单光纤光镊的研究解读

单光纤光镊的研究

1 绪论

1.1 概述

光学捕获理论则是建立在光的辐射力基础上的。当光辐射场与物体的相互作用时会使物体受到光辐射力的作用。而激光捕获就是利用激光的这一效应实现对微粒的稳定捕捉的。

由于光镊是利用光束实现对微粒非机械接触的捕获，而且捕获距离远大于捕获对象的尺度，因此在捕获过程中不会产生机械损伤也不会影响粒子周围的环境。而且在操作过程中，光镊可作为力的传感器实时测量微粒间的相互作用力。这也使得光镊不但是操控微粒同时还是研究微粒静态和动态力学特征的理想工具。但由于显微镜的常规光镊仪器体积庞大，价格昂贵还有几何尺寸等问题限制了常规光镊作为生物粒子微操纵工具的应用。而新发展的光纤光镊技术能够较好地解决这类问题，它利用光纤出射光场构成光镊，使光阱操纵与光学显微镜分离。从而改善常规光镊仪器所存在的问题。

在目前为止，光镊已被广泛应用于对细胞、细胞器和染色体的捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。除此以外，光镊技术还被应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。随着光电器件性能的进一步提高和光镊技术的进步，光镊必将得到越来越广泛的应用。

1.2 光镊技术的发展及应用

光镊是单光束梯度力势阱的简称，是基于光作用于物体的辐射压力和梯度力相互作用而形成的势阱。

1.2.1 光镊技术的背景

1864年，英国数学物理学家麦克斯韦创立了电磁场理论，提出辐射场携带动量，论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式；1901年，俄国物理学家列别捷夫用悬在细丝下的悬体制成扭称实现了光压力的实验测量；1905年，爱恩斯坦提出了光量子的概念，认为光是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子流；1909年，德拜给出了线偏振电磁波作用于均匀球形粒子的辐射压力的理论，但由于光辐射压极其微弱，同时也因没有足够强的光源，所以无法进行实验研究。直到20世纪60年代，激光的发明给辐射压力的研究提供了高强度、高准直度的光源。

在1968年，苏联科学家Letokhov提出了利用光场的梯度力来限制原子的想法；1969年，美国贝尔实验室的Ashkin等人首次实现了激光驱动微米粒子，此后他又发现微粒会在横向被吸入光束。在研究了这两种现象后，他又利用相对传播的两束激光实现了双光束光阱；1970年，Ashkin等首先提出能利用光压操纵微小粒子的概念，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠，后来这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子越来越小；直到1986年，Ashkin等人采用大数值孔径显微物镜会聚单束激光，在水溶液样品池中实现了对介电微球的三维光学捕获。这标志着“单束光梯度力阱”的诞生，简称为“光镊”。

1.2.2 光镊技术的应用

（一）生命科学领域

由于光镊可以实现对生物活体样品非接触无损伤的捕获和操纵，因此光镊技术的应用研究热点主要集中在生物学方面，特别适合于生物大分子、生物细胞的研究，如人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力及对膜体系进行定量研究。Ashkin首先将光镊技术应用到生物领域，实现对病毒和细菌的捕获与操纵。利用光镊技术实现激光诱导细胞融合，下图为骨髓瘤细胞融合过程。

图1 骨髓瘤细胞融合

K.Svoboda等人在分子水平上观测到动蛋白分子沿微管以8nm的步幅腾跃前进，间隔为1ms量级，从而证明驱动蛋白分子将化学能转变为机械能的元过程是非连续的，这是人类第一次辨认出动蛋白的运动状态。M.Daoa等人讨论了利用光镊对人类血红细胞的受损形状力学研究，下图2为利用光镊进行细胞壁的力学参数测试的实验过程。

图2 利用光镊进行细胞壁的力学参数测试

（二）表面科学及凝聚态物理等领域

目前光镊技术在表面科学及凝聚态物理领域也得到了应用与发展。其中以Missawa为代表的日本研究小组设计了一种光镊分时操作装置，使一束光可形成多达8个独立的光阱。利用这一装置对乳胶微粒进行了操作，能有效地控制粒子

的流动方向，选择颗粒的大小以及空间图案的排布。除此以外，他们还发现表面结合了极性或非极性功能分子团的聚苯乙烯小球与溶液中的荧光探针分子相互作用，可使后者发射的荧光波长和强度发生发生，从而通过荧光信号可以探知小球表面的化学性质。结合光谱测量技术，光谱可以随意地操纵或固定单个小球的空间位置。因此可以探测单个小球表面结合物发射荧光的细节，从而确定小球表面的分子结构。

（三）微操控及微细加工领域

光镊作为微小位移操纵手段和粒子间微小相互作用力的探针，不仅仅用于生物学领域，也同样适合其他微小粒子的研究，诸如微粒的运动特性、微粒间的相互作用、微粒的排布和纳米器件的组装与检测等。

采用光镊技术还可以实现更为复杂的操作过程。如通过改变两束激光的路径差，可使光阱中的微颗粒发生可控制性旋转、加速及停止等；另外，通过改变两束激光的频率差，也可对光阱中的微结构实施可控及连续性的旋转。Eriksen等人则研究了通过多光束光镊实现对微颗粒的操作问题：采用不规则钻石微粒作为光镊的“手柄”，Sun等人还成功地对粘附在微粒上的生物细胞进行操纵。Gauthier 在1997年首次提出将光镊应用于微加工领域，可实现对微小器件的非接触式移动、操纵和组装。光镊方法甚至可用于驱动微型齿轮，从而组成一种微光机电系统。

（四）光子晶体领域

光镊在光子晶体研究领域中也有重要应用。光子晶体是近年来应用物理和材料科学的一个重要研究领域，它是介质颗粒周期排列而成的人工材料，能够产生光子带隙，频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播。可以利用光镊对光子晶体进行排列，如图3所示。在制备三维光子晶体的方法中，仍然无法控制晶体生长过程中的缺陷态，利用光镊技术对产生的缺陷进行修复以及对生成的晶体进行修整，就能达到去除缺陷的目的，能够生成大面积无缺陷的三维光子晶体。