光镊研究与产业现状

图ｌＡ．ＡｓｈｋｉＩｌ在实验室
特别报道Ｉ光镊技术光镊研究与产业现状
采写编辑：谢婧
士黑纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目］木标。

光镊是利用光与物质问动量的传递的力学效应而形成的三维梯度光学势阱，是一种可以对活细胞和其他微小物体进行无损伤和非接触性操控的工具。

它是建立在光辐射压原理的基础上的。

早在１６１９年开普勒就
曾经提出，光可能有“机械效应”，麦克斯韦在１８７３年、爱因斯坦在１９１７年都对光辐射压理论做过重要贡献。

到了１９６６年，索格金等人发明的可调染料激光器则为进一步探讨“光的机光镊将细胞从正常位置移去的能力，为我们打开了精确研究细胞功能的大门ｏ．
——Ａ．Ａｓｈｋｉｎ
械特性”和促进其应用提供了条件。

２０世纪７０年代，美国贝尔实验室的学者Ａ．Ａｓｈｋｉｎ（图１）和他的同事在对光子与中性原子的相互作用进行研究时，利用高聚焦单光束成功束缚了水中的乳胶微粒，将辐射压的应用从原子量级扩展到了微米量级。

在此基础上，Ａｓｈｋｉｎ又成功设计了双光束光学势阱，初步实现了利用光压操纵微粒的想法。

合作研究者朱棣文等还因为利用光压原理发展了激光冷却和囚禁原子的方法获得了１９９７年的诺贝尔物理奖。

１９８６年Ａｓｈｌｄｎ把单光束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，证明其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，并形象地称其为光镊。

１９８６年问世后光镊技术发展迅速，针对不同种类激光束产生的光镊研究越来越全面，光镊的应用范围也越来越广（图２）。

纳米科学和生命科学被认为是２１世纪很有发展前途的领域，纳米生物学正是这两大领域的交叉产物，其研究的纳米生物体系主要是生物大分子及其复合体。

光镊的发明使在单个生物大分子及其复合体层面上对生命活动进行研究成为可能。

正如Ａｓｈｋｉｎ所说，光镊“为我们打开了精确研究细胞功能的大门”，在生命科学以及介观物理学领域得到了迅速应用并显示出了广阔的应用前景。

应用于纳米层面的光镊的精度也从微米达到了纳米：它可操控对象的尺度达到纳米量级：对微粒的操控定位达到纳米精度：位移测量达到纳米精度；可进行飞牛（ｆＮ）到皮牛（ｐＮ）量级微
图２光镊的应用
小相互作用力的
实时测量。

这些特
有的功能使它可
用于研究生物大
分子的静态力学
和动力学特性、可
对生物大分子进
行精细操作、可在分子水平上进行特异性识别和生命过程的调控以及用于纳米生物器件的组装…。

纳米光镊技术因其在基础性研究中的重要地位，同时又具有广阔的市场前景而倍受关注，成为光镊技术发展的一个重要方面。

在发展过程中，光镊由最初的单光束梯度力光阱逐渐演化出了双光镊、三光镊、四光镊、扫描光镊和飞秒光镊等许多不同类型的光学势阱，它们为测量双链ＤＮＡ的解螺旋过程、研究分子马达的运动机制等生物科学和其他领域的微尺度研究提供了巧妙且有效的工具。

在众多的实验研究中多光阱操控技术显得越来越重要。

全息光镊１２Ｊ就是一种产生多光阱或新型光学势阱的新方法，全息光镊不仅能构成各种功能的光阱，还能实现三维光阱阵列。

它利用全息元件构建具有特定功能的光场，当物光场再现时只需用原来的参考光照射全息元件即可获得重建的物光场。

目前全息光镊的全息元件多由空间光调制器形成，较常用的是由计算机寻址的液晶空间光调制器。

原则上全息光镊可以产生任意形状、大小和数量的光阱，目前的难点在于提高作为全息元件的空间光调制器的衍射效率。

根据所形成的光场性质的不同，全息光镊会实现不同的功能，主要应用于新型空心光场捕获和旋转微小粒
中国光学期ｑ＝ｌＪ网、＾ｎ＾ｎ＾，．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ
１３万方数据
ＦＥＡＴＵＲＥｌＯＰＴｌＣＡＬ‘ｎ，ＶＥＥＺＥＲＳ
子和对多粒子进行实时动态的捕获和操控等。

由于它可以自由操控多个粒子，简化了许多生物实验研究，另外它还可与许多具有特殊物理或光学特性的材料组织构建成一些有意义的结构。

随着人们对微粒操控的需求越来越多，全息光镊有着极大的应用价值，也是目前光镊领域最受关注的方向之一。

正如我们已经知道的那样，光镊由于其可对多个微小粒子进行复杂操控的特点以及飞速的发展，在其本身的技术研究受到越来越多关注的同时，也在不断开拓与其他领域技术结合的应用【３】。

