光镊技术

光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应 。光镊技术是光的力学效应的典型实例， 它直观充分的展现了光具有动量这一基本属性。光镊技术的发明不仅丰富和推进了光学领域的发展， 也为光学与其他多学科的交叉融合架起了一座桥梁， 彰显出了它独特而不可替代的作用。

光具有能量和动量， 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相互作用为重要的研究内容。20 世纪 60 年代激光的发明， 为人们研究光与物质相互作用提供了一种崭新的光源， 其中高简并度的激光束使得光镊技术得以问世。光镊技术是光的力学效应的典型实例， 它直观充分的展现了光具有动量这一基本属性。光镊技术的发明不仅丰富和推进了光学领域的发展， 也为光学与其他多学科的交叉融合架起了一座桥梁， 彰显出了它独特而不可替代的作用。从 Ashkin 等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， 只能简单地操控微米细胞到目前可以实现对单分子亚纳米级精度的测量， 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的科学家渴望的工具。

自1986年美国科学家Ashkin在发明光镊的同时就建立了光镊仪器的雏形。最初阶段， 国际上仅少数著名大学及科研机构的研究人员根据自己的研究需要搭建了不同形式的光镊实验装置。随着光镊技术的逐步成熟和应用的需求， 应用范围也不断扩大。光镊技术能方便地与其他多种光学技术衔接， 如与激光微束、荧光激发、 共焦扫描显微镜、 喇曼光谱仪等结合， 光镊技术自身已从微米精度的操控与探测发展到了纳米精度的操控与探测。由单光镊到多光镊， 线性光镊到旋转光镊等形成了光镊的大家族。光镊技术从深度和广度而言， 已迈入了一个具有独立内涵和外延的新技术领域。特别是光镊微纳操控与高分辨率成像以及数字图像分析紧密结合， 已形成了一种强大的用于单分子单细胞和微观实验的技术平台。光镊技术已经打开了许多可能的应用途径， 将会为 21 世纪许多新科学提供发展契机。光镊的潜在发展趋势和市场需求正引起商家的关注， 光镊产业也在逐步形成。

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。

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。

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 [7]   的应用。

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。