生命科学研究中的光镊技术
光镊技术开辟了单细胞操作与精准检测新途径
光镊技术开辟了单细胞操作与精准检测新途径近年来，光镊技术作为一种重要的生物科技工具得到了广泛关注和应用。
与传统的机械操作方式相比，光镊技术通过操纵光束来控制和操作微小物体，如细胞、蛋白质和DNA等。
这种非接触式的操作方式不仅避免了传统机械操作中可能引起的损伤和干扰，还为科学家们开辟了单细胞操作与精准检测的全新途径。
单细胞操作是生命科学研究领域中的一项基础性工作，它对于研究细胞的特性和功能以及疾病的发生机制具有重要意义。
传统的单细胞操作方法主要包括显微针和机械牵引等技术，但这些方法存在诸多局限性。
显微针微操纵需要高超的技巧和经验，并且容易对细胞造成损伤。
机械牵引则无法精准地控制单个细胞的运动与定位。
光镊技术的出现改变了这一局面，具有高精度和非接触性的特点，可实现对单个细胞的精确操作。
基于光镊技术的单细胞操作主要依赖于光的操控能力。
通过调整光束的形状、强度和方向等参数，科学家们可以实现对细胞的捕捉、固定、移动甚至切割等操作。
例如，他们可以利用光镊技术轻松地抓取和操纵细胞，并将其放置到特定的位置进行研究。
光镊技术还可以控制光束的强度来对细胞进行精确的切割，从而实现单细胞分离和单细胞转录组的测序等工作。
除了单细胞操作，光镊技术还在精准检测领域展现出了巨大的潜力。
传统的检测方法往往需要破坏细胞或者繁琐的操作步骤，限制了其在生命科学研究中的应用。
而光镊技术不仅可以对细胞进行非接触式的操作，还可以对其进行实时监测和成像。
例如，科学家们可以利用光镊技术对单个细胞进行活细胞荧光染色和成像，观察其生命活动的变化。
此外，光镊技术还可以结合其他检测方法，如拉曼光谱和质谱等，实现对细胞成分和代谢产物等进行定量分析。
光镊技术的广泛应用不仅推动了单细胞研究的发展，也为生物医学领域的精准治疗和诊断提供了新的思路和方法。
例如，在肿瘤治疗中，通过光镊技术可以对单个肿瘤细胞进行捕捉和杀灭，从而实现高效的个体化治疗。
此外，光镊技术还可以用于血液分析、细胞筛选和微流控芯片等领域，实现对微小生物和实体的高通量操控和检测。
光镊技术在生命科学研究中的应用
光镊技术在生命科学研究中的应用
光镊技术是一种重要的生命科学研究手段，它利用激光束产生的光学势能对生物大分子进行操纵和测量。
光镊技术具有无创、高精度、高效率、高灵敏度等优点，广泛应用于生命科学领域的基础研究、药物研发、生物医学工程等方面。
在基础研究中，光镊技术常常用于研究蛋白质、核酸、细胞等生物分子的结构、功能、相互作用等方面。
通过光镊技术，可以精确地控制生物分子的位置、方向、力度等参数，实现对其单个分子的操作和测量。
例如，利用单分子光镊技术，可以研究蛋白质在生物体内的定位、构象变化和功能调控等问题，进而揭示生物分子的分子机制和生理功能。
在药物研发方面，光镊技术可以用于筛选和优化药物分子的作用机制和效果。
例如，利用蛋白质光镊技术，可以对药物分子与靶蛋白之间的结合作用进行精确测量，从而评估药物的亲和力、特异性和效能等性质。
这对于药物研发的精准化和高效化具有重要的推动作用。
在生物医学工程方面，光镊技术可以用于开发生物成像、细胞操作和组织修复等新技术。
例如，利用光镊技术，可以对细胞和组织进行非侵入式的操作和标记，实现对其内部结构和功能的研究和调控。
这对于生物医学领域的疾病诊断、治疗和康复等方面具有重要的应用价值。
总之，光镊技术在生命科学研究中具有广泛的应用前景和潜力，将为人类健康和生命科学的发展做出重要贡献。
光镊实验的研究内容
光镊实验的研究内容光镊实验是一种基于光力学原理的实验方法，通过利用光的动量对微小颗粒施加力的特性，实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的研究内容主要包括光镊原理、光镊系统设计和应用等方面。
光镊原理是光镊实验的基础，其核心思想是利用激光束对微小颗粒施加光压力，产生一个与光束传播方向相反的恒力，从而实现对微小颗粒的操纵。
根据光镊原理，可以将光束聚焦到一个微小的焦点，形成一个光学陷阱，通过调整光束的参数，可以调节光陷阱的位置和力度，实现对微小颗粒的精确操纵。
光镊系统的设计是光镊实验的关键环节，它包括光源、透镜、光阑、光学陷阱等组成部分。
其中，光源是提供激光束的光源装置，通常使用激光器作为光源，激光器可以提供高强度、单色、相干性好的激光束。
透镜用于对激光束进行聚焦，可以将激光束聚焦到一个微小的焦点。
光阑用于控制激光束的直径和形状，可以调节光束的参数。
光学陷阱是光镊系统的核心部分，通过光学陷阱可以实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的应用非常广泛，涉及生物医学、纳米技术、物理学等多个领域。
在生物医学领域，光镊实验可以用于单细胞操纵、细胞捕获和操纵、蛋白质分子的定位等研究。
在纳米技术领域，光镊实验可以用于纳米颗粒的组装、纳米器件的制造等研究。
在物理学领域，光镊实验可以用于研究光与物质的相互作用、光与物质的能量转换等基础问题。
光镊实验的研究还面临一些挑战和困难。
首先，光镊实验需要高质量的激光束，因此对光源的要求较高。
其次，光镊实验对光学系统的要求也较高，需要高质量的透镜和光阑。
此外，光镊实验对环境的要求也较高，需要较低的振动和干扰。
光镊实验是一种基于光力学原理的实验方法，通过利用光的动量对微小颗粒施加力的特性，实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的研究内容包括光镊原理、光镊系统设计和应用等方面。
光镊实验在生物医学、纳米技术、物理学等领域有广泛的应用前景，但也面临一些挑战和困难。
光镊技术在生命科学中的应用前景
光镊技术在生命科学中的应用前景随着科学技术的不断进步，许多新的技术在不断诞生并应用到各个领域中。
其中，光镊技术便是生命科学中应用广泛的一种技术。