生命科学研究就是光镊技术一个很重要的应用领域。

随着研究和应用的进一步发展，与其他技术结合成为光镊的一个重要的发展方向，例如与具有高空间分辨本领的技术结合使之同时具备精细的结构分辨能力和动态操控与功能研究的能力，另外将其作为～种操控技术与其他测量技术如微弱荧光探测技术、拉曼光谱测量技术等结合来获得更充分的信息，也是光镊的研究热点之一。

这些技术合作为光镊开拓了广泛的应用范围，也是必然的发展趋势。

在国外光镊技术一直是研究热点之一，研究单位有最早发明光镊的美国贝尔实验室、斯坦福大学、麻省理工学院、英国曼彻斯特大学、德国欧洲生物分子学实验室以及日本Ｏｓａｋａ大学等。

近年来国际上与光镊相关的创新性研究成果不断，例如成功使用红外光捕获并且绘制ＲＮＡ聚合酶、用激光冷却与捕获稀有元素镭原子以及发明可探测飞摩尔水平抗原的光镊并获得美国国家标准与技术研究院（ＮＩＳＴ）专利。

每年在国际著名的刊物上都有大量光镊方面的论文发表。

在国内，中国科技大学、南开大学、北京大学、中科院物理所、中科院西安光机所等单位都开展了光镊的研究和应用工作。

其中中国科学技术大学在１９８９年就开始关注，在理论分析、实验操作和系统搭建方面均取得了很大进展并积极探索其在生物领域的应用，编译了国内第一本光镊书籍《生命科学新技术——光镊原理、技术和应用》，近年来还研制成功了世界上第一台包含有三个独立光学微机械手的纳米光镊装置、实现了光镊捕获１００Ｒｉｌｌ聚苯乙烯小球同时也能在整个显微视场中观察纳米粒子。

随着技术的发展和应用面的不断深入和拓展，越来越多的国内学者开始慢慢了解这一领域。

伴着光镊技术的研究热潮，国际市场上已有公司推出成熟光镊系统产品。

例如德国Ｐ．Ａ．Ｌ．Ｍ．Ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒ公司是世界领先的非接触性微光束技术厂商，在常规激光显微操纵和先进的激光显微解剖应用
１４嫩光与挑电字学进展２００９．０１
方面有着近１６年的经验。

它的ＭｉｃｒｏＢｅａｍ和ＭｉｃｒｏＴｗｅｅｚｅｒｓ系列已成为服务科学研究、生物技术和医疗保健行业的一项关键技术，是光学显微操控技术不可缺少的优质工具。

还有美国Ｈａｅｍｏｎｅｔｉｃｓ公司的全资子公司Ａｒｒｙｘ公司也拥有光阱操控方面的专利技术，它的ＢｉｏＲｙｘ２００光镊系统（图３）能够产生多个光学势阱对细胞和微粒进行操控，前面提到的获得ＮＩＳＴ专利的可探测飞摩尔水平抗原的光镊也是由该公司研发的。

由瑞士苏黎世大学的ＳｔｅｆａｎＳｅｅｇｅｒ成立的ＭｏｌｅｃｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅｓ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓｆ加Ⅲ１公司也是一家著名的提供使用固体激光捕获技术的先进仪器的公司，它能够按照客户需要提供集光镊、微机械等模块为一体的仪器平台。

此外还有在光阱捕获方面拥有自主知识产权的ＣｅｌｌＲｏｂｏｔｉｃｓ公司以及在２００８年新推出了专注于纳米科技的ＮａｎｏＴｒａｃｋｅｒ光镊的ＪＰＫ公司等。

这些公司基本都成立于２０世纪９０年代，经过资本重组、研发的深入和对市场的不断开拓，其产品的商业化模式已经非常成熟。

国内中国科学技术大学在２００１年率先成立了上海中科大光镊科技有限公司（中珂光镊）进行光镊系统产品的商业推广；中科院西安光机所近年来在光镊研究方面取得了一些新进展，在此基础上研发出具有自主知识产权的激光光镊产品并于２００５年成功投放于市场。

不管是发展颇为成熟的国外市场还是刚刚起步的国内市场，光镊产品的商业推广都还存在一些问题。

首先是产品造价高，特别是在提升系统性能时成本也必然会增加。

国外公司在市场上推出的产品价格一般在２０万美元左右，因此需要使用光镊系统的研究人员多半会选择自行搭建。

利用现有部件制造简单的单光束光镊的成本仅为几千美元，当然这样的光镊的性能会受很大限制【４１。

虽然国内光镊产品相对来说性价比较高，但是仍然存在这样的问题。

光镊技术的广泛应用除了受到价格和自制系统图３
Ａｒｒｙｘ公司的ＢｉｏＢｙｘ２００光镊系统
万方数据
图４ＭｉｎｇＷｕ研究小组开发的光镊系统装置
在技术方面的限制，同时也缺乏完备的商用系统。

