第五組——光鑷技術(shù)的新應用(共32頁)

1、光鑷技術(shù)(jsh)的新應用紀美伶，白中博，王 娜，馬學進（西安交通大學生物醫(yī)學工程(gngchng)）摘 要 激光光鑷自從1986年發(fā)明以來，作為一種無直接(zhji)接觸、無損傷、可產(chǎn)生和檢測微小力以及精確測量微小位移的物理學工具，在生命科學等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本文從光鑷的誕生出發(fā)，簡要討論了光鑷的原理，光鑷裝置的基本結(jié)構(gòu)，并簡要介紹了各個種類光鑷的獨特功能以及基于光鑷的一些新技術(shù)，進而對光鑷技術(shù)及其刪除“及其”兩字在生命科學中的應用現(xiàn)狀和進一步發(fā)展作了評述和討論，闡述了光鑷在生命科學研究中的潛在地位和巨大的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞 光鑷；生命科學；原理；基本結(jié)構(gòu)；應用現(xiàn)狀；發(fā)展New Ap

2、plications of Optical TweezerJi Mei-ling,Bai Zhong-bo,Wang Na,Ma Xue-jinAbstract The optical tweezer technique has emerged as a flexible and powerful tool for exploring a variety of scientific processes such as life science since it was invented in 1986. From the birth of the optical tweezer, this p

3、aper will briefly discuss its working principle, its basic structure and introduce some kinds of optical tweezers with novel features or some new technologies based on it. Then its recent developments on both the technology and applications in life science will be reviewed. It is shown that optical

4、tweezer will have great potential in life science.Key words：optical tweezer; life science; principle; basic structure; application; development光鑷簡介一百年前，愛因斯坦提出的光量子學說最終導致了激光的誕生，20世紀60年代激光器的發(fā)明，使光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的力學效應真正走向?qū)嶋H的應用。20世紀70年代，美國貝爾實驗室的學者Arthur Ashkin等人1發(fā)現(xiàn)了激光具有移動微粒的能力，并首先提出利用光壓操控微小粒子的概念：在氬離子激光器發(fā)出的TEM00

5、模式激光束作用下，氬離子激光器發(fā)出的TEM00模式激光束照射到硅小球上硅小球在此處加入“會在”兩字橫向梯度力的作用下陷入光束中心，然后在光束散射力的作用下沿著光束傳播的方向加速運動；還發(fā)現(xiàn)了折射率低于周圍介質(zhì)的粒子（氣泡）會被激光束排斥，同時也會被激光束沿著激光傳播的方向加速。此處句子刪除其后 Ashkin 利用兩束相對照射的TEM00模式激光去捕獲改為“照射”高折射率粒子，發(fā)現(xiàn)粒子在激光橫向梯度力的作用下陷入光束中心，然后沿著光束傳播的方向運動到一個穩(wěn)定的平衡點停止下來，這樣粒子就被兩束相對照射的激光束穩(wěn)定捕獲了。這時它還不能稱之為光鑷，因為只能實現(xiàn)此處加入“對粒子”三字橫向二維捕獲，而在軸

6、向上由于強烈的散射力的存在無法實現(xiàn)捕獲。1971 年，Ashkin 和 Dziedzic 第一次使用了單光束捕獲粒子2。他們利用一束聚焦的 TEM00模式激光從下向上照射粒子，在軸向散射力的作用下粒子被頂起，同時粒子受到向下的重力作用。當粒子運動到平衡位置時，向上的散射力和向下的重力達到平衡，粒子在軸向上穩(wěn)定下來。在橫向上，由于光束的橫向梯度力始終指向光束中心，因此粒子被穩(wěn)定地捕獲在光束中心。這樣就形成了一個單光束懸浮光阱（opticallevitation trap）。此部分刪除在1986年，Ashkin發(fā)表了一篇具有深遠意義的論文3，標志著光鑷的誕生。在此文中Ashkin僅僅利用一束激光就

7、實現(xiàn)了在三維方向上捕獲電介質(zhì)粒子，而且在軸向上利用的是梯度力捕獲粒子，而非利用重力作用的懸浮光阱。實驗中Ashkin利用高度聚焦的單光束焦點形成的單光束梯度力勢阱（single beam gradientforce trap），在水中成功地捕獲了直徑從 25nm 到 10m 的電介質(zhì)粒子，且在橫向和軸向上所施加的捕獲力都來自于光場梯度力。由于這種單光束梯度力勢阱在軸向上的梯度力足夠大，超過了散射力，占據(jù)了主導地位，加入“因此”形成了一個穩(wěn)定的三維勢阱，可以像一個鑷子一樣任意捕獲并移動電介質(zhì)粒子，可以改為“并且可以”在基本不影響周圍環(huán)境的情況下對捕獲物進行亞接觸性、無損活體操作，因此又被形象地稱

8、作光鑷（opticaltweezers）。近30年來光鑷技術(shù)(jsh)的研究和應用得到了迅速的發(fā)展，由于其在捕獲操縱粒子時具有非接觸性、無機械損傷、精確定位改為“且能夠?qū)αＷ泳_定位”等特點，使光鑷在各個領(lǐng)域，特別是生命科學領(lǐng)域，已成為研究單個細胞(xbo)和生物大分子行為不可或缺的有效工具4，在生物分子的操控和生物分子的動力學研究方面發(fā)揮了重大作用(zuyng)，正逐步成為研究活體生物功能內(nèi)在機制和疾病診斷、治療的重要工具。因此，本文將光鑷的基本裝置、分類及其在生物科學領(lǐng)域的應用等方面作簡單介紹與系統(tǒng)地綜述?；驹砉饩哂心芰亢蛣恿扛臑椤肮獠粌H具有能量，而且具有動量”，攜帶動量的光與物質(zhì)相互