光镊技术是一种将光束和微型机械加工技术相结合的新型技术，其作用是利用光束对微米甚至纳米级别的生物分子进行操控。
在生命科学研究中，光镊技术可以用于分子分离、分析、定位以及微纳制造等方面，目前已成为了生物分子操控的一项重要技术。
一、光镊技术在生物靶点药物研发中的应用光镊技术在生物靶点药物研发中的应用十分广泛。
其作用是通过改变药物分子结构和成分来提高药物的稳定性和成活率。
此外，光镊技术还可以通过光引发的药物控制释放，有效控制药物的剂量和释放时机。
这种技术的应用使得药物的研发效率大大提高，可以更加精准地制订靶点药物研发方案。
二、光镊技术在基因编辑中的应用基因编辑是目前生物学领域中非常热门的研究课题，旨在通过对基因序列的修改来改变生物体的一些特性。
而光镊技术在基因编辑中的应用则是使得基因编辑更加方便和快速。
通过使用光镊技术，研究人员可以精准地改变基因序列，进行高效的基因编辑。
这种技术的应用使得基因编辑的效率得到了大幅提升，可以更加完善地开展基因编辑研究。
三、光镊技术在细胞成像中的应用在生命科学研究中，细胞成像是十分重要的一个环节。
而光镊技术可以通过对细胞进行精确的控制，使得细胞成像更加清晰和准确。
通过使用光镊技术，研究人员可以对细胞的实时动态进行观察和记录，并且可以控制细胞的移动、参与反应等过程。
这种技术的应用让细胞成像在生命科学研究中发挥了更加重要的作用。
四、光镊技术在单细胞组学中的应用在单细胞组学研究中，研究人员需要精确地针对单个细胞进行研究，从而探究基因调控和代谢网络等相关机制。
而光镊技术可以通过对单个细胞的操控和诱导，使得单细胞组学研究更加完善和深入。
通过使用光镊技术，研究人员可以对单个细胞进行操作，包括进行药物的注射、电击、脉冲处理等。
这种技术的应用可以更好地开展单细胞组学研究，实现对单个细胞特性的深入研究。
光镊原理资料
光镊原理
光镊是一种利用激光束在微观尺度上进行操控和操作的技术。
光镊技术可以通过操纵光场的势能来实现对微小物体的精确控制，被广泛应用于微操控、生物医学和纳米加工领域。
光镊的基本原理
光镊的基本原理是利用激光束对微小粒子的反向光学力进行操纵。
当一束激光束聚焦到微小粒子上时，激光束在粒子表面产生的反射作用力会将微小粒子朝光束的焦点方向推动。
当激光束焦点逐渐移动时，可以实现对微小粒子的三维操控。
光镊的工作原理
光镊的工作原理是基于输入激光的光场与微小物体的相互作用。
激光束的光子对微小物体施加的作用力主要包括光场梯度力和光场散射力。
光场梯度力是由激
光光场强度梯度产生的，可用于操纵微小粒子的位置。
光场散射力则是由光子撞
击微小粒子表面而产生的反向力。
光镊的应用
光镊技术在生物医学领域有着广泛的应用。
例如，可以利用光镊技术对生物细胞进行操作和研究，实现单细胞的操控和精细处理。
此外，光镊技术还可以用于
制备微米级别的光学器件，如光子晶体、微透镜等。
另外，光镊技术还在纳米加工领域得到了广泛应用。
利用激光束的高精度控制，可以实现对纳米尺度的加工和定位，为纳米器件的研发提供了新的可能。
结语
光镊技术作为一种高精度的操控技术，在微操控、生物医学和纳米加工领域具
有重要的应用价值。
通过对光镊的原理和工作原理的深入理解，可以更好地应用
和推广光镊技术，为相关领域的研究和发展提供有力的支持。
光镊技术实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解光镊技术的基本原理和操作方法；2. 掌握光镊在操控微小物体中的应用；3. 分析实验数据，评估光镊技术的性能。
二、实验原理光镊技术是一种利用光力捕获和操控微小物体的技术。
其基本原理是：当光束照射到微小物体上时，由于物体对光的吸收、散射和折射，光束会发生偏折，从而对物体产生光压。
通过调节光束的强度、方向和聚焦位置，可以实现对微小物体的捕获、操控和定位。
三、实验仪器与材料1. 光源：He-Ne激光器；2. 光路调节系统：包括光束扩展器、光束分割器、光束聚焦器、光束导向器等；3. 操控平台：包括光镊、样品台、摄像头等；4. 样品：直径为5μm的玻璃球；5. 计算机软件：用于数据采集、处理和分析。
四、实验步骤1. 准备实验仪器，包括光源、光路调节系统、操控平台等；2. 将He-Ne激光器调至最佳工作状态，输出稳定的激光束；3. 通过光路调节系统，将激光束聚焦至样品台上的玻璃球；4. 调节光束聚焦位置，使光束与玻璃球接触；5. 观察玻璃球在光镊作用下的运动情况，并记录相关数据；6. 分析实验数据，评估光镊技术的性能。
五、实验结果与分析1. 光镊对玻璃球的捕获在实验过程中，当光束聚焦至玻璃球上时，玻璃球被成功捕获。
在光镊作用下，玻璃球在样品台上做往返运动，运动轨迹基本呈直线。
这表明光镊能够有效地捕获微小物体。
2. 光镊对玻璃球的操控通过调节光束聚焦位置和强度，可以实现对玻璃球的操控。
在实验中，我们观察到以下现象：（1）当光束聚焦位置在玻璃球上方时，玻璃球向上运动；（2）当光束聚焦位置在玻璃球下方时，玻璃球向下运动；（3）当光束聚焦位置在玻璃球侧面时，玻璃球沿光束方向运动。
这表明光镊能够实现对微小物体的精确操控。
3. 实验数据与分析根据实验数据，我们可以得出以下结论：（1）光镊技术能够有效地捕获和操控微小物体；（2）光镊的操控精度较高，能够实现对微小物体的精确定位；（3）光镊技术在操控微小物体方面具有广泛的应用前景。
光镊的技术原理及应用
光镊的技术原理及应用1. 引言光镊是一种利用激光束产生光压力，对微小粒子进行操控和固定的技术。
其原理基于光子的动量，通过调节激光的光束参数，可以实现对微粒子的捕捉、移动、旋转等精确控制。
光镊技术在生物医学、纳米科学、光学通信等领域具有广泛应用。
2. 原理光镊技术的原理基于光子的动量和光压效应。
光子是光的最小单位，具有一定的动量。
当光子射到物体上时，其动量将被传递给物体，使其受到压力。
