光镊技术的原理及应用

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1、墨强强盈匹蚕皿葛割雀(东南大学生物科学与医学I程系江苏南京210096)光摄技术是美国科学寰于[986年发明的．光捂又称为单光束梯廑力光阱。简单的说．就是用一束高度￡聚的激光形成的二维势阱来俘获，操纵控制微小枇干。自诞生阻来+光摄技术已经在微米R度量级柱丁的操纵控制．粒子呵的相Ⅱ作月等方面的研究中发挥T重要作用。l光曩技术的产生I969年．Ashkin通过g论计算认为聚焦的擞光能推动R-J为几个微米的粒子，并实现r用聚焦的氲离子擞光使悬浮扯水中的透明胶粒(直径06-25¨m)沿着光轴方向加速推离。他发现接近光束的微粒也出乎意科地谴吸人光束中推高．n通过用气泡与

2、液摘反复实验后．Ashkin认为光束对折射率比周囤升质高的微粒具有横向吸力，但对折射率比周围介m低的微粒异有横向推力。1970年．Aahkin等旨先提出能利用光压(opticalp㈣sufe)操纵微／14'l子的概盎。一直到l986年，Ashkin才发现只需篓一束高度聚焦的激光，就可“肜成稳定的能量阱能将微粒稳定俘获。这标志着光镊的诞生．1E因为如此．光镊的E式名称为单求光梯度力阱(single—kamopticalgradientforcetrap)。2光镊技术的t．t：ll理把可以看作是把子流．每个光子都旬有动鼍尸畔÷E是波长为l的光子能量，当光照射到物体

3、时，光子的动昔传递给物体井产生压*．称为光压．光压对于出现物体的影响可以忽略不计，但对于直径小于100um的微小离子，选种辐射Ⅲ的作用是*簿考虑的。光镊耐牲子的俘获作用机制％其R寸有关。根据粒子直径(D)和光城长n)的太小关系，光镊的作用机制披舟为3类：集台光学机制(D>H时)、雷利机制-{D(q时)和中间机制(介于前两者之间的情况)。下面将通过介绍前两种机制来解释光镊作用的原理。2】几何光学机制(nayopticsregime)对D))A的情况．俘获力的产生可通过光折射和动量守恒来分析。如图I(a)。微粒处在偏离激光束轴线的位置．不同强度的光线P1和P2与微

4、粒作用．Pl和P2传递培撤幢的动Ji-AP，和d^在x轴方向的分li为APX，对般粒产生一个指向擞光束轴线的力．其作用在于减小错粒位置对于轴线的偏移．被称为■向梯度目复力．轴向梯度力也是由于光折射的动量转移造成的。如图ifb)和l(c)1它的作用在J。推动微枉向澈光束焦点方向运动．根据焦点位置T同．轴向梯度力的方向一f能是托也可能是·z。微粒对人射光的反射作用会产生散射力(图I井币包含散射力产生的情况)。散射力与轴向梯度山的作用刚好相反，是推动微粒想背离散光束焦点的方向运动。如果散射力和梯度力能够选到平衡．就能罅实现对粒子的稳定俘获。T面是由Ashkin给出的

5、这些力的定量表逃式散射“。．《一m·．鼍畴．j：笔一-霉*眈一．《一．鼍母焉皂繁吗·掣式中P是光线舯能量+n．是悬浮液的折射率，日和÷舟别是^射和折射的角度，R和T是菲捍耳反射和恃播系教。这两个俘获力的矢量和为f。．1再飞ot_l，H#M■“十Ⅲ2．2雷利机制01ayleigh”目me)光是电磁渡，粒子(Dt“时)在光的电融茶中被柽化成点偶桩子舢intdipoles)。光对粒子的散射力可如下表示：^-^掣．．扣，{爿1(s)是电磁藏的时间平均Po”tIng向量．n1是悬浮涟的折射丰．是直径为雷利的粒子的散射横截面，=n，／n，是相关指投．m是牲子对光的折射率．

6、k-2”。n以是光的最教．而梧鹰力址是电硅硅作用于楹子上的洛伦馥力：‘-{_tf，州‘爿愿妇漾．_；!．E电磁场强度，是微粒的极化度。散射力和梯度力的合力指向光束焦点，将高介电常数的粒子向焦点方向推动，可以通过改变光束焦点的位置来操纵被俘获的粒子。3光镊系统的构成光镊仪器的基本结构是一样的，最常用的光源为Nd：YAG激光器和氩离子激光器，波长为0．7“m或L0．6“m，功率为25-500mW。激光通过显微镜物镜聚焦，物镜数值孔径O璩)等于悬浮液的折射率。大部分生物样品能大量吸收可见光，但对于波长在700-1300um范围内的光是透明的，而红外光可被水吸收。为了

7、避免因光的过度吸收造成温度不正常升高，减少对被检测对象的生物活性的损伤，所以通常选用红外波长的激光作光源。激光的焦点可通过调节透镜和反射镜来改变，CCD采集图象并将其显示出来，所有的数据由计算机处理。4光镊技术的应用光镊采用激光实现对微粒的俘获与操纵，与样品之间没有机械接触，不会对样品产生机械损伤；不会对样品的周围环境产生污染与干扰，减少了检测中的不确定因素。光镊能够俘获与操纵的微粒大小约是几十纳米列几十微米，而细胞、细胞器及生物大分子等生物微粒恰好属于这一范围，所以光镊技术特别适合生物微粒的俘获与操纵，同时对生物微粒的生命活动干扰极小，生物微粒生命活动变化能

8、得到完整的保留，使研究者能实时观测，这