9、作用時會有動量的傳遞，從而表現(xiàn)為光對物體施加一力改為“施加了力”，并由此引起物體的位移和速度的改變，加入“這種現(xiàn)象”稱之為光的力學效應。如圖1所示，一束激光被透鏡聚焦后射到透明介質(zhì)球上，經(jīng)介質(zhì)球兩次折射后，光子動量發(fā)生變化，這種變化反作用于小球，表現(xiàn)為對小球的反作用力，該力的大小正比于光的強度梯度，合力F方向指向光束焦點。這種由于光場強度分布不均勻而產(chǎn)生的力，稱為梯度力。光鑷是改為“正是”依靠光的梯度力形成的，當達到改為“在”焦點附近的梯度力大于散射力時才能改為“會”形成一個穩(wěn)定的三維光學勢阱來穩(wěn)定地捕獲生物粒子，這一穩(wěn)定的三維光學勢阱是由一束激光通過一個短焦距透鏡匯聚來實現(xiàn)的。此句話刪除由圖

10、1可知改為“還可得知”，無論入射光從法線之上還是之下入射小球，小球受到合力方向均指向焦點（）中光場梯度力指向焦點位置，因而可被穩(wěn)定捕獲，并進而實現(xiàn)對它的操控此部分刪除。 圖1 電解質(zhì)小球(xio qi)的光捕獲機理示意圖4當光束a和b經(jīng)透鏡折射(zhsh)，其折射光產(chǎn)生的力分別為和，合力F指向(zh xin)焦點。無論a、b兩束光從法線之上（A）還是之下（B）入射，電解質(zhì)小球所受合力方向均指向焦點此部分是圖1的解釋，不是正文內(nèi)容基本組成裝置光鑷系統(tǒng)通常是由激光光源、激光擴束濾波光路、光鑷移動控制環(huán)節(jié)、位移檢測傳感部分和傳統(tǒng)光學顯微鏡組成，再配上CCD和計算機，用來觀察、監(jiān)測和記錄實驗過程5。光

11、鑷的簡易結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 光鑷實驗裝置簡易圖7 BE為beam expander，即激光擴束；MO，microscope objective，物鏡；DM，dichroic mirror，分光鏡，樣品至于載物臺上。激光光源為半導體激光器，激光光束經(jīng)顯微鏡內(nèi)的一片雙向分束器反射，進入100倍油浸物鏡，再會聚到觀測點上形成光鑷。圖像被一個極敏感的CCD攝像機準確的記錄以及改為“并”傳輸?shù)诫娔X端顯示。樣品池置于自動或手動操縱平臺上，自動操縱平臺由計算機控制其在三維方向以微米精度運動，通過控制自動平臺使被捕獲粒子相對于樣品池移動，從而實現(xiàn)對粒子的操控，所有的觀察和測量都是在實驗室的室溫下進行的8。此

12、句話刪除由光鑷的基本(jbn)裝置可以看出，光鑷對微粒的捕獲和操作是無損的，不會干擾其正?；顒樱尤搿耙虼恕笔茄芯可镂⒘ｌo態(tài)和動態(tài)力學特性(txng)的理想手段。光鑷的分類(fn li)經(jīng)過近30年的發(fā)展改為“近三十年來”，光鑷技術(shù)得到了極快的發(fā)展。由過去簡單的單光鑷演化出了許多其他的類型，極大地擴大了改為“擴展了”光鑷技術(shù)在現(xiàn)代科學技術(shù)領(lǐng)域的應用。多光鑷系統(tǒng)（又稱陣列光鑷） 對于生物微粒，常常需要研究它們彼此之間的相互作用，因此為適應相關(guān)的復雜操控的需要，多光鑷技術(shù)產(chǎn)生并發(fā)展起來。多光束光鑷是指一次可以形成多個光阱，同時捕獲并操縱多個粒子的光鑷。與一次只能捕獲一個微粒的單光束光鑷相比，多光

13、束光鑷不僅可以同時產(chǎn)生多個光阱，同時捕獲并操縱多個粒子，而且可以實時控制光阱的排列位置改為“方式”，大大提高了實驗效率，且使入射在微粒上的激光強度分散，降低了光損傷的可能性。目前已有多種產(chǎn)生多光束光鑷的方法，其中研究最多的、應用的最為廣泛的方法是全息衍射法（全息光鑷）和分時復用法（掃描光鑷）這兩種方法此部分刪除。全息光鑷全息光鑷是利用光學衍射的方法產(chǎn)生多光點陣列。關(guān)鍵技術(shù)在于光學衍射元件（DOE）的應用。一般來說，用作全息光鑷的光學衍射元件是空間光調(diào)制器（SLM）上加載的計算全息圖（CGH），加入“空間光調(diào)制器”應用最多的是液晶空間光調(diào)制器。圖3中的裝置就是采用改為“采用的就是”反射式液晶空間