利用激光束产生的高强度、高聚焦的光场，可以对微小粒子施加足够的光压力，实现对其进行操控。
光镊技术主要基于两种光压效应：反射光压和偏折光压。
反射光压是指激光束射到微粒子表面后，被微粒子反射回去，产生反向的光压力。
偏折光压是指激光束通过微粒子时，由于微粒子对光的折射率不同于周围介质，产生折射现象，使光束偏折，从而产生光压力。
这两种光压效应可以结合使用，实现对微粒子的精确控制。
3. 技术应用3.1 生物医学领域光镊技术在生物医学领域有广泛的应用。
例如，可以利用光镊技术对单个细胞进行操控和研究，包括单细胞分离、单细胞操控、单细胞解析等。
此外，光镊技术还可以用于显微手术，如利用激光束进行准确切割或光凝固，实现微创手术。
光镊技术在生物医学领域的应用有望进一步推动微创手术的发展，并为生物医学研究带来突破。
3.2 纳米科学领域光镊技术在纳米科学领域也有重要应用。
通过调节激光的光束参数，可以对纳米颗粒进行精确的操控和排列，实现纳米技术的发展。
例如，可以利用光镊技术将纳米颗粒按照一定的规则排列，制备纳米材料的光学器件或纳米电路。
此外，光镊技术还可以用于纳米机器人的控制和操纵，推动纳米科学的进一步研究和应用。
3.3 光学通信领域光镊技术在光学通信领域有着重要的应用。
利用光镊技术，可以对光纤中的光信号进行精确的调控和处理，实现光信号的控制和传输。
例如，可以利用光镊技术对光纤中的光信号进行调制，实现光信号的放大或滤波。
此外，光镊技术还可以用于光纤通信系统中的光路选择和光纤连接的调整，提高光通信的可靠性和性能。
细胞活动的光学操控技术
细胞活动的光学操控技术随着近年来光学技术的不断发展，细胞活动的光学操控技术逐渐成为了生命科学领域里的一个重要研究工具。
这种技术通过利用激光或者其他光源对细胞进行精准的可控制操作，实现了对细胞器官、分子和信号通路等细胞结构和生理功能进行研究和控制的目的。
本文将对细胞活动的光学操控技术的原理和应用进行介绍与分析。
一、光学操控技术的原理细胞活动的光学操控技术主要包括光镊技术、光遗传学和光化学技术三种类型。
从基本原理上看，它们都是利用光源或者激光对细胞或者细胞内的分子进行特定方向的可控制操作。
其中，光镊技术是指利用聚束的激光束通过反射，在焦点处产生一个高强度光束，从而可以将细胞内的结构移动或者控制其行为；光遗传学则是通过基因工程在细胞内植入感受光的蛋白质，利用激光和其他光源对这些蛋白进行激发和光刻，从而实现对细胞内分子信号的精准操作；光化学技术是指利用光响应的分子，如螢光标记、光敏剂等，在生化反应中实现控制的目的。
在具体应用过程中，光学操控技术需要通过合适的光源和光学显微镜来实现对细胞的操作。
例如，针对细胞内的特定部位，需要选择适当的波长和光强度，通过显微镜将光线转化成点或者线进行照射。
同时，为了防止对细胞的伤害或者破坏，还需要严格控制光源和操控的时间和强度，避免过度曝光和激发带来更多的负面影响。
二、细胞活动的光学操控技术的应用1. 细胞轨迹跟踪细胞轨迹跟踪是光学操控技术在生命科学中最常见的应用之一。
通过对细胞内的蛋白或者其他分子进行荧光标记，然后通过光镊或者光遗传学技术对标记点进行可控制操作，可以实现对细胞内分子的精准追踪和观察，了解分子分布、结构和功能等信息。
2. 基因调控光遗传学技术是细胞活动的光学操控技术中的一个重要分支。
它通过基因工程的方法，将感光蛋白质植入到细胞内，从而实现对生命过程中基因的特异性光刻操作。
这种技术可以应用于研究光遗传学过程、细胞发育、信号通路、神经科学等领域的研究。
3. 细胞活动控制光镊技术在细胞活动控制方面也有着广泛的应用。
光镊的技术原理及应用
光镊的技术原理及应用光镊是一种利用光学力对微小粒子进行操作和操纵的技术设备。
它的技术原理主要基于激光束的光学力和光动力学效应。
通过调控激光束的参数，如光强、波长和光束的横截面形状等，可以对微小粒子产生吸引力或推力，实现对其位置和运动的控制，从而实现对微小粒子的操作。
光镊的技术原理主要包括光学效应、散射效应和吸收效应。
其中光学效应是最基本的原理，它通过光场对粒子施加的力来操纵粒子的运动。
当激光入射到粒子上时，激光光子与粒子之间会发生散射作用或吸收作用。
激光束的光强和波长的选择会影响光学效应的大小和类型。
当光学效应与光学力平衡时，粒子会被束缚在光学力场中，形成光镊效应，这样就可以对粒子进行操作。
光镊技术有着广泛的应用领域。
首先，光镊技术可以用于微生物学研究。
通过光镊技术，可以操纵微生物细胞、病毒等微小生物粒子，进行单个细胞的操作和研究。
例如，可以通过光镊技术捕获和操作单个细胞，研究其生长、分裂和运动等过程。
此外，还可以通过光镊技术将不同种类的微生物分离，实现对微生物的定点操作。
其次，光镊技术在生物医学领域也有很多应用。
例如，可以利用光镊技术对单个细胞进行操作，并对细胞内部进行精细的观察和测量。
这对于了解细胞的功能、结构和代谢等过程具有重要意义。
此外，光镊技术还可以结合显微技术，实现对活体组织和器官进行非侵入性操作和观察。
例如，可以通过光镊技术对活体细胞进行切割、焊接、注射等操作，用于研究和治疗癌细胞、神经退行性疾病等疾病。
再次，光镊技术也可以应用于纳米技术和纳米制造领域。
通过光镊技术，可以操纵和组装纳米颗粒，构建纳米结构和纳米器件。
例如，可以通过控制光镊的位置和力度，操纵纳米颗粒进行排列和组装，构建具有特定功能和性能的纳米结构。
此外，还可以利用光镊技术对纳米材料进行加工和处理，实现对纳米材料的精确控制和调节。
总之，光镊技术通过利用光学力对微小粒子进行操作和操纵，具有广泛的应用前景。
它在微生物学研究、生物医学领域和纳米技术等领域都有重要应用。
激光光镊技术的原理应用及发展
激光光镊技术的原理应用及发展激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。
激光光镊技术已经在生物医学、材料科学、纳米技术等领域得到了广泛应用，并且在未来有着广阔的发展前景。
