新型光镊及光应用
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胶体微粒结 合性质的研 究。(a) 两 个微粒在光 阱中的示意 图; (b) 两 个微粒在光 阱中的像， 垂直光场观 测;(c) 分 散状态; (d) 聚集状态; (e) 松散状 态
光镊与物理学
光镊在物理学领域应用，可以证实以前无法通过实验验 证的物理规律，增进人们对于已有的物理现象和规律的 认识，还能为物理的其他学科领域提供新的研究方法和 实验技术，例如在光的力学效应验证和力的精确测量、声 学显微、布朗运动、纳米技术、量子力学等应用，表明 光镊正日益成为促进物理学进展的重要工具。
新型光镊光场
贝塞尔光束同时也属于非 衍射光束，相比于高斯型光 束，贝塞尔光束可传播较远 距离而保持中心光斑的大小 和尺寸基本不变。由于贝塞 尔光束在传播过程中具有很 好的稳定性，故被用于引导 微粒沿轴向输运距离可达3 mm，这个间距远远大于高斯 型光束的光镊的轴向捕获深 度。并且，在轴向3 mm 距 离中可以实现多个平面长距 离捕获多微粒，如图所示。
光镊研究核 糖体运动。 (a) 原理图; (b) 核糖体 运动的“位 移-时间”关 系曲线; (c) 转录过 程中每一次 暂停生物分 子长度改变 为2.7 nm
光镊与软物质胶体科学
研究分散体系都涉及到微小宏观微粒与流体相互作用这样 一个基本问题。直接通过实验研究很困难，而理想化的理论与错 综复杂的实际情形差异又很大，所以该领域的进一步发展几乎决 定性地依赖于对单个微粒相互作用过程的研究。光镊的特点是可 以限制微粒的运动，帮助研究人员在严密控制的条件下精确观测 单个微粒的动力学过程。如利用光镊研究微粒相互作用势，长程 引力相互作用，研究布朗运动和扩散以及其他动力学性质，研究 流体动力学相互作，两分散体系混合液的性质，测量微粒在流体 中受的粘滞作用等。光镊是在微粒层次对胶体科学进行实验研究 的重要工具。
布朗运动的新认识
1907年，爱因斯坦认为能量均分定理适用于布朗微粒，但是因为单个微粒 的瞬时速度变化太快，所以这个预言难以从实验上直接证明。2010年Science 杂志报道，采用光镊技术在真空中测量了微粒的瞬时速度，首次从实验上成 功地验证了布朗微粒符合能量均分定理。
光镊测量布朗粒子的瞬时速度的方法，如下图所示。两束正交偏振相向传 播的光束形成的光阱将3 μm 小球悬浮在空中。采用快速的位置探测器，严格 均等分开的两束探测光强信号的差别获取小球位置信息。测量得到单个微粒 的布朗运动的瞬时速度约等于0.422 mm/s ，实验误差为0.021 mm/s。与能量 均分定理的预期值( kBT/m =0.429 mm/s)很接近，从而直接证明了布朗运动的 麦克斯韦-玻尔兹曼速度分布和能量均分定理。
谢谢聆听
分选单条染色体
光镊分选单条染色体。(a) 游离的水稻中期分裂相细胞; (b) 紫外脉冲光对细胞穿孔 使之破裂，释放出染色体; (c) 荧光激发下观测染色体，用光镊夹持其中单条染色体; (d)~(f) 光镊夹持单条染色体使其从细胞残骸(染色体群体)中分离出来; (g)~(h) 利用微吸管将光镊分离的染色体富集
新型光镊光场
不均匀的偏振光场，如 径向偏振光束和方位角偏 振光束，具有优越的会聚 特性，使得矢量光束在操 控纳米粒子，特别是金属 纳米粒子方面具有明显的 优势。
全息光镊
全息光镊作为一种产生
多光阱或新型光学势阱的方
法脱颖而出。它不仅能构成
各种功能的光阱，并且还能
实现三维光辨阵列，并且带
动了一系列的研究和发展。
非衍射光束还包括马提厄光束、 抛物线光束、艾里光束等。
新型光镊光场
抛物线光束和艾里光束也 是一种自加速光束。自加速 光束在沿轴向传播过程中以 某个角度弯曲而不沿直线传 播，看起来像是在自由空间 中加速。这种光束在光操控 中可以用于沿着设定的轨迹 输运微粒，如图所示。自加 速光束还有韦伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams)等