14、光調(diào)制器。其基本原理是通過計算機產(chǎn)生的全息圖加載到空間光調(diào)制器上，激光束經(jīng)擴束準直后入射到空間光調(diào)制器上，經(jīng)衍射被調(diào)制成為所需要的光強分布，再通過一個望遠鏡系統(tǒng)將光束收集進入顯微物鏡，在顯微物鏡的焦平面上得到所需要的光點陣列。每一個光點相當于一個光學勢阱，從而可以同時并行地捕獲和操作多個微粒，加入“而且可以”通過編程改變?nèi)D來改為“進而”改變光點陣列的結(jié)構(gòu)。因為采用SLM可以產(chǎn)生排列變化的光阱陣列，此句刪除所以又稱其為動態(tài)全息光鑷。動態(tài)全息光鑷的光學捕獲和操控性能僅受SLM的光學特性和所產(chǎn)生的全息圖計算時間的限制。 圖3 全息(qunx)光鑷裝置9根據(jù)不同(b tn)的全息圖記錄方式，全息光

15、鑷有兩種光路：菲涅耳型光路和傅里葉型光路，如圖 4所示9-10。菲涅耳型光路使用的全息圖是菲涅耳全息圖，是在被照明物體的菲涅耳衍射區(qū)內(nèi)記錄的；傅里葉型光路使用的是傅里葉全息圖，記錄位置位于(wiy)傅里葉變換平面。 （a） （b）圖4 全息光鑷的兩種典型光路10-11：（a）傅里葉型光路；（b）菲涅耳型光路圖5給出了 Jesacher 等人利用全息光鑷產(chǎn)生的圓形、橢圓形、五邊形、笑臉等一系列復雜光阱，并成功地捕獲了多個粒子，使其在光阱中做逆時針運動。圖5 全息(qunx)光鑷產(chǎn)生的陣列光阱12-13從上到下：傅里葉平面光場分布、物鏡焦平面光場分布、被捕獲粒子(lz)在光阱中的運動方向分時掃描(

16、somio)光鑷技術(shù)全息光鑷受空間光調(diào)制器透過率及衍射效率的限制，通常需要使用瓦級的大功率激光器才能產(chǎn)生足夠強度的多光阱陣列。與之相比，分時掃描光鑷由于采用單光束掃描刪除在光束偏轉(zhuǎn)器的作用下，在焦平面上快速掃描，以達到多光束的效果，所以光強損失小，可以使用較低功率的激光器。分時掃描光鑷的核心部件是光束偏轉(zhuǎn)器來實現(xiàn)改為“光束偏轉(zhuǎn)器，用它來實現(xiàn)”光束的高速偏轉(zhuǎn)。激光束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)器在顯微物鏡的像平面上快速掃描，通過計算機控制光束的行走路徑，也可以使激光束在幾個固定點之間快速切換。當光點在各個微粒上的作用時間大于最小停留時間，而離開時間小于粒子的布朗運動時間時，粒子可以被束縛在光點掃描路徑上，排布成各種

17、圖案，或者在幾個固定點上同時捕獲粒子。通過控制光束的掃描速度，還可以使被捕獲的粒子沿光束的掃描軌跡運動。圖6 掃描(somio)光鑷示意圖14 分時掃描光鑷的缺點是可同時(tngsh)捕獲的粒子數(shù)目不多。當需要同時捕獲的粒子數(shù)很多時，這種方法就不適用了。掃描光鑷的另一個缺點是不能產(chǎn)生三維光點陣列。美國 Illinois 大學的 Timp 教授(jioshu)14對這種方法進行了改進，使用高速的聲光偏轉(zhuǎn)器產(chǎn)生2121的二維光點陣列，同時捕獲了441個Pseudomonas aeruginosa細胞。加入“特別地，”他們將掃描技術(shù)與空間光調(diào)制器技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了333的三維光點陣列，可同時捕獲 2

18、7 個細胞，在空間排列成方陣，用來研究細胞間信號傳遞。他們的方法是使用高速的聲光偏轉(zhuǎn)器先在平面上掃描出33的二維點陣，再通過計算機控制空間光調(diào)制器使其相當于一個菲涅爾透鏡，沿光束傳播方向產(chǎn)生三個焦平面，從而得到 333 的三維光點陣列，如圖7所示。由于聲光偏轉(zhuǎn)器和空間光調(diào)制器都可編程控制，因而可以產(chǎn)生任意結(jié)構(gòu)的二維或三維光點陣列。 圖7 使用掃描技術(shù)與空間光調(diào)制器技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的三維光點(un din)陣列捕獲細胞15光纖光鑷利用光纖傳輸激光具有在短程內(nèi)損耗很低的優(yōu)勢，且出射的激光光場仍然呈現(xiàn)一定特性(txng)分布15。光纖光鑷是指用光纖代替顯微物鏡形成會聚光束，用光纖頭出射具有高度光強梯度

19、分布(fnb)的光束來捕獲粒子的光鑷16。與傳統(tǒng)的光鑷不同，光纖光鑷不需要擴束鏡對激光束擴束，也不需要顯微物鏡對激光束聚焦，捕獲系統(tǒng)的光路與光學成像光路相互獨立，且結(jié)構(gòu)比較簡單，光纖頭通過機械裝置控制，可以插入樣品溶液中對粒子進行近距離的操縱，加入“因此”適合用于生物活體組織、渾濁溶液等傳光性不好的環(huán)境中。缺點是操作時光纖頭需要浸入樣品溶液，會對樣品造成污染，而且會影響光纖頭的使用壽命。另外光纖頭通過機械裝置控制，不能通過空間光調(diào)制器或者光束轉(zhuǎn)折器來控制光阱運動進行靈活操控。光纖光鑷兩種改為“光纖光鑷根據(jù)端口形狀分為兩種”，如圖8所示。 圖8 光纖光鑷端口的兩種形狀。（a）平端面；（b）錐形自

