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【简述】光镊:基于激光技术绽放出的绮丽之花
醉卧青云 2016-03-02
导语

光镊是80年代基于激光技术绽放出来的一朵绮丽之花,光镊技术将光具有动量属性的一面展现得淋漓尽致,她不仅丰富和推进了光学领域的发展,也为光学联合众多姊妹学科搭建了一座桥梁,彰显出她独特的魅力。

光学是一门既古老又现代的学科。经典光学主要是以电磁辐射本身为研究对象,而近代光学的发展则是以光与物质的相互作用为主要研究内容。自20世纪60年代激光的诞生,强光与物质的相互作用产生了一系列非线性效应,使光学领域焕然一新。

光镊是80年代基于激光技术绽放出来的一朵绮丽之花,光镊技术将光具有动量属性的一面展现得淋漓尽致,她不仅丰富和推进了光学领域的发展,也为光学联合众多姊妹学科搭建了一座桥梁,彰显出她独特的魅力。

光镊是由光形成的一种特殊工具,类比人们常用的机械镊子

光镊是“无形”的,它能够对微粒实施无损无菌操控、视屏动态跟踪、进行微小力的测量。这种能够用一 束光在三维空间控制悬浮的微粒的实验,结构简洁而有效,技术达到完美的境地。正值纳米科技蓬勃发展之际,生物学研究从系综深入到定量,人类对自然界和自身的认识不再满足于对宏观现象的了解,我们渴望深入到对每一个个体微观机理和功能的定量研究,以便接近自然本质,从而更好的认识和改造自然。所以,光镊一问世,科学家们就预感用光力控制微米尺度颗粒的技术潜藏着不可估量的发展和应用前景。二十多年来,基于光镊操控颗粒的原理和应用研究,证明了该技术的独到和不可或缺的价值。

光镊技术作为皮牛(pN)力的探针,其微观操纵能力和超高的空间、时间分辨率,已经为我们拉开了研究生物单分子的序幕,使我们充分领略到光镊那巧夺天工之神 力。我们的身体内,主宰生命运动的无数个川流不息的生物大分子的运动规律已被光镊所窥测;我们的食物通过消化系统形成的各种化学能,又如何转化成我们运动的原动力已被澄清;导致血液凝结的单分子机理也已被揭晓。特别是光镊技术已经嫩巩固直接控制活体动物血管内细胞,可望成为生物基础研究和医学临床提供重要工具。

我们发现,生物教课书上精细描绘的那一幅幅充满想象的卡通图中隐含着诸多的物理思想,从此他们将经受物理学家精确的实验检测和验证,一层层揭开其神秘的面纱。人类在19世纪末完成了伟大的人类基因组计划,我们相信下一个计划就应该是“生物单分子力谱”的宏伟工程。

从Ashkin A 1986年发表的第一篇单光束光镊论文起,已经历了约30年。光镊从鲜为人知、集中在少数物理学家的实验室中,从简单的微米细胞的操控到目前可以实现对单 分子亚纳米精度的测量。极大地促进了定量生物学的发展。光镊技术已成为众多学科科学家渴望的工具。光镊领域正迎接应用技术蓬勃发展的未来。

光镊名称的由来

A.Ashkin于1970年发现当一束激光射向微米微粒时,该微粒会受到一个沿光线传播方向的推力;用两束激光对射时就可以将微粒夹持住。后来,他进一步发现利用一束会聚激光可以在三维方向上控制微粒,由此开拓了光捕获微粒研究的新领域。

A. Ashkin

光镊,顾名思义,它是一种利用一束光抓住物体的工具。经验告诉我们,传统的机械镊子用来夹持物体时,必须使镊尖接触到物体,并施加一定的压力,物体才会被钳 住,然后就可以固定物体或对它进行目标迁移等操作。而光镊与之不同,光镊使物体整个受到光的束缚从而达到“钳”的效果,然后通过移动光束(或改变物体的环 境)来迁移物体。

与机械镊子相比,光镊是以一种温和的非机械接触的方式完成夹持和操纵物体的。尤为重要的是,在以形成光镊的光为中心的一定区域内,物体一旦落入这个区域就有自动移向光束中心的趋势,其现象尤如微粒被吸尘器吸入,或者像一个飞行物坠入宇宙黑洞那样,表现出光镊具有“引力”效应(也有人称之为牵引束)。已经落入阱中的微粒(处在光束中心的微粒),若没有外界力的扰动,物体将不会偏离光束中心。由于各种外界作用或微粒自身布朗运动等原因,当微粒略偏离光束中心也会很快恢复到原位,所以光镊又酷似一个陷阱(trap,snare)。这个陷阱有一定范围,在该范围边界处存在一个势垒。当物体的动能不足以克服势垒时,它 将继续停留在陷阱内,这个范围就叫做阱域(trap region)。

由此可见,会聚的激光光束具有抓住物体的作用,所以称为光镊,即光学镊子(optical tweezers)。所谓的光镊,其实是比拟宏观机械镊子对光的势阱效应的一种形象而通俗的描绘,既利用镊子的概念又不失其光学本质地赋予光势阱一个独特 的命名。当我们在研究光镊自身的物理性质时,还会采用“光学势垒”(optical barrier)、“光捕获阱”(optical trap)、“光梯度力阱”(optical gradientforce trap)或“光阱”(optical trap)等物理术语。

本文来自科学出版社博客,由安静摘编自李银妹、姚焜著《光镊技术》之前言和第二章,内容有删减。




978-7-03-046670-9

光镊技术》 分为上中下三篇,系统地介绍光镊技术的原理、技术、装备和应用。

上篇从光的力学效应发展的历史,全面介绍光镊技术的由来、光镊技术的原理、功能和特点,光 镊设备,设备的设计,操控和测量技术与方法。给出表征光镊技术的参数。

中篇对光镊仪器单元技术和测试技术做了全面介绍,详细介绍了光镊力的测量方法和精 度,分析了各种方法的测量误差,给出了光镊光场的电磁场和几何光学的基本理论分析方法,较全面地分析光镊技术应用过程中遇到的光镊仪器自身的技术问题。

下篇将其应用分为光镊与单分子生物学、光镊与细胞生物学、光镊与胶体科学以及光镊与物理学四个领域进行介绍,例举了国际上已用光镊技术成功解决这些领域难以解决科学问题,详细阐述了每一个问题解决的方法,读者可以根据自己工作领域的需求寻找与光镊技术结合的切入点,用于解决本学科的问题。也可以借鉴前人经验 用于解决本学科的问题。

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文章评论(1)
罗纳尔多[北京理工大学]

还有声波镊子。。。。

901天前 | 回复
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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
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