激光光镊技术的原理基于光的力学效应。
当激光束聚焦到一个小区域内时，光束中的光子与物质发生相互作用，使得物质受到一个力的作用。
这个力被称为光力学力，它可以通过调节激光束的强度、频率和偏振等参数来控制。
当激光束聚焦到一个微小颗粒上时，光力学力可以使得颗粒受到一个稳定的力，从而实现对其位置的精确控制。
激光光镊技术的应用领域非常广泛。
在生物医学领域，激光光镊技术可以用于细胞操控、细胞分离、细胞注射等操作。
通过激光光镊技术，可以实现对单个细胞的精确操控，从而进行细胞实验、药物筛选等研究。
在材料科学领域，激光光镊技术可以用于纳米材料的制备和操控。
通过激光光镊技术，可以实现对纳米材料的精确操控，从而制备出具有特定结构和功能的纳米材料。
在纳米技术领域，激光光镊技术可以用于纳米的操控和纳米设备的制造。
通过激光光镊技术，可以实现对纳米的精确操控，从而实现纳米设备的制造和操作。
激光光镊技术的发展前景非常广阔。
随着激光技术的不断进步，激光光镊技术的精度和稳定性将会得到进一步提升。
同时，激光光镊技术的应用领域也将不断拓展，将会在更多领域发挥重要作用。
例如，在生物医学领域，激光光镊技术可以用于癌症治疗、基因编辑等前沿研究。
在材料科学领域，激光光镊技术可以用于纳米材料的合成和改性。
在纳米技术领域，激光光镊技术可以用于纳米的制造和应用。
激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。
激光光镊技术在生物医学、材料科学、纳米技术等领域得到了广泛应用，并且在未来有着广阔的发展前景。
随着激光技术的不断进步，激光光镊技术的精度和稳定性将会得到进一步提升，其应用领域也将不断拓展。
激光光镊技术的原理应用及发展激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。
基于光镊技术的细胞操作及其应用
基于光镊技术的细胞操作及其应用光镊技术是一种利用激光束束焦点对物体进行操作的技术，它可以在亚微米尺度上操作物体，因此在生命科学领域得到了广泛的应用。
其中，基于光镊技术的细胞操作是一种非常重要的应用，可以帮助科学家们更深入地研究生命体系的各个方面。
一、光镊技术的基本原理光镊技术的基本原理是利用激光束的聚焦效应，将激光束在一个非常小的区域内集中，形成光学镊。
通过控制激光束的强度和位置，可以在这个区域内对物体进行吸附、推动、切割、粘连等各种操作。
二、基于光镊技术的细胞操作在生命科学领域，细胞是一个非常重要的研究对象。
而基于光镊技术的细胞操作可以为研究者们提供一个非常好的手段，使他们能够对细胞内部结构和活动进行更加精细的控制和观察。
1. 细胞位置精确定位利用光镊技术，可以对细胞进行非常精确的定位和移动。
科学家们可以利用激光束将细胞吸附到设置的位置上，或者将细胞推动到指定的位置，进而研究细胞的形态变化和结构。
2. 细胞内部结构操作利用光镊技术，可以对细胞内部的结构进行操作。
例如，可以将某些细胞器或分子从细胞内部移动到指定的位置上，或者将某些细胞器或分子从细胞内部移除，进而了解其在细胞活动中的作用。
3. 细胞活动控制通过光镊技术，可以对细胞的活动进行控制。
例如可以利用激光束激励细胞内部某些分子的活动，或者抑制某些分子的活动，从而研究细胞活动中的机制和过程。
三、基于光镊技术的细胞操作的应用基于光镊技术的细胞操作已经被应用在许多领域，包括细胞生物学、生物医学、生物化学等。
其主要应用包括：1. 细胞研究基于光镊技术的细胞操作可以帮助科学家们更深入地研究细胞的结构和功能，如细胞内部运作机制，细胞间相互作用机制等。
2. 细胞治疗通过使用光镊技术，可以对细胞进行某种形式的治疗。
例如，利用激光束对细胞进行定位或移动，可以帮助细胞在某些治疗中达到最佳状态。
3. 内窥镜手术利用内窥镜手术可以帮助医生们更加精准地进行手术操作，减小手术创伤。
激光光镊技术及其应用
激光光镊技术及其应用陈 君传统的机械镊子夹持物体时必须用镊尖接触物体,然后施加一定压力,物体才能被夹住。
而光镊则不同,它是基于光的力学效应使物体受到光束的束缚,然后通过移动光束来迁移或翻转物体。
与机械镊子相比,光镊夹持和操纵物体的方式是温和而非机械接触的,能够无损伤地捕获和操作微小的活细胞及纳米量级的颗粒。
光镊为研究微观世界提供了一种新手段,可以预见,在21世纪,作为纳米科技和生命科学领域得力工具的光镊技术必将具有广阔的应用前景,也必将成为本研究领域不可或缺的技术手段之一。
一、激光光镊的渊源与特点激光光镊技术早期也称为激光捕获技术,它利用聚焦的激光束夹起并操纵细胞、细菌或原子等尺度约在几纳米到几十微米之间的微粒。
早在1969年,光镊技术的发明人贝尔实验室的阿什金(A.Ashkin )就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(当微粒的折射率大于周围介质折射率时)。
在研究了这两种现象之后,他又利用相对传播的两束激光实现了双光束光阱。
1970年,他利用多光束激光的三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。
1985年,阿什金开始采用单光束夹持细菌、病毒等微小生物体,并在1987年利用1064纳米的红外激光成功夹起病毒。
但由于活性体对可视波段激光具有强烈的吸收作用,因此早期实验在对细菌的操作过程中存在活细胞损伤的问题,后来阿什金发现红外光对大多数生物细胞和有机体是相对透明的,所以为了避免损伤活细胞组织,在用于大多数生物研究的光镊装置中以800～950纳米的红外激光配合一定的功率操作。
光镊自诞生以来已在微米尺度量级的粒子操控和粒子间相互作用的研究中发挥了重要作用,成为这一尺度微粒的特有操控研究设备。
由于它是用“无形”的光束来实现非机械接触弹性捕获微粒,因此不会对样品产生机械损伤,又由于光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度,是“遥控”操作,因而几乎不干扰粒子的周围环境。