20、透鏡端面。平端面光纖光鑷的光纖頭端面是與光纖垂直的平面，Constable等人17利用這種平端面光纖光鑷首次成功地捕獲了尺寸在 0. 1-10m 范圍內(nèi)的聚苯乙烯小球和酵母菌細胞。對于尺寸小于 1m 的粒子，其橫向捕獲能力比傳統(tǒng)的光鑷系統(tǒng)提高3-5個數(shù)量級，但是軸向捕獲能力比較弱，捕獲時需要使用兩根光纖相對照射。錐形自透鏡端面光纖光鑷的光纖頭端面經(jīng)過精細打磨，形成逐漸變細的半球狀或錐形，從該端面出射的激光束有一定的聚焦效果，改善了平端面光纖光鑷軸向捕獲力較差的問題。Taguchi 等人18利用單根圓錐形頭的單模光纖成功(chnggng)地捕獲聚苯乙烯小球和酵母菌細胞。Masahiro 等人19

21、利用(lyng)三根錐形的光纖頭實現(xiàn)了對桿形物體的旋轉(zhuǎn)。通過改變?nèi)齻€光纖頭不同的輸出功率，可以任意控制桿形物體的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，如圖9所示。 圖9 三根錐形光纖光鑷對感性(gnxng)物體的旋轉(zhuǎn)20飛秒激光光鑷飛秒激光是一種以脈沖形式運轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時間非常短，只有幾個飛秒，但具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，它作用于物質(zhì)的非線性效應強，熱效應小，幾乎不會傷害周圍區(qū)域的生物組織，因而具有極高的空間分辨率20-21。天津大學首先提出了飛秒激光光鑷的概念。他們提出飛秒激光光鑷與連續(xù)光光鑷不同的是在飛秒光鑷中作用在粒子上的光學梯度力是脈沖式23。在研究應用方面，瑞典 Malmqvist 等人

22、23采用高平均輸出功率的飛秒激光作為光鑷光源，成功地捕獲了非線性介質(zhì)顆粒，同時還實現(xiàn)了二次諧波的產(chǎn)生。英國圣安德魯斯大學的 Agate等人24采用飛秒激光光鑷實現(xiàn)了對染料標記的聚合物小球的捕獲，并且研究了小球的雙光子熒光發(fā)射特性。國內(nèi)也采用自行搭建的飛秒激光光鑷實現(xiàn)了對人體血紅細胞的穩(wěn)定捕獲，并做了許多飛秒激光捕獲能力和其他方面的理論研究工作。比如，王清月領(lǐng)導的課題組以高重復率飛秒激光為光源對血紅細胞、白細胞、聚苯乙烯微球、病毒等均實現(xiàn)了穩(wěn)定捕獲，并比較了飛秒激光與連續(xù)激光的捕獲能力25。（4）特殊光束光鑷 特殊光束光鑷是采用一些特殊模式的激光以產(chǎn)生特殊的捕獲效果的光鑷。通常采用比較多的有柱對

23、稱矢量光束、貝塞爾光束、渦旋相位光束、線形光束等。比如，普通的光鑷對于折射率高于周圍介質(zhì)的電介質(zhì)粒子的作用力是吸引力，而對折射率低于周圍介質(zhì)的電介質(zhì)粒子的作用力是排斥力，因此只能捕獲折射率高于周圍介質(zhì)的高折射率粒子。而方位角偏振光束（柱對稱矢量光束的一種）聚焦時焦點處的光強分布呈現(xiàn)空心結(jié)構(gòu)，如圖10所示，所以采用此光束產(chǎn)生的空心光阱就可以把低折射率粒子囚禁在空心處26。圖10 方位角偏振光束聚焦后的空心(kng xn)結(jié)構(gòu)，可以用來捕獲低折射率粒子26。普通(ptng)的高斯光束并不攜帶軌道角動量，因此難以旋轉(zhuǎn)粒子。Allen等人27利用方位角方向變化的相位(xingwi)片（螺旋相位片）產(chǎn)生

24、了 Laguerre-Gaussian 光束（LG 光束）。這種光束具有螺旋波陣面，攜帶軌道角動量。當 LG 光束與粒子交換角動量時，就可以使粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖11給出了 Allen 利用角向變化的相位片把入射的TEM00光束變成具有螺旋相位的 LG光束，并實現(xiàn)驅(qū)動膠體粒子做圓周運動。圖11利用(lyng)方位角方向變化的相位片產(chǎn)生具有軌道角動量的螺旋相位光束用來旋轉(zhuǎn)粒子28。TEM00高斯光束(gungsh)通過相位片變成具有螺旋相位的 LG 光束；螺旋(luxun)相位光束聚焦后并非一點，而是一個光學渦旋，其半徑與螺旋相位的螺距成比例；當單個膠體粒子陷入光學渦旋后，在軌道角動量的驅(qū)使下，粒子