光镊操控细胞和细胞器的手段是多种多样的，包括悬浮、 移动、分选、融合等，还可以定量的测量细胞的力学性质以及 细胞间的相互作用。随着光镊技术的成熟以及与更多的技术结 合，如微分干涉和荧光技术，脉冲激光技术、激光拉曼技术、 全息技术、共聚焦技术、磁镊技术等，使得在实时测量细胞的 变化，细胞的相互作用，细胞的力学性质等方面的研究更加深 入的展开。
对于直径大于波长的米氏 散射粒子，可采用几何光学的 方法来解释光势阱的形成，如 图。
光镊的基本原理
对于直径小于波长的瑞利 散射粒子对于直径小于激光 波长的瑞利散射颗粒, 适用 于波动光学理论和电磁模型。 波动光学理论认为, 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于强 度梯度的梯度力。梯度力与 散射力的比值大于1，这样 合力就指向焦点处，能够实 现对微粒的捕捉
全息光镊
全息的技术一是可以方便地 产生各种具有轨道角动量或特定 衍射特性的新型光镊光场，包括 拉盖尔-高斯光、高阶贝塞尔光、 厄米特-高斯光束，利用全息技术 产生的新型光阱，如涡旋光阱， 在界面所形成的倏逝波形成的近 场光镊可以用来捕获和旋转金属 粒子。
二是可以对多粒予进行实时 动态的捕获和操控不仅可以实现 十字、矩形、圆形等特殊形状的 光阱，还可以控制粒子在其中沿 特定的路径运动，原则上可以实 现对粒子在任意形状的光阱中的 操控。
光镊的应用
光镊的基本原理 新型光镊光场
全息光镊
光镊与细胞生物学
光镊与单分子生物学 光镊与软物质胶体科学
光镊与物理学
光镊的基本原理
光与物质相互作用伴随着动量的交 换, 从而表现为光对物体力的作用力 （F=P/t ）。由于光辐射对物体产生的 力常常表现为压力，因而通常称之为辐 射压力或简称光压。然而，在特定的光 场分布下，光对物体也可产生一拉力， 即形成束缚粒子的光势阱。
科学家Grier预引，全息光
镊将零发光学操纵的一场技
形成拉盖尔-高斯光束的叉型光栅。对应的 拓扑指数为l=4
所形成的光场性质的不同， 全息光镊会实现不同的功能，如 单粒子的旋转、多粒子的操控和 分选等。
术革命。 全息光镊的主要原理是
利用全息元件(目前主要是 计算机寻址的液晶空间光调 制器)产生具有特定功能的 光场而形成的光镊。
光镊与单分子生物学
光镊技术的亚纳米线的空间分辨率和飞牛顿级的 力分辨率正好满足了体外研究单个生物大分子的条 件。光镊能够实时跟踪生物分子运动，获取单分 子静态和动态的力学性质，已被越来越多地用于 研究生化或者生物物理的精细过程，为定量研究 生命规律和改造生命活动提供了一种不可或缺的 研究工具。光镊是通过微米“手柄”小球对大分子 进行间接操控和测量。目前测量的方法已发展 有多种，如单光镊、双光镊、光镊与微针结 合等，都有很好的应用。还有光镊与光致旋 转、光镊与磁镊，以及光镊与全内反射荧光 技术结合等,形成独特的技术和方法，有效地 解决了相应的科学问题。
光镊原理及其应用
自1986年单光束光镊概念被提出以来，至今光 镊已经发展30多年，光镊的可操控尺寸从最初的微 米级发展到现在的纳米级，操控方法从最初的单光 束光镊到双光束光镊，再到全息光镊以及新型光束 捕获，极大地促进了定量生物学的发展，光镊技术 已经成为众多学科科学家所渴望的工具。
光镊的基本原理和新型光镊
操控动物活体内红细胞
光镊技术操控活体动物内的红细胞。(a) 光镊操控小白鼠耳朵毛细血管中的红细胞示意图; (b) 光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动
该实验将光镊深入到小白鼠耳朵的毛细血管内操控单个或多个红细胞， 利用光阱力聚集多个红细胞堵塞血管，或者用光镊牵引红细胞疏通被阻塞的 毛细血管, 开拓了光镊技术研究活体动物新领域。通过这种非接触式的微创 手术进行的实验取证，为活体研究和临床诊断提供了一种全新的技术。