生命科学研究中的光镊技术
生命科学研究中的光镊技术
李银妹;楼立人
【期刊名称】《生命科学仪器》
【年(卷),期】2004(002)004
【摘要】光镊诞生18年来,无论是技术本身还是它的应用都有了极大的进展.本文从光的力学效应出发,简要讨论了光镊的原理,介绍了光镊装置的基本结构,并对光镊的独特功能进行了分析,进而对光镊技术及其在生命科学中的应用现状和进一步发展作了评述和讨论.阐述了光镊在生命科学研究中的潜在地位和巨大的发展前景.【总页数】7页(P3-9)
【作者】李银妹;楼立人
【作者单位】中国科学技术大学物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学物理系,安徽,合肥,230026
【正文语种】中文
【中图分类】TH77
【相关文献】
1.光镊技术在生命科学研究中的发展与应用 [J], 魏勇;朱艳英;赵原源;肖长江;史锦珊
2.光镊技术在生物学中的应用新进展 [J], 周瑞雪;王海燕;朱德斌;胡小文;邢晓波
3.光镊技术在生命科学研究中的应用现状 [J], 李银妹;王浩威;龚雷
4.光镊技术观测悬浮丙二酸/硝酸钠液滴中丙二酸的分配过程 [J], 吕席卷;张韫宏
5.光镊技术在生命科学研究中的应用 [J], 李刚;齐跃峰;毕卫红
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光镊原理及其应用
光镊原理及其应用摘要：激光的发明使得光的力学效应走向了实际应用。
本文介绍了光镊技术的基本原理及其在生物科学方面的一些应用。
关键词：光镊；光的力学效应；生物科学；应用1 引言光镊是A. Ashkin[1]在关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。
光镊在问世之初被看作是微小宏观粒子的操控手段，并渐渐成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。
近20年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。
2 基本原理光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应。
对于直径大于波长的米氏散射粒子来说，光镊的势阱原理可以用几何光学来解释[1~3]。
如图1（a）所示。
入射光线A将光子的动量以辐射压的形式作用于粒子小球，力的作用方向与光线入射方向相同。
A经过若干反射、折射后，以光线A’出射。
入射光线的辐射压减去出射光线的辐射压为粒子小球所受的净剩力F A。
图1（b）为作用力简图，实际力的作用过程较此复杂，A’应为所有（包括反射光透射光）出射光线辐射压的合力，但结果与此相似，小球受轴向指向焦点的力。
对于直径小于激光波长的瑞利散射颗粒，适用于波动光学理论[1]和电磁模型。
波动光学理论（也是光镊的基本理论）认为，在光轴方向有一对作用力：与入射光同向正比于光强的散射力和与光强梯度同向正比与强度梯度的梯度力。
在折射率为n m的介质中，折射率为n p 的瑞利粒子所受的背离焦点的散射力为[1]F scat =n m P scat/ c （1）这里P scat为被散射的光功率。
或用光强I0和有效折射率m = n p / n m表示为（2）对于极化率为α的球形瑞利粒子所受的指向焦点的梯度力为（3）这样，在焦点处形成势阱的标准为指向焦点的梯度力与背离焦点的散射力之比大于1，即两者的合力指向焦点，即有（4）若粒子小球在横向（垂直于光轴方向）偏离中心位置，也会受到一个指向光束中心的作用力使小球锁在焦点处。
基于光镊技术的生物分子操作及分析研究
基于光镊技术的生物分子操作及分析研究光镊技术是一种应用光学技术进行微量生物分子操作和分析的新技术，取得了不错的研究成果。
该技术在生物领域中的应用越来越广泛，已经成为分子生物学和细胞生物学研究中不可或缺的技术手段。
一、光镊技术的基本原理光镊技术是一种基于激光光束产生光场的技术。
它利用高功率聚焦光束把单个微小分子或一群分子集中到一个小的空间位置，实现对其进行操控和分析。
光镊技术在生物分子操作和分析中的应用主要包括以下几个方面：1.单细胞操作：通过光镊技术可以有效地捕捉、分离和操作单个或几个细胞及其细胞器，从而实现对生物细胞的精细操作。
应用光镊技术，可以有效地研究细胞生理、代谢和基因表达等生物过程。
2.分子操控：通过光镊技术，可以精确地控制和操作单个分子或少量分子。
比如，可以通过光镊技术分辨单个DNA 分子的乘积、拷贝数、末端结构等许多信息。
3.分子分析：光镊技术还可以对生物分子实现高分辨、高灵敏的可视化分析。
应用光学显微技术，对细胞和组织进行定量的三维成像，同时可以实时监测分子运动和反应的动态过程。
此外，还可以通过分子激发、荧光共振、表面增强拉曼散射等技术手段对单个分子进行分析。
二、光镊技术的应用随着生物学研究的不断深入，光镊技术逐渐成为生物领域中不可或缺的技术手段。
具体应用包括：1.单细胞操作：利用光镊技术，可以捕捉、分离并操作单个或几个细胞及其细胞器。
这种操作可以精细地调控细胞生长、分化和转化等生物过程，为生物学研究提供了强有力的工具。
2.DNA操作：应用光镊技术可以对单个 DNA 分子进行操作，可以实现 DNA 复制、酶的作用机理等许多生物学研究的关键问题。
此外，还可以通过操控分子的空间位置，实现分子之间的特定相互作用，从而实现分子间的定量测量。
3.药物筛选：应用光镊技术，可以高效地筛选药物的作用机理和作用效果。
利用光镊技术，可以将目标分子和潜在药物操控在非常小的空间范围内进行反应，对药物的活性和效果进行快速评估。
光镊技术在现代生命科学中的应用
光镊技术在现代生命科学中的应用生命科学是一个涉及到生命各个层面的领域，其中光学技术的应用越来越广泛。