25、繞著中心做軌道運動。采用方位角方向變化的相位片可以產(chǎn)生螺旋相位光束，利用徑向變化的相位片可以產(chǎn)生一種具有沿光束傳播方向保持光束直徑不變的貝塞爾光束（Bessel beam）。貝塞爾光束的橫向光場分布是同心圓結(jié)構(gòu)。零階貝塞爾光束的中心是一個亮斑，聚集了光束的大部分能量，可以用來捕獲折射率大于周圍液體的透明粒子。高階貝塞爾光束的中心是一個暗斑，隨著階數(shù)的增加暗斑半徑也隨之增加，這個暗斑就可以看作是一個光學陷阱。對折射率小于周圍液體的透明粒子或非透明的吸收型粒子，在這個陷阱中會受到指向暗斑中心的梯度力，從而被囚禁在暗斑中心。Garces-Chavez 等人28利用(lyng)貝塞爾光束在軸向上同時捕

26、獲多個粒子，并且實現(xiàn)了把粒子沿軸向推斥了很長一段距離（3mm），圖12所示。圖12 空間無衍射的貝塞爾光束可以再軸向上(xingshng)同時捕獲多個粒子28納米(n m)光鑷生物大分子的尺度多為納米量級，因此對它們的操控以及它們在動態(tài)過程中涉及的位移測量應達到納米精度，相互作用力的檢測也要達到皮牛（pN）量級。加入“為了”完成這樣的研究目標，即在單分子水平上探索生命運動的規(guī)律，納米光鑷技術(shù)成長并發(fā)展起來，加入“并迅速”成為實現(xiàn)單個生物大分子的納米精度操控與定位，納米位移和皮牛力的測量的重要工具29。 相比于傳統(tǒng)光鑷，首先納米光鑷所能操控的對象的尺度延伸到了納米量級；其次是光鑷阱位或改為“以及

27、對”微粒的操控定位達到了納米精度。更重要的是位移測量達到了納米精度，但是在納米光鑷技術(shù)中生物大分子位移的測量是仍然是通過測量光鑷可操控的剛性“手柄”小球的位移間接測量的。因為光學成像方法分辨能力受波長限制，但改為“目前只有對”剛性小球這種尺度的定位精度可以達到納米量級。最后，對生物分子間相互作用相聯(lián)系的微小力的實時測量技術(shù)已經(jīng)建立起來了。從飛牛（f N）到上百皮牛（pN），這種微小力的測量關(guān)鍵是力的標定?？紤]到光阱中心附近，勢阱很類似于簡諧勢，加入“因此”只要標定了光阱的剛度，測出被捕獲粒子偏離阱中心的距離，就可算出粒子受到的阱力，并由此得出粒子所受外力加入“的大小”。 加入“目前，”納米光鑷

28、技術(shù)已基本成熟。因其在微觀生物學研究中的重要作用，它改為“也”受到國際科技界越來越廣泛的關(guān)注，國內(nèi)外一些著名的大學和實驗室都已經(jīng)或計劃開展利用加入“納米”光鑷進行單個生物大分子的研究。基于光鑷的新技術(shù)（1）光致旋轉(zhuǎn)(xunzhun) 早期的光鑷光鑷只利用了光的線性動量，其實光在一定條件下還帶有角動量，光在與物質(zhì)相互作用使光束的偏振態(tài)發(fā)生變化時，就會與物體或微粒有相應的角動量的交換，從而使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動，這種光的力學效應(xioyng)，稱為光致旋轉(zhuǎn)。光致旋轉(zhuǎn)的方法有很多。主要有類風車微粒(wil)旋轉(zhuǎn)法，圓偏振光旋轉(zhuǎn)雙折射粒子法，特殊激光模式法等。1）類風車微粒旋轉(zhuǎn)法類風車微粒旋轉(zhuǎn)法使用形狀如風

29、車狀的微粒，其原理是利用光壓的作用。光壓力作用在風車狀微粒上會產(chǎn)生扭矩從而使微粒旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與光強成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于微粒本身形狀。這方面的研究以匈牙利科學院Ormos等31的工作為代表。這種光致旋轉(zhuǎn)需要的特殊結(jié)構(gòu)的微粒必須通過精密的微加工技術(shù)制作，成本較高。2）圓偏振光旋轉(zhuǎn)雙折射粒子法圓偏振光旋轉(zhuǎn)雙折射粒子法的基本原理是：圓偏振光的每個光子具有大小為1h的自旋角動量，當其穿過透明的雙折射微粒后，光束中光子的自旋角動量發(fā)生改變，根據(jù)角動量守恒定律，雙折射微粒將從光束獲得相應的角動量并產(chǎn)生圍繞自身光軸的旋轉(zhuǎn)。當微粒厚度相當于入射激光1/4波長的厚度時，產(chǎn)生的扭力矩達到最大值，而且左旋與右旋圓偏

30、振光會分別導致微粒的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。由于粒子對于光束是透明的，增加激光功率不會產(chǎn)生很高的熱效應，可以實現(xiàn)很高的旋轉(zhuǎn)頻率。該方法的缺點是僅適用于雙折射粒子而且對粒子的厚度有要求。澳大利亞昆士蘭大學的Nieminen等人32用這個方法實現(xiàn)了雙折射CaCO3的旋轉(zhuǎn)，在激光功率為300 mW時（波長1064 nm），最大旋轉(zhuǎn)頻率達到350Hz。圖13為姚保利等人實驗實現(xiàn)的CaCO3的旋轉(zhuǎn)。圖13 CaCO3微粒的光致旋轉(zhuǎn)33使用線偏振光也可以實現(xiàn)某些微粒的光致旋轉(zhuǎn)。例如碟狀和棒狀的微粒，當它們被捕獲在線偏振光的光阱中后，其長軸方向總是與線偏振光偏振方向保持一致。這時，如果使用半波片連續(xù)改變線偏振光

