光鑷技術(shù)在原子物理和生命科學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展

1、光鑷技術(shù)在原子物理和生命科學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展信息工程系 王 堅(jiān)摘要 激光陷阱和控制、操作中性微小粒子的光鑷技術(shù)是以光的輻射壓原理為基礎(chǔ)的，利用光與物質(zhì)間動(dòng)量的傳遞的力學(xué)效應(yīng)形成三維梯度光學(xué)陷阱。光壓的實(shí)際應(yīng)用在20世紀(jì)激光誕生后才得以實(shí)現(xiàn)。由于激光突出的高方向性、高相干性、高亮度產(chǎn)生的輻射壓高于一般的光，所以使得基于光壓原理的光鑷能夠被發(fā)現(xiàn)并運(yùn)用。光鑷能夠捕獲和操縱微米尺度粒子成為捕獲操縱粒子獨(dú)特且有效的手段，并且這種方法在物理和生物科學(xué)等領(lǐng)域掀起了一場技術(shù)革命。本文簡要回顧了早期光鑷技術(shù)在原子物理和生命科學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展，以及當(dāng)代光鑷技術(shù)研究的最新成就。 關(guān)鍵詞 激光陷阱，光鑷，激光1 引言光

2、鑷是基于光的力學(xué)效應(yīng)的一種新的物理工具，它如同一把無形的機(jī)械鑷子，可實(shí)現(xiàn)對活細(xì)胞及細(xì)胞器的無損傷的捕獲與操作。光鑷的發(fā)明正適應(yīng)了生命科學(xué)深入到細(xì)胞、亞細(xì)胞層次的研究趨勢，也為生物工程技術(shù)提供了一種新的手段。僅僅20年光鑷的應(yīng)用已展示其在物理和生命科學(xué)領(lǐng)域中無限美好的應(yīng)用前景。2. 光鑷技術(shù)原理2.1光壓原理光鑷技術(shù)是基于光壓原理的，光壓原理在牛頓和開普勒時(shí)期就已經(jīng)提出來了但是一直都沒有什么應(yīng)用。光的壓力原理早期只有在天文學(xué)中有些應(yīng)用，德國的天文學(xué)家開普勒，在17世紀(jì)初提出彗尾之所以背向太陽的原因是，其受到了太陽輻射光壓的作用力。因?yàn)橹挥性谔煳膶W(xué)研究中當(dāng)光的強(qiáng)度和距離都非常大的時(shí)候，光壓對物質(zhì)的

3、影響才會(huì)明顯的表現(xiàn)出來。1873年Maxwell從光的波動(dòng)理論角度根據(jù)電磁理論推導(dǎo)出了光壓的存在（電磁輻射壓）并且給出了垂直入射到部分反射吸收體表面的光束的光壓為：其中,E為每秒鐘垂直入射到1上的能量，c為光速，R為物體對光的反射系數(shù)。由計(jì)算式可以粗略的看出光壓與光的動(dòng)量有關(guān)。從量子理論角度分析，我們可以認(rèn)為光是由光子組成的，每個(gè)光子的能量為，動(dòng)量為，我們只能認(rèn)為光壓是光子將它的能量、動(dòng)量傳遞給物體的吸收面或者反射的結(jié)果。實(shí)際上當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生作用的時(shí)候，能量的交換引起熱效應(yīng)，使物質(zhì)產(chǎn)生熱膨脹、組織蒸發(fā)等現(xiàn)象，一般也伴隨一些續(xù)發(fā)的壓力效應(yīng)，這是次生性的所以我們一般不考慮，也就是說我們認(rèn)為光壓是由

4、光與物質(zhì)之間的動(dòng)量的傳遞而引起的。如果有單色光正入射到顆粒上，設(shè)有N個(gè)光子，則它們的能量和動(dòng)量分別為,N個(gè)光子傳遞給吸收壁的動(dòng)量為,傳給反射的動(dòng)量為（設(shè)入射方向?yàn)檎较颍?，這樣我們假定物質(zhì)的反射系數(shù)為R,于是有N個(gè)光子傳的動(dòng)量為： ，顯然這與Maxwell的電磁推導(dǎo)結(jié)論一致。人們在日常的生活中也能體會(huì)到光壓的存在，比如有些人在晚上睡覺的時(shí)候如果有燈開著的話，他們的眼睛會(huì)感到有種無形的壓力，使得他們很難入睡。但是這個(gè)力非常的小，人們很難對其進(jìn)行有效的研究和利用。由上面推導(dǎo)的理論可以估算當(dāng)太陽垂直照射大地，若完全被吸收時(shí)，所產(chǎn)生的光壓僅約為0.6達(dá)因/，所以一般的照明燈的光壓就更小了。直到20世紀(jì)

