光镊

光镊

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光镊是采用以芯片为基础的光子共振捕获技术的光阱,能对纳米至微米级的粒子进行操纵和捕获,利用NanoTweezer显微镜纳米光镊转换装置可把现有显微镜升级改造为光镊。注:NanoTweezer显微镜纳米光镊转换装置,是个显微镜附上装置。该装置使研究人员使用现有显微镜能够捕获、操纵纳米级微粒。
 
 
中文名
光镊
尺寸范围
10nm-5微米
粒子种类
生物材料纳米材料单个细胞、
外文名
Optical Tweezers
操纵对象
单分子、细胞器、病毒
 
 

1定义

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由于激光聚集可形成光阱,微小物体受光压而被束缚在光阱处,移动光束使微小物体随光阱移动,借此可在显微镜下对微小物体(如病毒、细菌以及细胞内的细胞器及细胞组分等)进行的移位或手术操作。

光镊 ,又被称为单光束梯度力光阱,日常,我们用来挟持物体的镊子,都是有形物体,我们感觉到镊子的存在,然后通过镊子施加一定的力钳住物体。捕获微小粒子的光镊是一个特别的光场,这个光场与物体相互作用时,物体整个受到光的作用从而达到被钳的效果,然后可以通过移动光束来实现迁移物体的目的。如果以形成光场的中心划定一个几微米方圆的区域,你将会观察到一旦光子涉足这个禁区就会自动迅速坠落光的中心,表现出这个光场具有 地心引力的效应。如将被光镊捕获的粒子比做坠入碗底的玻璃珠,那么,光镊又酷似一个陷阱。这个特别的光场造就了一个势能较低的区域(碗底),即从这区域内到区域外存在一个势垒(碗壁)。当物体的动能不足以克服势垒时,粒子将始终停留在阱内。虽然光与物体相互作用的过程我们是看不见的摸不着,其结果展现给我们的是,通过光镊作用的物体是在按特定路线运行。光镊搬运粒子的情形就酷是一个无形的机械手,这个看不见的机械手将按照您的意志形自如地控制目标粒子。

2光镊技术的产生

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光镊技术是美国科学家于1986年发明的。光镊又称为单光束梯度光阱。简单的说.就是用一束高度汇聚的 激光形成的三维 势阱来俘获,操纵控制微小粒子。自诞生以来,光镊技术已经在微米尺度量级粒子的操纵控制,粒子间的相互作用等方面的研究中发挥了重要作用。

1969年.Ashkin通过理论计算认为聚焦的激光能推动尺寸为几个微米的粒子,并实现了用聚焦的氩离子激光使悬浮在水中的透明胶粒(直径0.6-2.5μm)沿着光轴方向加速推离。他发现接近光束的微粒也出乎意科地被吸入光束中推离。在通过用气泡与液滴反复实验后,Ashkin认为光束对折射率比周围介质高的微粒具有横向吸力,但对折射率比周围介质低的微粒具有横向推力。1970年.Aahkin等首先提出能利用光压(optical pressure)操纵微小粒子的概念。一直到1986年,Ashkin才发现只需要一束高度聚焦的激光,就可以形成稳定的能量阱能将微粒稳定俘获。这标志着光镊的诞生,正因为如此.光镊的正式名称为单束光梯度力阱(single—beam optical gradient force trap)。

3光镊原理

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光镊技术基于光辐射压力与单光束梯度力光阱。

光辐射压力

光照射物体时,由于电磁波具有能量,也有动量,所以,在物体表面形成反射和吸收,同时会对表面形成压力作用,成为光压(光辐射压力)。通过激光的引进,使得光压效应在现实应用中有了很大的作用,特别是科学研究中。

梯度力

为了阐明梯度力的概念,以透明介质小球为例说明。如图1所示,一个透明介质小球 处于一个高斯分布的非均匀会聚光场中,小球的折射率大于周围介质的折射率。当会聚激光束照射到微粒上时,激光发生折射和反射,也包括一部分吸收。被微粒反射和吸收的光作用就是光辐射压力,或者称散射力,其方向与光传播方向一致,它趋向于使小球沿光束传播方向运动。与此同时,光束经过微粒会发生多次折射,有些会聚光线折射后传播方向更趋向于光轴(即光束传播方向),从而增大了轴向动量,因而给与微粒与光传播方向相反的作用力,表现为拉力,这就是轴向梯度力的本质,由于此拉力的作用,导致粒子在轴向可以稳定在激光焦点附近。而微粒在横向的偏离,由于光场的非均匀性,也会受到指向激光焦点的回复力,即横向梯度力。在梯度力和散射力的共同作用下,微粒被稳定束缚在激光焦点附近。这就是单光束梯度力光阱 。

4光镊特点

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光镊是对单光束梯度力光阱的形象的称呼,因为它与宏观的机械镊子具有相似的操控物体的功能。但与宏观的机械镊子相比,或者与传统的操控微纳米粒子的显微微针或原子力显微镜等相比,光镊具有不可比拟的优越性。光镊对微粒的操控是非接触的遥控方式,不会给对象造成 机械损伤。这使得光镊在生物学研究特别是单细胞单分子研究领域应用非常合适。首先,光镊捕获微粒的尺度在几十纳米到几十微米,正好是 生物细胞、细胞器以及 生物大分子的尺度范围。其次,光镊的温和操控不会损失细胞,虽然激光会产生热,但可以通过选择合适的波长,避开细胞对光的吸收波长,将热效应降到最低。另外,由于大部分细胞膜是透明的,光可以穿过细胞膜操控细胞内部微粒,这是其他操控手段无法做到的。