31、的偏振方向，微粒就會隨之旋轉(zhuǎn)。如圖14所示，澳大利亞昆士蘭大學Nieminen等使用此方法旋轉(zhuǎn)了菠菜葉綠體34。 圖14 菠菜(bci)葉綠體在線偏振光作用下的光致旋轉(zhuǎn)34 上述幾種光致旋轉(zhuǎn)方法都對粒子本身的結(jié)構(gòu)(jigu)和形狀有嚴格的要求，屬于特殊粒子旋轉(zhuǎn)法，不適用于任意粒子的光致旋轉(zhuǎn)。而特殊激光模式法則可以實現(xiàn)對任意粒子的光致旋轉(zhuǎn)。它利用的是某些具有軌道角動量的特殊模式的光束，這種能使粒子旋轉(zhuǎn)的光束被人們形象地稱為光板手（Optical Spanner）。例如前面介紹的具有螺旋波陣面的拉蓋爾-高斯光束（L-G），波陣面呈螺旋狀，具有圓形截面，沿光軸光場強度為零。拉蓋爾-高斯光束中每個光子

32、都具有大小為lh的軌道角動量，當其照射到粒子上時(shn sh)，粒子可以吸收獲得光束的軌道角動量，產(chǎn)生自轉(zhuǎn)35-36。這種方法原則上適用于各種粒子，但轉(zhuǎn)速高低取決于粒子吸收入射光軌道角動量的大小。增加入射光強有可能導致很高的熱效應，而且由于吸收產(chǎn)生的軸向散射力也會影響光鑷的捕獲，從而限制了粒子的旋轉(zhuǎn)頻率。 利用圓柱狀石英在光鑷中形成的光扳手，美國康奈爾大學的C. Deufel等人37觀測了雙螺旋DNA形成超螺旋結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的扭力和相變的過程。比較上述幾種光致旋轉(zhuǎn)法可以看出，它們各有其優(yōu)缺點和適用范圍，在實際應用中應根據(jù)需要選擇適合的方法。光致旋轉(zhuǎn)技術(shù)可以用于驅(qū)動微機械裝置，是實現(xiàn)微機械馬達的有

33、效手段。在細胞生物學中還可以用來研究旋轉(zhuǎn)分子馬達的特性。（2）光鑷成像系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)納米光鑷技術(shù)成為當前光鑷技術(shù)發(fā)展的一個主要方向，對于納米光鑷技術(shù)，生物粒子的尺度為納米量級，因此，必須發(fā)展相應精度的物理技術(shù)和方法，特別是生物粒子的精確操控與定位、位移測量和皮牛量級力的檢測等，這些功能主要通過光鑷成像系統(tǒng)實現(xiàn)。因此，設計合理的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并增強其數(shù)據(jù)分析處理能力是光鑷技術(shù)發(fā)展中的重要內(nèi)容之一。 周哲海等人53搭建了一套遠場光鑷和計算機控制的三維平移臺，實現(xiàn)了納米位移，并設計了光學成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了高質(zhì)量捕獲粒子成像，并編寫了一套圖像處理軟件，實現(xiàn)了粒子計數(shù)、位置測量及粒子圓度計算等功能。實驗結(jié)

34、果表明，該成像系統(tǒng)可實時獲取捕獲的納米尺度微小粒子的位置及位移信息，為進一步實現(xiàn)皮牛頓力的精密測量奠定基礎。系統(tǒng)主要由兩部分組成，即實現(xiàn)粒子捕獲的粒子捕獲系統(tǒng)和實現(xiàn)捕獲粒子成像及分析的成像系統(tǒng)。（3）光鑷與其他技術(shù)結(jié)合光鑷作為一種光學技術(shù)，很容易與其他光學技術(shù)耦合，從而具有更完善的功能，成為更加強大的組合研究工具。光鑷與激光光刀的結(jié)合激光光鑷用作光學微機械手，用來實現(xiàn)對微小“工件”的夾持、操控，而激光光刀則用作光學微刀具，實現(xiàn)對工件的顯微加工，切割、消融、穿孔等。這樣的系統(tǒng)構(gòu)成(guchng)了用光學夾具和刀具做成的全光學機器，是對生物微粒進行微操控和微加工的理想手段，飛秒光刀的應用最為廣泛3

35、8。利用飛秒脈沖激光的多光子燒蝕效應，可以切除掉目的基因或組織后，再觀察(gunch)生物體沒有這些細胞和組織后的機能變化，從而確定單個細胞或組織的功能39；光鑷也可以用來挑選待融合的特定細胞，并把它們拖到一起(yq)相互接觸，再用光刀作用于二者的接觸面，誘發(fā)細胞融合，這種方法的融合產(chǎn)物具有高的純度。此外，激光操縱細胞技術(shù)是當前最先進的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，利用光鑷與光刀將DNA導入細胞而實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移，可大大提高成功率40。Seeger等人41利用光鑷和光刀偶聯(lián)已成功實現(xiàn)了染色體的精細切割和高效收集以及植物原生質(zhì)的融合。 哈佛大學的Mazur 等人42-44使用飛秒激光與光鑷相結(jié)合，從單個細胞器到多細胞