5、60年代激光出現(xiàn)后，人們能夠利用它強(qiáng)大的光壓實(shí)現(xiàn)激光陷阱，利用激光陷阱可以加速、減速、改變、操縱甚至可以穩(wěn)定的俘獲粒子。2.2光鑷技術(shù)早在1968年，源于對原子操作的需要，蘇聯(lián)光譜學(xué)家Letokhov首先提出利用光場梯度力來限制原子的思想，但他并沒有研究出什么實(shí)質(zhì)性成果。后來美國bell實(shí)驗(yàn)室的A.Ashkin1969年開始關(guān)于光與粒子相互作用的研究， 并于1978年A.Ashkin提出了首個(gè)單光束梯度力陷阱的方案。在此之前早期的光學(xué)陷阱要么是由多光束會(huì)聚在一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，要么就是由與激光傳播方向相反的力與激光共同作用實(shí)現(xiàn)的。1986年A.Ashkin將單束激光引入高數(shù)值孔徑物鏡形成了三維光學(xué)勢阱就

6、此發(fā)明了激光光鑷術(shù)。用幾何光學(xué)模型(R-O模型)近似，光阱中微粒受到梯度力、散射力和合力用下面的關(guān)系式表示： ， ， 其中為有效折射率，無量綱因子表示各力隨光功率變化的比例系數(shù)，與微粒的幾何外形和微粒在光阱中的位置有關(guān)。要提高光阱的利用率就要提高，降低，從而提高。激光光鑷術(shù)(optical tweezers或laser traps)早期也叫激光捕獲術(shù),即利用聚焦的激光束鑷操縱細(xì)胞、細(xì)菌或原子等大約尺度在幾納米到幾十微米之間的微小粒子的一項(xiàng)全新的物理技術(shù)。激光光鑷技術(shù)可運(yùn)用的粒子非常的多，有：原子、大的分子、10納米10微米的小電介質(zhì)球、甚至還有像病毒、單細(xì)胞和細(xì)胞內(nèi)的器官等生命組成的小粒子。而

7、且激光操縱技術(shù)在很多微小粒子的研究領(lǐng)域、微機(jī)械領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用，尤其是生命科學(xué)研究中發(fā)揮著不可替代的作用。早期光鑷技術(shù)運(yùn)用于生命科學(xué)研究時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有很嚴(yán)重的損傷生命活體情況。人們分別從物質(zhì)微粒所處的介質(zhì)，光的波長，波面的光強(qiáng)分布，以及光的脈沖長短等角度出發(fā)解決了這個(gè)問題，使得激光陷阱更加的安全、穩(wěn)定、高效。隨著研究和利用的深入使得人們對光壓原理有了更深的理解，人們逐步認(rèn)識(shí)到光對物質(zhì)的力學(xué)作用，是光與物質(zhì)相互作用過程中動(dòng)量傳遞的結(jié)果。光作用到物質(zhì)上，物質(zhì)會(huì)對光產(chǎn)生折射、反射和吸收。當(dāng)把具有一定模式和能量的激光會(huì)聚到微米量級的光斑作用在物質(zhì)上，人們研究得到光線光學(xué)理論：若忽略物質(zhì)微粒對光

8、的反射和吸收，光對高折射的物質(zhì)微粒將產(chǎn)生三維指向光束焦點(diǎn)的梯度力，只要微?？拷馐裹c(diǎn)，該力就可以將數(shù)納米到數(shù)十微米的粒子推向光場最強(qiáng)處，并穩(wěn)定在那里，隨光束焦點(diǎn)的移動(dòng)而移動(dòng)。若物質(zhì)微粒對光全反射，則每根光線對微粒產(chǎn)生的力指向微粒的幾何中心，如果光束的焦點(diǎn)剛好在微粒（一般為球狀）的底部所處的平面，小球受到二維且指向光軸的力，否則力是背離光軸的。若物質(zhì)微粒對光強(qiáng)烈的吸收時(shí)，由于光場分布的非均勻性，光能被微粒吸收后，將在離子的內(nèi)部產(chǎn)生熱量梯度分布，越靠近光軸的溫度越高，由溫度梯度產(chǎn)生熱輻射力將把粒子推離光軸，也就是會(huì)排斥微粒。3.光鑷技術(shù)的應(yīng)用早在1970年光鑷技術(shù)的先鋒貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿什金(A.A

