激光在生物捕获中的应用

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1、激光在生物捕获中的应用王立刚职工号0005158浙江大学理学院物理系摘要：自从20世纪70年代Ashkin发明激光光镊技术以来，到1986年首次成功地将此技术应用于中性粒子和生物细胞捕获，光镊技术已经广泛的应用于生物学，并成为一种控制细胞的新兴技术。本文简要的介绍了激光光镊的原理以及在生物学中的应用。1.激光捕获技术的简介追溯激光光镊的历史，我们知道Ashkin是这一领域中当之无愧的先驱。20世纪70年代，他首先发现激光可以用来捕获在空气或水里的微小介质球体[1]；再经过一系列的研究后，他最终实现用两束相反方向传输的激光束来对微小粒子进行稳定地三维捕获[2]

2、。在1986年，他又利用激光强度不均匀分布引起的梯度力，来实现对微小粒子的捕获，在实验和理论上都取得成功[3-5,6]。这种技术已被称作光镊技术，目前已经得到广泛的应用，例如，从冷却原子、捕获介质微球体或者微小的中性粒子(直径的尺寸从几个纳米到几百个微米)，到生物粒子的捕获与控制[7]。微小介质球体大小的判断标准是用介质球的直径d与光的波长λ进行对比。当介质球的直径远大于波长时，即d>>λ，可以从光的粒子性来理解光与介质球的相互作用，如图1所示。光线经过介质球时发生折射，入射光束光子具有的动量和出射光束光子的动量有了改变，表现为下图中的入射光束和出射光束大小

3、和方向的改变，则可以通过矢量减法得到动量的改变。物理学中动量守恒定律告诉1我们，光束动量的改变和介质球动量的改变总是大小相等、方向相反，所以，图1(a)中的介质球受到光作用的合力的方向向右，图1(b)中介质球受到向上的合力。这样，在光力的作用下，介质球总是向着光强最大的区域运动，最终平衡在光强最大的位置。这种光捕获机制同样适用于其他类型的微小粒子，包括生物细胞、病毒等。(a)Lightintensitydensityprofile(b)LightintensitydensityprofileFocuspointFtotalFtotal图1.当d>>λ时激光捕

4、获电介质球的基本原理示意图此时对电介质小球而言，光力的计算如下[8]：nP⎧T2[sin(2θ−2ε)+Rcos2θ]⎫→mF=⎨1+Rcos2θ−2⎬k+c⎩1+R+2Rcos2ε⎭(1)nP⎧T2[sin(2θ−2ε)+Rsin2θ]⎫→m⎨Rsin2θ−2⎬l,c⎩1+R+2Rcos2ε⎭→→其中，θ是各个光线分量的入射角，ε是折射角，k、l分别是平行、垂直于入→→射光束的单位矢量，R和T分别是菲涅尔反射和折射系数，k和l的系数代表散射力和梯度力的大小，其他符号n、c、P分别是媒介的折射率、真空中的光速、m激光的功率。当介质球的直径远小于波长时，即dٛ

5、<<λ，此时电介质球可以看做是一个2电偶极子，这样光捕获力大小由激光对介质球产生的辐射力决定[5]。对于一个连续的激光束，其辐射力包括梯度力和散射力；对于脉冲激光束而言，其辐射力包括梯度力、散射力以及一个随时间变化的力。激光场的梯度力是由于光强的不均匀分布引起的，有横向和轴向两个分量。对于连续激光，梯度力的大小定义为[5]：22πn2(m−1)3F=a∇I,(2)grad2c(m+2)其中，m=n1/n2，n1是微粒的折射率，n2是周围媒介的折射率，微粒的半径是a，I是激光的光强，“∇”是拉普拉斯算子。激光场的散射力正比于光强，其方向沿着光束传播的方向，它的

6、大小表示为[5]:n2F=CI,(3)scatprc22846⎛m−1⎞其中，C=πka⎜⎟是微粒的散射截面，k为激光光波的波数。下图2是pr3⎜m2+2⎟⎝⎠激光引起的各个力作用在微小颗粒上的示意图。从图中可看出，横向力可以使粒子向x-y平面中心移动，而轴向力则由散射力和轴向梯度力竞争的结果决定。通常的讲，对于1µm以下的粒子，人们便可以得到Fgrad,z大于Fscat，从而可用单个激光束实现微小颗粒三维的捕获。xFgrad,rFFZgrad,zscaty图2.当dٛ<<λ时激光捕获球形微粒的基本原理示意图3当介质球的直径与波长相差不多时，即d≈λ，电介质

7、球不能看成一个电偶极子，同时由于生物细胞的非球对称性及细胞对光线的折射不对称等问题，光力的计算就很复杂。因此，对于许多具体问题，激光场对各种形状、各种类型的介质的光力计算，一直是这一领域的研究的热点之一。2.生物细胞的分类及结构特点生物细胞根据有无核膜可划分为真核细胞、原核细胞和病毒，如下图3。真核细胞的直径一般为10-100µm，比如：动植物细胞、真菌(酵母菌、食用菌、霉菌)、原生动物(草履虫、变形虫)、红细胞、白细胞、神经细胞、骨细胞、肌肉细胞等；原核细胞的直径一般为1-10µm，比如：蓝藻、细菌、支原体(最小的细胞，直径为0.1µm)、衣原体、大肠杆菌

8、、放线菌、结核杆菌等；病毒主要由核酸和蛋白质外壳组成