36、組織這個范圍內(nèi)對生物樣品進行了精確切除。光鑷與高空間分辨率技術(shù)的結(jié)合光鑷與具有高空間分辨率本領(lǐng)的技術(shù)結(jié)合，使之具備了更精細的結(jié)構(gòu)分辨能力和動態(tài)操控能力，目前，國際上Coirauh. C等人45已成功地將原子力顯微鏡和光鑷技術(shù)相結(jié)合，為研究生物分子提供了更準確、更可靠的方法。光鑷與拉曼光譜的結(jié)合當一種頻率的光照射到某種分子時被散射，散射光的頻率不同于入射光的頻率，這種現(xiàn)象稱為拉曼散射。拉曼散射產(chǎn)生的原因是分子轉(zhuǎn)動能級和振動能級在外界光場作用下發(fā)生躍遷。拉曼散射光譜可提供樣品分子結(jié)構(gòu)的信息，而且具有無接觸、非破壞、微量檢測、快速、高精度等優(yōu)點，在生物學領(lǐng)域得到了廣泛的應用。激光光鑷拉曼光譜系統(tǒng)就是

37、將激光光鑷與拉曼光譜相結(jié)合的一項光學技術(shù)，可以在接近自然的生理狀態(tài)下研究單個生物細胞的識別及其構(gòu)成成分的檢測。通過調(diào)節(jié)激光強度，使光鑷和拉曼光譜結(jié)合應用。如圖15所示，當激光功率較小時，可被用作光鑷，將生物微粒捕獲在光束焦點處，與載玻片不接觸，保持生物微粒的周圍近似的天然微環(huán)境。當需要測量拉曼光譜時，瞬間增大激光功率，對所捕獲的生物粒子的拉曼光譜進行測量。圖15 光鑷拉曼光譜系統(tǒng)(xtng)光路圖46美國(mi u)東卡羅萊納大學物理系47成功地利用共焦拉曼光譜技術(shù)(jsh)與光鑷技術(shù)的結(jié)合技術(shù)，測量了單個細胞的拉曼光譜。光鑷拉曼光譜系統(tǒng)近年來得到了非常廣泛的應用。國內(nèi)方面，吳智輝等人48利用

38、激光光鑷拉曼光譜系統(tǒng)，分別測定了健康者紅細胞與心率失常患者及心肌梗塞患者紅細胞的拉曼光譜，并進行了比較。梁裕芬等人49應用光鑷拉曼光譜技術(shù)比較分析陰道毛滴蟲和口腔毛滴蟲的拉曼吸收峰，尋找具有分類學鑒別價值的特征拉曼峰。中國科學院動物研究所王雁軍等人50應用激光光鑷喇曼光譜技術(shù)檢測分離到單個胎肝干細胞和肝實質(zhì)細胞，以及WB-F344大鼠肝干細胞系細胞，并比較了胎肝干細胞和肝實質(zhì)細胞的喇曼光譜，結(jié)果表明激光光鑷喇曼光譜系統(tǒng)可以鑒別不同孕期的胎肝細胞和成體肝實質(zhì)細胞，分析胎肝干細胞的分化機理，為臨床應用肝干細胞治療奠立基礎。光鑷與微流控芯片的結(jié)合在生命科學研究領(lǐng)域中，經(jīng)常需要從混有多種不同類型和不同

39、形態(tài)的細胞樣品中分離出某種特定的細胞或細胞器。尤其是在研究微量樣品時，由于樣品的量少而珍貴，精確分選成為研究工作中的主要難題之一。現(xiàn)有的的分選技術(shù)大都效率比較低，且除了通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)使其轉(zhuǎn)錄綠色熒光蛋白等發(fā)光蛋白外，大多數(shù)情況下被分選后的細胞不能進行后續(xù)培養(yǎng)51。 隨著光鑷技術(shù)的發(fā)展，它對樣品實現(xiàn)非接觸的彈性控制、無機械損傷、可無菌操作的優(yōu)勢日益顯著，而陣列光鑷的發(fā)展更是突破傳統(tǒng)光鑷只能控制單個微粒的限制，實現(xiàn)在一個平面上對多個細胞的捕獲和分離，其靈活性、精確性和高效性備受矚目；另一方面，隨著微全分析系統(tǒng)的發(fā)展，微流控芯片技術(shù)在樣品預處理、分離和檢測等方面取得了質(zhì)的飛躍，其分析的高效、多功能、

40、微型化、低成本等優(yōu)勢，成為芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)的重要研究方面。因此，將多光鑷系統(tǒng)與微流控芯片技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢而組成的微粒分選系統(tǒng)則成為進行少量細胞樣品分選的最有希望的方法。Mirsaidov等人52通過將微流控系統(tǒng)與分時光鑷結(jié)合，成功構(gòu)建了人工合成組織。微流控系統(tǒng)用于將細胞導入組織裝配區(qū)，分時光鑷用于將細胞組裝成為復雜的培養(yǎng)組織，之后細胞被包裹在模擬細胞外基質(zhì)的可光聚合水凝膠中。光鑷技術(shù)在生命科學領(lǐng)域(ln y)的應用光鑷的發(fā)明(fmng)使光的力學效應走向了實際應用，使人們對微粒進行主動地捕獲并操控，光鑷在捕獲微小粒子、測量微小作用力及生產(chǎn)微小器件等許多方面(