光镊技术在现代生命科学中的应用正日益受到重视，因为它能够获得具有高时空分辨率的生物分子信息，促进对生命过程的理解。
本文将探讨光镊技术的发展历程，以及在细胞生物学、神经科学、药物研发等方面的应用。
一、光镊技术的发展历程光镊技术，即利用激光光束对生物分子进行精致操纵的技术，其原理是通过选择性吸收或反射激光束，使生物分子在光场中发生光作用，从而产生各种生物效应。
早在20世纪70年代初，科学家就开始利用光学焦散调制器对细胞进行光捕获和运动控制。
1994年，Nobel生理学或医学奖获得者斯特拉夫等人在使用激光束对生物分子进行操作时提出了“光镊”这个词汇，使得光学技术在生物学领域中迅速获得了广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，现代光镊技术已经具备了更高的分辨率、更强大的输出功率，并能够在不同的细胞和组织中进行操作。
比如，光学捕获、热释放光镊和瞬时光学显微术等技术的出现，使得科学家们能够更加精细地控制和操纵生物分子，并对其进行更为细致周密的观测和研究。
二、光镊技术在细胞生物学中的应用1、光学控制细胞的生长和形态光学镊技术是一种新兴的控制细胞形态和生长的技术，可通过电子靶控制细胞中的蛋白质在光照下的表达和分布，从而实时控制细胞的形态和生长。
例如，利用可扭曲菲涅耳透镜阵列可通过光学追踪细胞的生长，实现“花样生长”“驱逐多神经自主系统”，甚至是“颜色编码的模式形态”。
2、光学捕获生物分子传统的细胞生物学技术中，常常需要进行分离、纯化和复性，这会对生物大分子造成一定的不良影响。
而光学捕获技术，则通过利用光学控制对分子进行非侵入性操纵，使其保持原本活性，同时使生物学研究进程更加节省时间成本。
比如，研究人员报道了一种基于光学捕获的微亚偏聚治疗法，该法通过调节细胞自噬能力，有效促进了维持细胞生长和存活的时间和规律。
三、光镊技术在神经科学中的应用1、光学控制神经元活动神经元作为神经系统的基本功能单位，控制大脑和身体的各种动作和反应。
光镊技术在生物实验中的应用研究
光镊技术在生物实验中的应用研究光镊技术是一种利用激光成像技术和激光光束束缚单个或少量微小物体的技术。
它具有快速、准确、精细等特点，并且在生物实验中有着广泛的应用。
一、光镊技术的原理光镊技术是利用激光产生作用力的原理，当激光束照射到微观颗粒上时，由于光学力的作用，颗粒受到的作用力使其在光束的光学势场中处于平衡状态。
这种作用力可以将微观颗粒固定在一个空间位置上，这就是所谓的光学“镊子”。
二、光镊技术在生物实验中的应用1.细胞操纵细胞操纵是光镊技术在生物实验中最常见的应用之一。
通过控制激光束的移动和强度，可以实现对细胞的定向移动、操控、切割等操作，从而实现对细胞的形态、生理和功能进行研究。
2. DNA修复光镊技术还可以应用于DNA修复研究中。
在DNA分子中，由于损伤、烷基化、辐射等因素会导致DNA链断裂或广泛损伤。
利用光镊技术，可以将损伤的DNA链修复还原，从而防止疾病发生。
3. 分子机器的组装与操作分子机器是在生物学和生物医学中起着重要作用的纳米机器。
光镊技术可以应用于分子机器的组装和操作上，通过镊子的作用力将多个分子连接在一起组成复杂纳米结构，实现更为精确的操作和控制。
三、光镊技术的发展前景随着技术的发展和应用场景的拓展，光镊技术在生物实验中的应用前景非常广阔。
未来，光镊技术将在细胞病毒的治疗方面、基因编辑技术中、药物研究和测定中等发挥重要作用。
同时，光镊技术在生物实验中的研究也将不断深入，为人类健康和医学研究提供更为精确的技术支持。
总的来说，光镊技术是一种十分有前途的技术，它在生物实验中的应用已经开始展现出其身手，未来光镊技术的应用前景将会异常广阔。
因此，未来的研究方向也将会越来越多，我们也将会看到更加令人惊喜的高科技的涌现。
光镊技术
光镊技术技术原理：光与物质相互作的本质是光的电磁场与组成物质的带电粒子相互作用的结果，具体的物理过程依赖于与之相互作用的物质的性质。
以透明电介质小球作模型,设小球的大小等于或大于光波长，小球的折射率n1大于周围媒质的折射率n2，采用几何光学近似。
单光束梯度力光镊原理由一束高度会聚的激光束构成的。
在强会聚的光场中，粒子在X—Y—Z三个方向都将受到一指向光最强点（焦点）的梯度力。
Z方向受的力的方向与光传播方向相反，也就是说光对粒子不仅有推力还有拉力，粒子被约束在光最亮点附近。
技术特点：1）光镊是以光场的形式与物体交换动量的结果，光镊是一种特殊的“无形”镊子，没有机械镊子夹持物体有集中的受力点，光镊的操作是非接触的、无损的。
2）光具有的穿透特性，光镊可以越过透明屏障，穿过封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控池内微粒，实现真正的无菌操作。
3）光镊更多的是在液体中工作，能够保持细胞生存的“天然”环境。
因此，光镊技术特别适合用于对活体生物细胞、细胞器以及生物大分子的操控和研究。
4）光镊操控微粒的尺度在几十纳米到几十微米，这也是生物大分子、细胞器、细胞的尺度范围。
在该尺度范围光镊是唯一的操作手。
5）光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度（～1000倍），因此光镊是以“遥控”的方式，远距离工作的。
6）光镊操控微粒直接展现在显示屏，是可视性，完全暴露在我们视野中的细胞为研究者提供了进行下一步工作的极大方便。
目前还没有其它实验技术比光镊研究操控活体能如此得心应手。
7）光镊是微小力的探针。
光镊对微粒的操控不是刚性的，类似弹簧，在操作过程中能实时感应微小的负荷。
因此，光镊是极其灵敏的力传感器，力的分辨精度高达几飞牛。
8）光镊与其它技术手段结合，如常规显微镜所配置的荧光，相差，微针等，还有激光刀，近场光学显微镜，共聚焦显微镜，光谱仪等。