研究核糖体的运动规律பைடு நூலகம்
核糖体是细胞内蛋白质合成的场所，它通过读取信使核糖核酸 cRNA 核苷酸序列所包含的遗传信息，并使之转化为蛋白质中氨基 酸的序列信息以合成蛋白质。因此，核糖体在生物的生命活动中具 有非常重要的生理作用。2008年Wen等研究了核糖体在翻译过程中 的动力学特性，即其沿着信使RNA 运动的精细动力学过程，并首次 证明了核糖体在易位运动中存在3个亚步。
从上至下分别为：傅里叶平面光场的振幅分布、 物镜焦平面光场分布和被捕获的粒子在光阱中 运动的示意图
光镊与细胞生物学
光镊发明初期，Ashkin等[首次用这个新的工具尝试操 纵 细胞和病毒等各种生物样品，并且成功地演绎了光镊捕捉、 拖动、损伤细胞和深入到细胞内部操控细胞的功能。Ashkin 预言“将细胞器从它们正常位置移去的能力，打开了精细研究 细胞功能的大门”。Liang等联合光镊和光刀对细胞和细胞器 进行手术，感慨细胞工具箱里又多了一把镊子，用起来更方便 了。
研究分散体系结合几率
利用光镊捕获微粒，使两微粒碰撞在显微镜焦平面附近发生并 直接进行观察。通过大量的碰撞后两个微粒结合与分散，可得到 相互作用的直接信息。研究的基本思想是，先用光镊捕获一个微 粒，然后再捕获第二个微粒，短时间关闭光镊后，观察两个微粒 结合与否，对大量的重复实验进行统计，从而获得两个 微粒碰撞后的结合几率。
新型光镊光场
起初，光镊的光场基本是低阶的高斯光束，然而这种光 场的捕获范围和纵向深度都十分有限，而且光镊如果要想 获得更加广泛的应用，就必须结合各种新型光场来实现各 种特殊、复杂的操纵功能。
当下备受关注的新型光场主要有：涡旋光束、非衍射和 自修复光束、自加速光束以及矢量光束。
新型光镊光场
涡旋光束与相位奇点相 关，本身携带轨道角动量， 在与物质相互作用过程中 可以将角动量传递给微粒， 从而导致微粒在光场中做 旋转运动。常见的涡旋光 束有拉盖尔高斯光束 (Laguerre-Gaussian beam) 和高阶贝塞尔光束(Bessel beam)。
光镊与物理学
光镊在物理学领域应用，可以证实以前无法通过实验验 证的物理规律，增进人们对于已有的物理现象和规律的 认识，还能为物理的其他学科领域提供新的研究方法和 实验技术，例如在光的力学效应验证和力的精确测量、声 学显微、布朗运动、纳米技术、量子力学等应用，表明 光镊正日益成为促进物理学进展的重要工具。
新型光镊光场
贝塞尔光束同时也属于非 衍射光束，相比于高斯型光 束，贝塞尔光束可传播较远 距离而保持中心光斑的大小 和尺寸基本不变。由于贝塞 尔光束在传播过程中具有很 好的稳定性，故被用于引导 微粒沿轴向输运距离可达3 mm，这个间距远远大于高斯 型光束的光镊的轴向捕获深 度。并且，在轴向3 mm 距 离中可以实现多个平面长距 离捕获多微粒，如图所示。
光镊研究核 糖体运动。 (a) 原理图; (b) 核糖体 运动的“位 移-时间”关 系曲线; (c) 转录过 程中每一次 暂停生物分 子长度改变 为2.7 nm
光镊与软物质胶体科学
研究分散体系都涉及到微小宏观微粒与流体相互作用这样 一个基本问题。直接通过实验研究很困难，而理想化的理论与错 综复杂的实际情形差异又很大，所以该领域的进一步发展几乎决 定性地依赖于对单个微粒相互作用过程的研究。光镊的特点是可 以限制微粒的运动，帮助研究人员在严密控制的条件下精确观测 单个微粒的动力学过程。如利用光镊研究微粒相互作用势，长程 引力相互作用，研究布朗运动和扩散以及其他动力学性质，研究 流体动力学相互作，两分散体系混合液的性质，测量微粒在流体 中受的粘滞作用等。光镊是在微粒层次对胶体科学进行实验研究 的重要工具。
布朗运动的新认识
