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。

技术的两大功能：

单粒子的捕获与操控

光镊的基本操作功能是对微小粒子的捕获和操控。捕获即夹持物体；所谓操控，就是使目标物体与所在环境实现相对运动，将捕获的目标物体挪动到新的目的地。

基于‘光镊微操作仪’的设计，目标物体与所在环境实现相对运动的方法是固定光镊，操控目标物体所在环境，即通过操控样品台带动样品池中的样品运动。

直接操控—微米间接操控-纳米

间接操控方法利用了光阱系统能清晰分辨的微米粒子作为“手柄”，将纳米微粒粘附在“手柄”上，使待测量的纳米微粒与小球刚性的连接，光镊操控“手柄”就相当于操控了纳米微粒。这种间接操控法使光镊操控范围扩展到纳米尺度，已成为一种有效的单分子纳米操控技术。

2．位移和力的测量

k为光阱刚度

x为小球偏离光阱中心的位移

光镊能够捕获和操控物体,实际上是光施加给物体一个作用力,所以,光镊也是力的测量工具。

光镊力的性质：

形成光镊的光势阱中心附近的势场近似简谐势，光镊捕获粒子类似于弹簧,所以光镊是极其灵敏光力传感器,它能感受飞牛(fN)力的负荷。

光镊具有非牛力分辨的精度成为介观领域研究微小粒子静态和动态力学特性的理想工具。

光镊的基本装置

光镊的基本装置包括光镊光源，光学耦合器，显微物镜，样品台以及一套观察和记录光镊对微粒的操作过程的实时监测系统。‘光镊微操作仪’是光镊最基本的实验配置。

光镊微操作仪-光路图

1光镊光源，2 光学耦合器，3反射镜，4 双色分束镜，5 聚焦物镜NA=1.25，6 样品台，7样品池，8照明光源，9 CCD数码摄像头，10 计算机主机，11显示器。图4- B为样品池7的放大图。

由激光器发射的激光束，经过光学耦合光路扩束整形后，入射到双色分束镜，并被反射至物镜，光经过物镜聚焦在样品池中形成光阱。装有微粒或细胞悬浮液的样品池置于样品台上。光镊对微粒的捕获和操控过程的观察，类似于普通的显

微镜。照明光通过聚光镜照明样品池，池中的微粒被捕获和操控的图像经物镜后，透过双色分束镜，被反射镜反射到CCD（Charge Coupled Device或电荷耦合器件）数码摄像头，所采集的影像由显示器显示，也可通过目镜进行观察。数码摄像头获取的信息通过计算机采集和处理。

光镊的基本操控方法

光镊的基本操作功能是对微小粒子的捕获和操控。捕获即夹持物体；所谓操控，就是使目标物体与所在环境实现相对运动，将捕获的目标物体挪动到新的目的地。

基于‘光镊微操作仪’的设计，目标物体与所在环境实现相对运动的方法是固定光镊，操控目标物体所在环境，即通过操控样品台带动样品池中的样品运动。光镊在横向（X-Y）操控微粒

光镊已捕获了一个目标粒子。固定光束（即光镊不动），沿平面操控样品台。被捕获的粒子不动,背景粒子跟随样品台移动，即实现了光镊在横向操控小球，箭头表示背景的运动方向。

光镊在横向（）操控微粒

光镊在纵向（Z）操控微粒

通过调节物镜与样品台的相对位置，实现光阱的纵向操控。如左图所示，左侧一粒子已被光阱捕获，微调物镜，改变光阱的纵向位置，被捕获粒子也随物镜移动，因而仍然保

光镊在纵向（）操控微粒

持好的成像条件，像依然清晰。而右侧的粒子没有受到光阱的控制，不随物镜一起运动，偏离了成像平面，所以它们的图像逐渐变得模糊。

光陷阱效应和阱域

当粒子距光镊的中心（“十”字指示）有一定距离R时，处在光阱边缘的粒子将受到光的引力作用，以一定的加速度自动滑入光镊的中心。粒子在完成这一过程中，没有任何其它外力的驱动（忽略小球的重力）。光阱的阱域就是粒子开始自动滑入至光镊中心的受力范围。

光陷阱效应

图所示，直径为2微米的聚苯乙烯小球陷入光阱的过程。

小球距离光阱的中心为R，阱域就是以R为半径的圆形区域。

间接操控法

光镊操控微粒有两种方式。一种是直接操控，如图5所示；光镊可直接操控的粒子从几十纳米到几十微米。

另一种是间接操控，间接操控方法利用了光阱系统能清晰分辨的微米粒子作为“手柄”，将纳米微粒粘附在“手柄”上，使待测量的纳米微粒与小球刚性的连接，用光镊操控“手柄”达到操控纳米微粒的目的。这种间接操控法使光镊操控范围扩展到纳米尺度，已成为一种有效的单分子纳米操控技术。

光镊间接操控纳米粒子

图示意为光镊间接操控纳米微粒和生物大分子。“手柄”采用1微米的聚苯乙烯小球，将被测的纳米微粒黏附在“手柄”表面，通过测量“手柄”受到的力和产生的位移，计算纳米微粒运动参数。