目前还没有能够直接深入到细胞内操控单分子的技术和方法，而光镊已实现了在体外操控单个大分子，实时追踪其运动，获取单分子静态和动态的力学性质等，成为生物学领域不可或缺的一种独立的技术。
光镊技术的基本原理
光镊技术的基本原理
光镊技术，是一种利用激光束在微观尺度上操纵和捕捉微小物体的技术。
它基于光的电磁力和光的角动量，其基本原理如下：
光的电磁力：当光束与物体相互作用时，会在物体上产生散射力和吸收力。
这些力是由于光子与物体之间的相互作用而产生的。
当物体与激光束有相应的光学特性匹配时，散射与吸收力会使物体朝着光束的方向移动。
光的角动量：激光束携带着角动量，可以通过激光束的自旋、轨道和总角动量来描述。
当激光束穿过粒子时，它转移一部分角动量给粒子，导致粒子自旋或轨道发生变化。
这种角动量转移可以产生力矩，从而使物体受到扭转或旋转的作用。
基于上述原理，光镊技术使用激光束来操纵微观颗粒。
具体步骤如下：
选择适当的光源：通常使用激光器作为光源，激光束应具有适当的波长、功率和光学特性。
聚焦光束：使用透镜或其他光学元件来将光束聚焦到微观尺度。
通过调整聚焦系统，可以改变光线的强度和焦点位置。
捕获微观颗粒：将待捕获的微观颗粒放置在悬浮液中或固体表面上，通过移动聚焦光束，使其与颗粒相互作用。
当
光束与颗粒之间存在适当的光学相互作用时，颗粒会受到光学力的束缚，被拉近光束的焦点区域。
移动和操纵颗粒：通过调整光束的位置和聚焦，可以操纵和移动捕获的微观颗粒。
通过改变激光束的强度、位置和聚焦点，可以使颗粒在三维空间中做精确的平移、转动和操纵运动。
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３
虽然处理光与微粒相互作用，严格地说，应该用 光的电磁理论，特别是对尺寸小于光波长的粒子。这 里为了阐明梯度力的概念，形象地揭示出光是如何产 生对微粒的束缚力的，我们以透明介质小球为对象， 采用几何光学近似来考察光穿过介质小球的行为和分 析光作用于物体的力。对于几微米的小球来说，几何 光学模型是合适的近似。
光是一种特殊的物质，它与人类生活的关系非 常密切，伴随着人类文明的发展，人们对光的认识也 越来越深入。光携带有能量和动量，光与物质相互作 用时彼此交换能量和动量，产生各种效应。人们由日 常的经验很容易认识到光携带有能量，光与物质相 互作用使物体的温度升高， 称之为光的热学效应，比 如最重要的天然光源太阳，它的辐射带给地球热能；
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｉｎ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｌｉ Ｙｉｎ－ｍｅｉ Ｌｏｕ Ｌｉ－ｒｅｎ
（Ｕｎｉｖｅｒｉｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｈｉｎａ， Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｈｅｆｅｉ ２３００２６， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｇａｉｎｅｄ ｇｒｅａｔ ｓｕｃｃｅｓｓ ｓｉｎｃｅ ｉｔ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ １８ ｙｅａｒｓ ａｇｏ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔ， ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｎｏｖｅｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ， ｔｈｅｎ ｉｔｓ ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｎ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｌｉｆｅ ｓｃｉｅｎｃｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｉ ｎｌ ｉｆｅｓ ｃｉｅｎｃｅ．
作的微小对象及其运动过程，也需要用高数值孔径的
物镜来成像，这二个任务可以由同一个物镜来完成。
实际的光镊装置大多如此。图 ３ 给出了一台典型的光
镊装置示意图。用作光镊光束的激光入射到双色反射
镜上，它
对该激
光有很
高的反
射率，而
对其它
波长的
光有很
高的透 过率。被
图 ３ 基本的光镊装置
反射的激光射向高数值孔径的物镜，经物镜会聚在样
综述
生命科学仪器 ２００４ 第 ２ 卷 ／ 第 ４ 期
远超越了Ａ． Ａｓｈｋｉｎ当初的预言。光镊用于操控和研究 单个细胞，细胞器和生物大分子的行为，在一些生命 科学的基本问题上，取得了开创性的成果，展现了广 阔的应用前景［２］。光镊技术已经成为微观生物学研究 的重要手段。
本文简要介绍光镊的原理和装置，结合实验室的 工作，介绍有关光镊的基本实验技术、光镊技术的新 近发展、光镊技术在生命科学中的应用，以及展望光 镊技术的发展前景。
通过光合作用太阳光给农作物生长提供能量来源等。 但是与光的能量相比，光具有动量和角动量这一性 质，却超越了人们的日常经验。实际上，光与物质相 互作用的过程中，光与物质间可以交换动量，使受光 照射的物体受到一个力或力矩，也即产生光的力学效 应。
由于通常光源发出的光产生的力学效应太微弱， 这一效应在激光发明之后才引起人们的关注，并取得 了突破性进展。在光与微观粒子相互作用中，光被用 来使原子偏转，减速和冷却。朱棣文等人正是由于在 这方面的成就而荣获 １９９７ 年度诺贝尔物理奖。与此同 时，激光对于宏观微粒的辐射压力或力学效应的研究 也引起了人们的关注。早在１９６９年，Ａ． Ａｓｈｋｉｎ首次实 现了激光驱动微米粒子的实验。此后他又发现微粒会 在横向被吸入光束（微粒折射率大于周围介质），并利 用相对传播的二束激光实现了双光束光阱。他在这方 面的系列研究最终导致光镊的发明［１］。