1907年，爱因斯坦认为能量均分定理适用于布朗微粒，但是因为单个微粒 的瞬时速度变化太快，所以这个预言难以从实验上直接证明。2010年Science 杂志报道，采用光镊技术在真空中测量了微粒的瞬时速度，首次从实验上成 功地验证了布朗微粒符合能量均分定理。
光镊测量布朗粒子的瞬时速度的方法，如下图所示。两束正交偏振相向传 播的光束形成的光阱将3 μm 小球悬浮在空中。采用快速的位置探测器，严格 均等分开的两束探测光强信号的差别获取小球位置信息。测量得到单个微粒 的布朗运动的瞬时速度约等于0.422 mm/s ，实验误差为0.021 mm/s。与能量 均分定理的预期值( kBT/m =0.429 mm/s)很接近，从而直接证明了布朗运动的 麦克斯韦-玻尔兹曼速度分布和能量均分定理。
谢谢聆听
分选单条染色体
光镊分选单条染色体。(a) 游离的水稻中期分裂相细胞; (b) 紫外脉冲光对细胞穿孔 使之破裂，释放出染色体; (c) 荧光激发下观测染色体，用光镊夹持其中单条染色体; (d)~(f) 光镊夹持单条染色体使其从细胞残骸(染色体群体)中分离出来; (g)~(h) 利用微吸管将光镊分离的染色体富集
新型光镊光场
不均匀的偏振光场，如 径向偏振光束和方位角偏 振光束，具有优越的会聚 特性，使得矢量光束在操 控纳米粒子，特别是金属 纳米粒子方面具有明显的 优势。
全息光镊
全息光镊作为一种产生
多光阱或新型光学势阱的方
法脱颖而出。它不仅能构成
各种功能的光阱，并且还能
实现三维光辨阵列，并且带
动了一系列的研究和发展。
非衍射光束还包括马提厄光束、 抛物线光束、艾里光束等。
新型光镊光场
抛物线光束和艾里光束也 是一种自加速光束。自加速 光束在沿轴向传播过程中以 某个角度弯曲而不沿直线传 播，看起来像是在自由空间 中加速。这种光束在光操控 中可以用于沿着设定的轨迹 输运微粒，如图所示。自加 速光束还有韦伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams)等
光镊操控细胞和细胞器的手段是多种多样的，包括悬浮、 移动、分选、融合等，还可以定量的测量细胞的力学性质以及 细胞间的相互作用。随着光镊技术的成熟以及与更多的技术结 合，如微分干涉和荧光技术，脉冲激光技术、激光拉曼技术、 全息技术、共聚焦技术、磁镊技术等，使得在实时测量细胞的 变化，细胞的相互作用，细胞的力学性质等方面的研究更加深 入的展开。
对于直径大于波长的米氏 散射粒子，可采用几何光学的 方法来解释光势阱的形成，如 图。
光镊的基本原理
对于直径小于波长的瑞利 散射粒子对于直径小于激光 波长的瑞利散射颗粒, 适用 于波动光学理论和电磁模型。 波动光学理论认为, 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于强 度梯度的梯度力。梯度力与 散射力的比值大于1，这样 合力就指向焦点处，能够实 现对微粒的捕捉
全息光镊
全息的技术一是可以方便地 产生各种具有轨道角动量或特定 衍射特性的新型光镊光场，包括 拉盖尔-高斯光、高阶贝塞尔光、 厄米特-高斯光束，利用全息技术 产生的新型光阱，如涡旋光阱， 在界面所形成的倏逝波形成的近 场光镊可以用来捕获和旋转金属 粒子。
二是可以对多粒予进行实时 动态的捕获和操控不仅可以实现 十字、矩形、圆形等特殊形状的 光阱，还可以控制粒子在其中沿 特定的路径运动，原则上可以实 现对粒子在任意形状的光阱中的 操控。
光镊的应用
光镊的基本原理 新型光镊光场
全息光镊
光镊与细胞生物学
光镊与单分子生物学 光镊与软物质胶体科学
光镊与物理学
光镊的基本原理
光与物质相互作用伴随着动量的交 换, 从而表现为光对物体力的作用力 （F=P/t ）。由于光辐射对物体产生的 力常常表现为压力，因而通常称之为辐 射压力或简称光压。然而，在特定的光 场分布下，光对物体也可产生一拉力， 即形成束缚粒子的光势阱。
科学家Grier预引，全息光
镊将零发光学操纵的一场技
形成拉盖尔-高斯光束的叉型光栅。对应的 拓扑指数为l=4
