力和向下的重力达到平衡，粒子在轴向上稳定下来。在横向上，由于光束的横向梯度力始终指向光束中心，因此粒子被稳定地捕获在光束中心。这样就形成了一个单光束悬浮光阱（opticallevitationtrap）。此部分删除在1986年，Ashkin发表了一篇具有深远意义的论文[3]

7、，标志着光镊的诞生。在此文中Ashkin仅仅利用一束激光就实现了在三维方向上捕获电介质粒子，而且在轴向上利用的是梯度力捕获粒子，而非利用重力作用的悬浮光阱。实验中Ashkin利用高度聚焦的单光束焦点形成的单光束梯度力势阱（singlebeamgradientforcetrap），在水中成功地捕获了直径从25nm到10μm文案大全实用文档的电介质粒子，且在横向和轴向上所施加的捕获力都来自于光场梯度力。由于这种单光束梯度力势阱在轴向上的梯度力足够大，超过了散射力，占据了主导地位，加入“因此”形成了一个稳定的三维势阱，可以像一个镊子一样任意捕获并

8、移动电介质粒子，可以改为“并且可以”在基本不影响周围环境的情况下对捕获物进行亚接触性、无损活体操作，因此又被形象地称作光镊（opticaltweezers）。近30年来光镊技术的