9、shkin)就利用多光束激光的三維勢阱成功鑷起并移動(dòng)水溶液中的小玻璃珠,之后這一激光鑷引起微粒的技術(shù)得到不斷改進(jìn),所能捕獲的粒子越來越小。美國Beckman研究中心以最快的速度將這項(xiàng)新技術(shù)與已經(jīng)成熟的激光微束光刀耦聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)細(xì)胞融合，并且利用這個(gè)方法研究人類精子的游動(dòng)，對細(xì)胞有絲分裂中后期的染色體進(jìn)行切割，對其的運(yùn)動(dòng)和分布進(jìn)行深入細(xì)致的研究。又是通過激光光鑷Stanford研究中心于1995年記錄到肌球蛋白沿肌動(dòng)蛋白絲是依序地以10nm的步距邁進(jìn)而不是一大步跨越，并且還用激光陷阱測定了此微動(dòng)力約為5pn這一研究平息了人們多年來對肌球蛋白運(yùn)動(dòng)模式的爭議，使得人類對生命中推動(dòng)力的核心的認(rèn)

10、識(shí)進(jìn)了一大步。此外激光陷阱技術(shù)在體外受精的輔助、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞熔解、染色體在細(xì)胞分裂時(shí)的運(yùn)動(dòng)等問題，以及地球引力給植物根帶來的影響方面的研究還在進(jìn)行中。以Missawa為代表的日本研究組在光阱應(yīng)用上另辟鼷徑，他們設(shè)計(jì)出了一種“分時(shí)裝置”使一束光可以形成多達(dá)八個(gè)獨(dú)立的光阱，能有效的控制粒子的流動(dòng)方向、大小以及粒子的空間圖案排布。他們的研究為光鑷技術(shù)在化學(xué)、物理、生物等領(lǐng)域的應(yīng)用開拓了先河。光鑷可以非接觸，無損傷地操縱活體物質(zhì)，并且它產(chǎn)生的皮牛數(shù)量級的力適合于生物細(xì)胞、亞細(xì)胞以及大分子的力學(xué)性質(zhì)的研究，所以光鑷越來越廣泛地在生命科學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用。光鑷不僅在生命科學(xué)中有著廣泛的運(yùn)用，在物理學(xué)中他同樣也發(fā)

11、揮著很重要的作用。利用激光陷阱可以使原子高密度的集在一起，而且我們可以觀察到大量的冷原子以1cm/s的速率運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在人們可以用光冷原子來記錄低溫，冷原子的技術(shù)還被設(shè)計(jì)應(yīng)用來提高原子鐘的精度?；谠摷夹g(shù)新型的更加精確的干涉計(jì)被開發(fā)出來，并已成功的提高了地球引力的測量精度；新的高精度的原子透鏡被發(fā)明了，并運(yùn)用在光束分析器上，使得一個(gè)新的領(lǐng)域原子光學(xué)誕生了；更高精度的平板印刷正在研究和開發(fā)中。最近，光鑷被用來研究Bose-Einstein凝聚物，Wolfgang Ketterle利用光鑷可以將Bose-Einstein凝聚物輸運(yùn)半米的距離。使用這種光輸運(yùn)法人們可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的原子激光器。光鑷還被用于研

12、究微粒的Brown運(yùn)動(dòng)，帶電粒子間的相互作用，以及帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。近年來人們又提出了用光鑷來引導(dǎo)微粒輸運(yùn)并且確定空間定位，排列或堆積，構(gòu)造二維或者三維的微結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)也有人從事微堆積的研究，比如利用光鑷制晶，我國目前天津大學(xué)對于該課題的研究處于前列。4.結(jié)束語光鑷技術(shù)從發(fā)明到如今得到了迅速的發(fā)展，控制粒子精度的從最初的微米發(fā)展到現(xiàn)今的納米數(shù)量級，并且在物理、生物、化學(xué)等多學(xué)科和微機(jī)械領(lǐng)域發(fā)揮著及其重要的作用，其中生命科學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用最為廣泛。現(xiàn)在雖然已經(jīng)有公司推出了光鑷系統(tǒng)的商業(yè)產(chǎn)品（Cell Robotics,Inc,Albuquerque,NM、SL.Inc）,但是由于其高昂的價(jià)格影響了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。目前，我國中國科技大學(xué)的李銀妹等教授正致力降低價(jià)格，使光鑷更易于構(gòu)建和操作方面的研究，并取得了一些進(jìn)展，由于所研究的對象不同對光鑷系統(tǒng)的配置及要求都不同。所以，適用面廣、操縱簡便的安全系數(shù)高的光鑷系統(tǒng)的開發(fā)之路還很長。參 考 文 獻(xiàn)1 A.Ashkin(1970) phys.Rev.Lett.24,156-1592A.Ashkin.Forces of a single beam gradient laser tra