所形成的光场性质的不同， 全息光镊会实现不同的功能，如 单粒子的旋转、多粒子的操控和 分选等。
术革命。 全息光镊的主要原理是
利用全息元件(目前主要是 计算机寻址的液晶空间光调 制器)产生具有特定功能的 光场而形成的光镊。
光镊与单分子生物学
光镊技术的亚纳米线的空间分辨率和飞牛顿级的 力分辨率正好满足了体外研究单个生物大分子的条 件。光镊能够实时跟踪生物分子运动，获取单分 子静态和动态的力学性质，已被越来越多地用于 研究生化或者生物物理的精细过程，为定量研究 生命规律和改造生命活动提供了一种不可或缺的 研究工具。光镊是通过微米“手柄”小球对大分子 进行间接操控和测量。目前测量的方法已发展 有多种，如单光镊、双光镊、光镊与微针结 合等，都有很好的应用。还有光镊与光致旋 转、光镊与磁镊，以及光镊与全内反射荧光 技术结合等,形成独特的技术和方法，有效地 解决了相应的科学问题。
光镊原理及其应用
自1986年单光束光镊概念被提出以来，至今光 镊已经发展30多年，光镊的可操控尺寸从最初的微 米级发展到现在的纳米级，操控方法从最初的单光 束光镊到双光束光镊，再到全息光镊以及新型光束 捕获，极大地促进了定量生物学的发展，光镊技术 已经成为众多学科科学家所渴望的工具。
光镊的基本原理和新型光镊
操控动物活体内红细胞
光镊技术操控活体动物内的红细胞。(a) 光镊操控小白鼠耳朵毛细血管中的红细胞示意图; (b) 光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动
该实验将光镊深入到小白鼠耳朵的毛细血管内操控单个或多个红细胞， 利用光阱力聚集多个红细胞堵塞血管，或者用光镊牵引红细胞疏通被阻塞的 毛细血管, 开拓了光镊技术研究活体动物新领域。通过这种非接触式的微创 手术进行的实验取证，为活体研究和临床诊断提供了一种全新的技术。
研究核糖体的运动规律பைடு நூலகம்
核糖体是细胞内蛋白质合成的场所，它通过读取信使核糖核酸 cRNA 核苷酸序列所包含的遗传信息，并使之转化为蛋白质中氨基 酸的序列信息以合成蛋白质。因此，核糖体在生物的生命活动中具 有非常重要的生理作用。2008年Wen等研究了核糖体在翻译过程中 的动力学特性，即其沿着信使RNA 运动的精细动力学过程，并首次 证明了核糖体在易位运动中存在3个亚步。
从上至下分别为：傅里叶平面光场的振幅分布、 物镜焦平面光场分布和被捕获的粒子在光阱中 运动的示意图
光镊与细胞生物学
光镊发明初期，Ashkin等[首次用这个新的工具尝试操 纵 细胞和病毒等各种生物样品，并且成功地演绎了光镊捕捉、 拖动、损伤细胞和深入到细胞内部操控细胞的功能。Ashkin 预言“将细胞器从它们正常位置移去的能力，打开了精细研究 细胞功能的大门”。Liang等联合光镊和光刀对细胞和细胞器 进行手术，感慨细胞工具箱里又多了一把镊子，用起来更方便 了。
研究分散体系结合几率
利用光镊捕获微粒，使两微粒碰撞在显微镜焦平面附近发生并 直接进行观察。通过大量的碰撞后两个微粒结合与分散，可得到 相互作用的直接信息。研究的基本思想是，先用光镊捕获一个微 粒，然后再捕获第二个微粒，短时间关闭光镊后，观察两个微粒 结合与否，对大量的重复实验进行统计，从而获得两个 微粒碰撞后的结合几率。
新型光镊光场
起初，光镊的光场基本是低阶的高斯光束，然而这种光 场的捕获范围和纵向深度都十分有限，而且光镊如果要想 获得更加广泛的应用，就必须结合各种新型光场来实现各 种特殊、复杂的操纵功能。
当下备受关注的新型光场主要有：涡旋光束、非衍射和 自修复光束、自加速光束以及矢量光束。
新型光镊光场
涡旋光束与相位奇点相 关，本身携带轨道角动量， 在与物质相互作用过程中 可以将角动量传递给微粒， 从而导致微粒在光场中做 旋转运动。常见的涡旋光 束有拉盖尔高斯光束 (Laguerre-Gaussian beam) 和高阶贝塞尔光束(Bessel beam)。