４
生命科学仪器 ２００４ 第 ２ 卷 ／ 第 ４ 期
综述
（Ｆ ｓ）。只有当焦点附
近的梯度力大于散
射力时才会形成一
个三维光学势阱，能
稳定地捕获微粒。
图 ２给出了典型
图 ２ 光镊轴向（Ｚ ）阱力分析
的光镊系统，用几何 光学模型计算得到的
轴向力 Ｆ （Ｚ）与小球位置Ｚ 的关系。图中Ｚ０ 为小球中心 到焦点（图中原点）的距离，ｒ 为小球的半径。纵坐标
品池中，在焦点附近形成光学势阱。被光阱捕获粒子
的运动过程，又经同一物镜放大，然后透过双色镜，由
后面的显微观测系统（目镜或图中下部的 Ｃ Ｃ Ｄ 相机
等）观察和记录。对被捕获的微粒的操控可以用两种
方法，一是扫描光镊光束，因而光阱的位置和捕获在
阱中的微粒也随之而移动。这称之为主动的操控。另 一种为被动操控，光镊光束不动，也即光阱位置不动， 因而捕获在阱中的微粒也不动，而是通过移动样品平 台，使被捕获微粒的周围环境移动，从而实现被捕获 微粒相对周围环境中其它对象的运动。
按光的量子理论，波矢为ｋ 的单色平面波可以看 成是一束光子流，其中每一个光子所携带的能量ε ＝ ｈ ν，动量为：
（１）
其中， ｈ为普朗克常数，λ ＝ １／ ｋ为光波长。如
果光束中的光子密度为ｎ，也即光场的能量密度为ｕ ＝
ｎε，于是动量密度ｇ ＝ ｎＰ ＝ ｕ／ｃ，与经典电磁理论的
结果一样。由此式直接可得能量为 Ｅ 的平面光波所携
Ｆ （Ｚ）为小球受到的光阱力，横坐标为Ｚ０／ｒ。曲线在横坐 标上交于 Ａ、Ｂ 两点，在那里 Ｆ 为零，是粒子受力平衡
的位置。但只有Ａ 点是粒子的稳定平衡点，在它左边和
右边，粒子受到的阱力都使它回复 Ａ 点。也即单光束三
维势阱的阱底位于 Ａ 点。Ａ 点的位置向右偏离了焦点一
定距离，是因为Ｆ（Ｚ）包含有粒子所受到的散射力。
１ 前言
生命科学与人类的生存和发展有着最直接的关 系，历来受到人们的特别关注。２０ 世纪，生命科技有 了重大的发展，研究日益向微观层次深入，从细胞、细 胞器直到生物大分子，这与各种新仪器的发明紧密相 关。在生物大分子个体行为研究的基础上，又需要从 它们间的联系和相互作用去更深入的理解生物微粒群 体的行为，实现从研究单个基因和蛋白质的分子生物 学向系统生物学转变。从方法学的角度，生命科学的 实验研究正在从现象驱动向假设驱动过渡。为验证假 设，就必须设计新的实验方法，发明新的实验仪器。由 于生物对象的复杂性和对活的生命过程研究的需求， 对生命科学仪器提出了越来越高的要求。光镊 （Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒ）技术正是在这样的背景下应运而生 的。
２ 光镊的原理
２．１ 光的动量和光压 光具有动量，这是光的基本属性之一。光的力学
效应，是光具有动量的直接结果。早在 １７ 世纪，光的 电磁本性还未为人们所认识，开普勒在解释彗星尾的 形成机制时，就提出了光有压力的假说。一个多世纪 之后，１８７３ 年麦克斯韦在他完成的电磁理论的基础 上，提出了光的电磁理论，证明了光，作为电磁波，不 但具有能量，而且具有动量。对于单色平面光波，设 其电磁场能量密度为 ｕ，它以光速 ｃ 传播，相应的电磁 能流密度矢量（坡印廷矢量）的大小为Ｓ＝ ｕｃ，方向指向 光的传播方向。而动量密度，也即单位体积的光场携 带的动量为ｇ ＝ ｕ／ｃ，方向也是沿光的传播方向或波矢 ｋ 的方向。单位时间流过垂直光传播方向单位面积的 动量为Ｇ ＝ ｇｃ ＝ ｕ ＝ Ｓ／ｃ。
带的动量为
Ｇ ＝ Ｅ ／ ｃ
（２）
既然光具有动量，光与物体相互作用的过程中，
就可能伴随有动量的交换。例如光被吸收或被散射，
因而动量发生了变化，于是物体的动量应有相应的变
化，以保持光与物体的总动量守恒。单位时间里物体
动量的变化就是所受的力，这意味着光对被照物体施
考察位于会聚光束轴上的粒子（见图 １），设小球 的折射率为ｎ，周围液体介质的折射率为ｎ０，且ｎ ＞ ｎ０。 把光束看成是由大量的光线组成的光锥。每条光线经 过小球，由于光的折 射，其出射方向都有 不同程度的偏折，也 即动量有了变化。由 动量守恒定律可知， 小球的动量必定有一 大小相等方向相反的 变化，而单位时间动 量的变化就是小球受 图 １ 单光束梯度力光阱原理 到的力。图中具体画出了一对典型的光线 ａ 和 ｂ，入射 到处在光束焦点外的小球，经折射后方向发生了变化， 也即动量改变了，因而分别传给小球相应的动量并施 加相应的力 Ｆ ａ 和 Ｆ ｂ 于小球，它们的合力 Ｆ 是指向光 强最强的焦点（ｆ）处的。进一步的分析可以看到，光 锥中所有光线施加在小球上的合力 Ｆ 也是指向焦点 ｆ 的。这种指向光强最大处的力就是梯度力。在图示的 情形，小球在焦点外，受到的梯度力是一个逆向光压。 实际上，不管是否在光轴上，当小球的球心 Ｏ 和焦点 ｆ间有小的偏离时，梯度力的合力Ｆ总是使小球趋向焦 点。当光穿过小球时，由于小球并不是理想的透明体， 所以，小球将会吸收一部分光，加上光在小球表面上 的反射，都将施加一推力于小球，此力称之为散射力
加一个力的作用。这种由于光辐射对物体产生的力通
常称之为光的辐射压力或简称光压。
２．２ 光镊——单光束梯度力光阱［２－４］ 光与物体间的相互作用力本质上是光的电磁场与
组成物质的带电粒子相互作用的结果，包括散射力和 梯度力两部分。散射力正比于辐射强度，方向指向光 束传播方向，梯度力正比于光的强度梯度，指向光的 强度梯度方向。通常光辐射对物体的作用都是以散射 力为主，表现为推力。然而在特定强度分布的光场下， 例如高度会聚光束的光场，梯度力起主导作用。这时， 梯度力与光强梯度都指向焦点，形成一个三维势阱。 光镊就是利用这样的光学势阱，来捕获微小粒子的， 又被称为单光束梯度力光阱。