光镊不仅可以操控微粒,还可以进行微小力的测量,粒子偏离捕获中心的距离和其受到的 回复力成正比,类似与弹簧,在操控过程中能实时感应俘获粒子的微小负荷。因此,光镊是极其灵敏的力传感器,其作为微小力的探针,可以进行细胞和生物大分子之间的相互作用的定量测量,进一步揭示细胞的功能以及活动规律。

5光镊应用

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光镊的发明使光的力学效应走向实际应用,使人们在许多研究中从被动的观察转而成为主动的操控,同时光镊对于捕获微小粒子、测量微小作用力及生产微小器件等许多方面都有非常重要的意义,现主要从以下几个方面介绍光镊的研究及应用 。

光镊在生物细胞上的应用研究

对细胞操控的研究

光镊操控细胞,可以高选择性的分选细胞或细胞器 。目前,研究者已经建立了一套分选单条染色体的实验方法,为 基因测序提供了更有效、更准确的方法。同时光镊还可用来测量细胞表面的电荷,因为细胞表与荷细胞的生长和细胞的凋亡有着非常密切的关系。

对细胞应变能力的研究

细胞内部的应变能力在通常情况下是很难用显微镜观察到的, 单一的 生理学或者形态学参数很难定义细胞的生存能力。光镊是对活体细胞进行非侵入微观操纵的有利工具, 能够诱导细胞产生应变。其发出的近红外连续激光能够诱导线虫类C.elegans发生应变。根据C.elegans 特殊的应变能力,发现在不同的激发波长、激发功率和照射时间内,C.elegans的应变也各不相同。这种方法可在其他动植物细胞中进一步推广应用。

对细胞横向光阱力的研究

对红细胞横向光阱力方面的研究,在该研究中以射线光学计算模型为基础,同时运用类似于求解 轴向力的方法,得出了横向力计算公式,对几何尺寸远大于光波长的米氏球状粒子所受激光微束横向光阱力进行了计算,计算结果表明,粒子只有在小于粒子半径的区域内才能被捕获,而不是在整个粒子半径区域,实验中还可以测量作用在粒子上力的大小和粒子的运动速度。微粒大小、相对折射率等对光阱力也产生一定的影响,适当选取各实验参数可增强微粒的捕获稳定性。细胞横向力的研究对光镊的理论有进一步的指导意义。

光镊在生物大分子上的应用研究

为了操纵一个生物大分子,往往将两个涂有 肌浆球蛋白的聚苯乙烯小球黏在生物大分子的两端,称其为“手柄”,通过光镊捕获和操纵小球来达到操控生物大分子的目的。

光镊结合其他技术在生物上的应用研究

光镊由于其可对多个微小粒子进行复杂操控的特点以及飞速的发展,在其本身的技术研究受到越来越多关注的同时,也在不断开拓与其他领域技术结合 的应用。 光镊与高空间分辨率技术的结合 光镊与具有高空间 分辨率本领的技术结合,使之具备了更精细的结构分辨能力和动态操控能力,目前,国际上Coirault. C等人已成功地将原子力显微镜和光镊技术相结合,为研究生物分子提供了更准确、更可靠的方法。 光镊与光刀的结合 光镊与光刀的配合装置,可以进行高选择性的细胞融合。光镊用来挑选待融合的特定细胞,并把它们拖到一起相互接触,再用光刀作用于二者的接触面,诱发细胞融合,这种方法的融合产物具有高的纯度。Seeger 等人利用光镊和光刀偶联实现了染色体的精细切割和高效收集及植物原生质的融合。同时还可实现细胞的切割,是生物微粒进行微操控和微加工的理想手段。此外,激光操纵细胞技术是当前最先进的转基因技术,利用光镊和光刀将 DNA 导入细胞而实现基因转移,可大量节约资源,缩短转基因时间,提高成功率。光镊与光刀的结合在免疫学、分子遗传学中的研究发挥着巨大的作用。 光镊与测量技术的结合 光镊可以作为一种操控技术与其他测量技术如微弱荧光探测技术、拉曼光谱测量技术结合。赖钧灼等人利用光镊拉曼光谱系统单个细胞的成分和生化过程进行了有效的分析。

6背景知识简介

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光的动量和光压

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 矢量的大小为

S=uc,(方向指向 光的传播方向)

而动量密度(单位体积的光场携带的动量)为

g=u/c,(方向沿 光的传播方向或 波矢的方向)

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。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=ν,动量为:

P=h*k=h/λ

(其中,h:普朗克常数,λ=1/k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=ε,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的平面光波所携带的动量为

G=E/c

既然光具有 动量,根据牛顿第二定律,作用在物体上的力就等于光引起的单位时间内物体动量的 变化光与物体相互作用的过程中就可能伴随有动量的交换。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。

一束平行光照射到物体上,其动量变化为ΔP,历经时间t秒,则物体得到的动量为-ΔP。由此可得光作用在物体上的力为F=-ΔP/t。如果 光束作用的面积为S,则单位面积上受到的力即为 光压p=F/S。

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