该复杂系统应包括用于成像、样品传送、受力测量、分析以及图像处理的硬件和软件，光学捕获机制仅是其中一部分。

光镊系统产品主要面向的是大学和研究所中从事理论基础和应用基础研究的研究人员。

除了光学或物理方向的研究人员可以自行搭建，还有更多的从事生物、化学和材料等方向的研究人员对光镊系统并不了饵。

这也是目前光镊产品的商业推广尤其是在国内的商业推广的主要问题。

当然人们已经意识到了这些问题，一些研究小组正在致力于降低光镊的成本，希望能寻找到相对便宜但是又不会牺牲分辨率和系统产量的元件。

例如加州
大学伯克利分校Ｍｉｎｇ、№领导的研究小组就已开发
出了用光电子元件而非激光器作为光源的光镊系统（图４）。

另外加大对配套计算机处理系统的开发力量也是研究方向之一。

西安光机所姚保利研究小组研制的激光光镊系统（图５）将激光技术，数字技术与显微成像系统结合，用激光作用微观物体，并将其捕获，变化过程通过显微成像系统再经ＣＣＤ图像采集系统输
特别报道Ｉ光镊技术
图５西安光机所研制的激光光镊系统
入电脑，由电脑对微观过程进行后期处理。

其激光束最小可聚焦至ｌｇｍ，而普通生物细胞的大小为十几
个微米，因此可满足大多数生物、物理实验的要求１６】。

近年来，国内逐渐增加了对光镊技术发展的重视，为解决非光学领域的研究人员对光镊系统不熟悉这个产品推广的首要问题作了许多努力。

使更多不同领域的人来了解并使用光镊来开展创新的研究和应用工作，最简单有效的方法就是开学术会议并邀请其他领域的专家参会，增加跨领域交流与合作，以此来扩大光镊技术的应用领域。

此外，开展学术交流增加同行间的交流与合作，使对光镊本身的研究更深入；参加国际会议，增加与国际同行跨地域的交流合作也是很有必要的。

２００８年１１月，在中国科学技术大学召开了首届全国光镊技术与应用学术交流会，参会代表来自国内外２７家光镊和相关方向科研院所，其中有许多来自生命科学领域的专家与学者。

２００８年１２月在台湾举办的２００８激光生命科学应用国际学术研讨会，武汉光电国家实验室（筹）生物医学光子学部的相关专家也应邀参会。

这些交流都取得了很好的效果，一些合作项目也陆续开展。

光镊，这项发明于２０世纪末却仍充满活力的技术必将会在更多的领域为科学和人类发展做出贡献。

１李银妹。

楼立人．纳米光镊技术——新兴的纳米生物技术【Ｊ】．激光与光电子学进展，２００３，４００）：１—５
２任煜轩，周金华，吴建光等．全息光镊——光镊家族中极具活力的成员【Ｊ】．激光与光电子学进展，２００８，４５（１１）：３５—４１
３李银妹，楼立人．生命科学研究中的光镊技术【Ｊ】．生命科学仪器，２００４，２（４）：３—９
４
ＫａｔｈｙＫｉｎｃａｄｅ，Ｔｒａｐｐｉｎｇ
ｗｉｔｈｆｉｇｈｔ…ｆａｎｔａｓｔｉｃ【Ｊ】．／ｄｌｓｅｒＦｏｃｕｓＷｏｒｌｄ，２００７，秘（８）：８１－８５
５Ⅵｎ哪．ｏｐｔｉｃａｌｔｗｅｅｚｅｒｓ．ｎｅｔ
中国光学期刊网Ｗ、＾ＰＣＶ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａＩ．ｎｅｔ
１５
万方数据
光镊研究与产业现状
作者：谢婧
作者单位：
刊名：
激光与光电子学进展
英文刊名：LASER & OPTOELECTRONICS PROGRESS
年，卷(期)：2009，""(6)
被引用次数：0次
1.李银妹.楼立人纳米光镊技术--新兴的纳米生物技术[期刊论文]-激光与光电子学进展 2003(01)
2.任煜轩.周金华.吴建光全息光镊--光镊家族中极具活力的成员[期刊论文]-激光与光电子学进展 2008(11)
3.李银妹.楼立人生命科学研究中的光镊技术[期刊论文]-生命科学仪器 2004(04)
4.Kathy Kincade Trapping with light…fantastic 2007(08)
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下载时间：2010年12月8日。