光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展

光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展

信息工程系 王 坚

[摘要] 激光陷阱和控制、操作中性微小粒子的光镊技术是以光的辐射压原理为基础的，利用光与物质间动量的传递的力学效应形成三维梯度光学陷阱。光压的实际应用在20世纪激光诞生后才得以实现。由于激光突出的高方向性、高相干性、高亮度产生的辐射压高于一般的光，所以使得基于光压原理的光镊能够被发现并运用。光镊能够捕获和操纵微米尺度粒子成为捕获操纵粒子独特且有效的手段，并且这种方法在物理和生物科学等领域掀起了一场技术革命。本文简要回顾了早期光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展，以及当代光镊技术研究的最新成就。

[关键词] 激光陷阱，光镊，激光

1． 引言

光镊是基于光的力学效应的一种新的物理工具，它如同一把无形的机械镊子，可实现对活细胞及细胞器的无损伤的捕获与操作。光镊的发明正适应了生命科学深入到细胞、亚细胞层次的研究趋势，也为生物工程技术提供了一种新的手段。仅仅20年光镊的应用已展示其在物理和生命科学领域中无限美好的应用前景。

2. 光镊技术原理

2.1光压原理

光镊技术是基于光压原理的，光压原理在牛顿和开普勒时期就已经提出来了但是一直都没有什么应用。光的压力原理早期只有在天文学中有些应用，德国的天文学家开普勒，在17世纪初提出彗尾之所以背向太阳的原因是，其受到了太阳辐射光压的作用力。因为只有在天文学研究中当光的强度和距离都非常大的时候，光压对物质的影响才会明显的表现出来。1873年Maxwell 从光的波动理论角度根据电磁理论推导出了光压的存在（电磁辐射压）并且给出了垂直入射到部分反射吸收体表面的光束的光压为：

()R c

E p +=1 其中,E 为每秒钟垂直入射到12m 上的能量，c 为光速，R 为物体对光的反射系数。

由计算式可以粗略的看出光压与光的动量有关。从量子理论角度分析，我们

可以认为光是由光子组成的，每个光子的能量为γh ，动量为c

h γ，我们只能认为光压是光子将它的能量、动量传递给物体的吸收面或者反射的结果。实际上当光与物质发生作用的时候，能量的交换引起热效应，使物质产生热膨胀、组织蒸发等现象，一般也伴随一些续发的压力效应，这是次生性的所以我们一般不考虑，也就是说我们认为光压是由光与物质之间的动量的传递而引起的。如果有单色光

正入射到颗粒上，设有N 个光子，则它们的能量和动量分别为c

h N Nh γγ和,N 个光子传递给吸收壁的动量为γNh ,传给反射的动量为c

h N γ2（⎪⎭⎫ ⎝⎛--c h N c h N γγ设入射方向为正方向），这样我们假定物质的反射系数为R,于是有N 个光子传

的动量为： ()()()R c

E N R c h N c h RN c h N R +=+=+-1121γγγ，显然这与Maxwell 的电磁推导结论一致。

人们在日常的生活中也能体会到光压的存在，比如有些人在晚上睡觉的时候如果有灯开着的话，他们的眼睛会感到有种无形的压力，使得他们很难入睡。但是这个力非常的小，人们很难对其进行有效的研究和利用。由上面推导的理论可以估算当太阳垂直照射大地，若完全被吸收时，所产生的光压仅约为0.6达因/2m ，所以一般的照明灯的光压就更小了。直到20世纪60年代激光出现后，人们能够利用它强大的光压实现激光陷阱，利用激光陷阱可以加速、减速、改变、操纵甚至可以稳定的俘获粒子。

