**光鑷optical tweezers這是什么？**

光鑷optical tweezers利用光來(lái)操縱小到單個(gè)原子的微觀物體。來(lái)自聚焦激光束的輻射壓力能夠捕獲小顆粒。在生物科學(xué)中，這些儀器已被用于施加皮牛pN范圍內(nèi)的力，并實(shí)現(xiàn)尺寸從10 nm到超過(guò)100 mm的物體的nm范圍內(nèi)的位移。

它是如何工作的？

光學(xué)陷阱的最基本形式如上圖所示。激光束由高質(zhì)量顯微鏡物鏡聚焦到樣品平面上的一個(gè)點(diǎn)上。這個(gè)斑點(diǎn)創(chuàng)造了一個(gè)“光學(xué)陷阱”，能夠?qū)⒁粋€(gè)小顆粒保持在其中心。該粒子感受到的力包括由于粒子與光的相互作用而產(chǎn)生的光散射力和梯度力。最常見(jiàn)的是，光鑷是通過(guò)修改標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡來(lái)制造的。這些儀器已經(jīng)從操縱微米級(jí)物體的簡(jiǎn)單工具發(fā)展到計(jì)算機(jī)控制下的復(fù)雜設(shè)備，可以高精度和準(zhǔn)確性地測(cè)量位移和力。

應(yīng)用

光鑷已被用于捕獲介電球、病毒、細(xì)菌、活細(xì)胞、細(xì)胞器、小金屬顆粒，甚至 DNA 鏈。應(yīng)用包括限制和組織（例如用于細(xì)胞分選）、跟蹤運(yùn)動(dòng)（例如細(xì)菌）、施加和測(cè)量小力以及改變較大結(jié)構(gòu)（例如細(xì)胞膜）。光學(xué)陷阱的兩個(gè)主要用途是研究分子馬達(dá)和DNA的物理性質(zhì)。

細(xì)節(jié)、工作原理

光鑷背后的基本原理是與彎曲光相關(guān)的動(dòng)量傳遞。光攜帶的動(dòng)量與其能量成正比，并沿傳播方向發(fā)展。光方向的任何變化，通過(guò)反射或折射，都會(huì)導(dǎo)致光的動(dòng)量發(fā)生變化。如果一個(gè)物體彎曲光線，改變其動(dòng)量，動(dòng)量守恒要求物體必須經(jīng)歷相等且相反的動(dòng)量變化。這會(huì)產(chǎn)生作用在物體上的力。

在典型的光鑷設(shè)置中，入射光來(lái)自具有高斯強(qiáng)度分布的激光。基本上，光束中心的光比邊緣的光更亮。當(dāng)這種光與珠子相互作用時(shí)，光線會(huì)根據(jù)反射和折射定律彎曲（上面顯示了兩個(gè)示例光線）。來(lái)自所有這些光線的力的總和可以分為兩個(gè)部分：散射力，指向入射光的方向）和梯度力，由高斯強(qiáng)度分布的梯度產(chǎn)生，并在xy平面上指向光束的中心。梯度力是將珠子拉入中心的恢復(fù)力。如果折射光線對(duì)散射力的貢獻(xiàn)大于反射光線的散射力，則沿 z 軸也會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)力，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的陷阱。磁珠的圖像可以投射到象限光電二極管上，以測(cè)量納米級(jí)位移。

現(xiàn)代光鑷

在實(shí)踐中，光鑷是非常昂貴的定制儀器。這些儀器通常從商用光學(xué)顯微鏡開(kāi)始，但會(huì)進(jìn)行大量修改。此外，將多個(gè)激光器耦合到顯微鏡中的能力也帶來(lái)了另一個(gè)挑戰(zhàn)。高功率紅外激光束通常用于實(shí)現(xiàn)高捕獲剛度，同時(shí)將對(duì)生物樣品的光損傷降至最低。光學(xué)陷阱的精確轉(zhuǎn)向是通過(guò)透鏡、反射鏡和聲/光電設(shè)備完成的，這些設(shè)備可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。下圖旨在說(shuō)明此類(lèi)系統(tǒng)中的元素?cái)?shù)量。簡(jiǎn)而言之，這些是非常復(fù)雜的儀器，需要顯微鏡、光學(xué)和激光技術(shù)的工作知識(shí)。

審核編輯：劉清