2.2光镊技术

早在1968年，源于对原子操作的需要，苏联光谱学家Letokhov 首先提出利用光场梯度力来限制原子的思想，但他并没有研究出什么实质性成果。后来美国bell 实验室的A.Ashkin1969年开始关于光与粒子相互作用的研究[]1， 并于1978年A.Ashkin 提出了首个单光束梯度力陷阱的方案。在此之前早期的光学陷阱要么是由多光束会聚在一点实现，要么就是由与激光传播方向相反的力与激光共同作用实现的。1986年A.Ashkin 将单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱就此发明了激光光镊术。用几何光学模型(R-O 模型)近似，光阱中微粒受到梯度力、散射力和合力用下面的关系式表示： g g Q c p n F •=

1 ， s s Q c p n F •=1 ， t t Q c p n F •=1

其中1n 为有效折射率，无量纲因子t s g Q Q Q ,,表示各力随光功率变化的比例系数，与微粒的几何外形和微粒在光阱中的位置有关。要提高光阱的利用率就要提高g Q ，降低s Q ，从而提高t Q 。

激光光镊术(optical tweezers 或laser traps)早期也叫激光捕获术,即利用聚焦的激光束镊操纵细胞、细菌或原子等大约尺度在几纳米到几十微米之间的微小粒子的一项全新的物理技术。激光光镊技术可运用的粒子非常的多，有：原子、大的分子、10纳米—10微米的小电介质球、甚至还有像病毒、单细胞和细胞内的器官等生命组成的小粒子。而且激光操纵技术在很多微小粒子的研究领域、微机械领域发挥了极其重要的作用，尤其是生命科学研究中发挥着不可替代的作用。

早期光镊技术运用于生命科学研究时，经常发现有很严重的损伤生命活体情况。人们分别从物质微粒所处的介质，光的波长，波面的光强分布，以及光的脉冲长短等角度出发解决了这个问题，使得激光陷阱更加的安全、稳定、高效。

随着研究和利用的深入使得人们对光压原理有了更深的理解，人们逐步认识到光对物质的力学作用，是光与物质相互作用过程中动量传递的结果。光作用到物质上，物质会对光产生折射、反射和吸收。当把具有一定模式和能量的激光会聚到微米量级的光斑作用在物质上，人们研究得到光线光学理论[]3.2：若忽略物质微粒对光的反射和吸收，光对高折射的物质微粒将产生三维指向光束焦点的梯度力，只要微粒靠近光束焦点，该力就可以将数纳米到数十微米的粒子推向光场最强处，并稳定在那里，随光束焦点的移动而移动。若物质微粒对光全反射，则每根光线对微粒产生的力指向微粒的几何中心，如果光束的焦点刚好在微粒（一般为球状）的底部所处的平面，小球受到二维且指向光轴的力，否则力是背离光轴的。若物质微粒对光强烈的吸收时，由于光场分布的非均匀性，光能被微粒吸收后，将在离子的内部产生热量梯度分布，越靠近光轴的温度越高，由温度梯度产生热辐射力将把粒子推离光轴，也就是会排斥微粒。

3.光镊技术的应用

早在1970年光镊技术的先锋——贝尔实验室的阿什金(A.Ashkin)就利用多光束激光的三维势阱成功镊起并移动水溶液中的小玻璃珠,之后这一激光镊引起微粒的技术得到不断改进,所能捕获的粒子越来越小。美国Beckman 研究中心以最快的速度将这项新技术与已经成熟的激光微束光刀耦联起来实现了激光诱导细胞融合，并且利用这个方法研究人类精子的游动，对细胞有丝分裂中后期的染色体进行切割，对其的运动和分布进行深入细致的研究。又是通过激光光镊Stanford 研究中心于1995年记录到肌球蛋白沿肌动蛋白丝是依序地以10nm 的步距迈进而不是一大步跨越，并且还用激光陷阱测定了此微动力约为5pn 这一研究平息了人们多年来对肌球蛋白运动模式的争议，使得人类对生命中推动力的核心的认识进了一大步。此外激光陷阱技术在体外受精的辅助、细胞识别、细胞熔解、染色体在细胞分裂时的运动等问题，以及地球引力给植物根带来的影响方面