41、fngmin)都有非常重要的意義，而生物細胞的尺寸正好適合于光鑷操控。對生物微粒的微操作固定、懸浮、分選自光鑷問世，就被用來操控生物微粒，使得這些微粒能穩(wěn)定地處在顯微鏡的視場中，穩(wěn)定地停留在樣品池中供研究者觀察。1987年，A. Ashkin等54用光鑷對病毒和細菌進行了捕獲和操作實驗，使其穩(wěn)定懸浮在溶液中，且發(fā)現(xiàn)對其沒有明顯損害。燕山大學呂巍等人55在毛細管中對生物細胞進行了光微操縱實驗，實現(xiàn)了光鑷沿光束縱向和橫向操作毛細管中的生物細胞。Min Gu等人56利用大數(shù)值孔徑的物鏡對環(huán)形光束進行會聚，在玻璃-溶液界面發(fā)生全反射，不僅實現(xiàn)了對直徑為2m 的微球的捕獲，而且對紅細胞進行了拉伸、折疊和

42、旋轉(zhuǎn)等操作。Murugan等人57利用微米級光纖光鑷實現(xiàn)了對直徑為10m 的聚苯乙烯微球的捕獲。微米級光纖光鑷是利用錐形光纖表面的倏逝場來實現(xiàn)對微粒的捕獲和操縱。趙宇等人58把直徑為125m 的普通單模光纖拉制成錐腰直徑為2m 的錐形光纖，實驗中發(fā)現(xiàn)當光纖通光時，在光纖錐區(qū)倏逝場的作用下，直徑3m 的聚苯乙烯微球會保持平衡狀態(tài)，并且光纖附近的微球被吸引到光纖表面，以5. 3m /s的速度沿著光束的傳播方向運動。這個實驗不僅實現(xiàn)了對微球的成功捕獲，而且驗證了光纖光鑷的力學作用。 光鑷技術(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用，僅限于體外的單分子和細胞研究。中國科大光學與光學工程系李銀妹課題組與上海交大魏勛斌教授合

43、作首次實現(xiàn)了光學捕獲活體細胞，為活體研究和臨床診斷提供了一種全新的技術(shù)手段59。研究人員用光鑷穿過小鼠耳朵真皮層，到達深度約50微米毛細血管中，成功捕獲和操控血管中的紅細胞。課題組運用光鑷技術(shù)，人為制造出了血管堵塞現(xiàn)象。針對血管中細胞團簇，課題組拖拽其中一個細胞引導疏通，使得血液流動恢復正常。分選：利用光鑷，可以實現(xiàn)高選擇性地分選微粒。由于不同種細胞的體積、質(zhì)量、形狀和折射率的不同，在三維光鑷陣列中所受的力的大小和方向各不相同，分別形成不同的運動軌跡，從而實現(xiàn)快速分流。英國St. Andrews大學的Dholakia等60設計了一種新型的微流體器件，利用外加光場和微流的作用，實現(xiàn)了兩種不同微粒

44、的分離實驗，分離效率大95%，實驗原理如下圖16所示。B區(qū)中混合有紅細胞和淋巴細胞兩種微粒，在水流作用下流入分餾室。在沒有外加光場時，B區(qū)中的兩種細胞會全部流入D區(qū)。利用衍射分光元件產(chǎn)生同心非共面五光束干涉，在空間形成周期為微米量級的三維光點陣列，照射到分餾室上，由于兩種細胞體積、質(zhì)量、折射率等的差異，它們在三維光阱陣列受力的大小和方向也不同，所以在光場中的運動軌跡也不同。在外界光場和內(nèi)部水流的作用下，分餾室中的紅細胞和淋巴細胞實現(xiàn)了分離。圖16 光致分選技術(shù)實現(xiàn)(shxin)微流體中兩種細胞快速分離的實驗原理圖60 Grover等61使用兩束相反方向的激光，在光捕獲的基礎上，通過圖像處理系統(tǒng)

45、區(qū)分紅細胞、白細胞和血小板，并最終將分選好的各類細胞轉(zhuǎn)運到微流系統(tǒng)的指定(zhdng)容器中。該分選方法快速、精準。Paterson等62利用Bessel光產(chǎn)生的環(huán)形(hun xn)對稱光場將紅細胞與淋巴細胞分開。在該研究中，研究者發(fā)現(xiàn)雙凹行的紅細胞在Bessel光的外環(huán)上聚集后才到達Bessel光中心，而球形的淋巴細胞則直接到達Bessel光中心。從細胞核中分離出特異性單條染色體一直是基因組學研究的重要課題。李銀妹小組63首次提出用光鑷和光刀及微吸管聯(lián)合作用的光學微操作技術(shù)進行單條水稻染色體操控，并從實驗上實現(xiàn)了單條水稻染色體分選，所提取的單條染色體用于PCR擴增。由生物學鑒定實驗成功提取了

46、單條染色體，從而構(gòu)建了單條水稻染色體文庫。實驗中，首先將水稻根尖組織分離成單個細胞，并使細胞沉降到樣品池底，并對細胞中的染色體進行特異性染色。然后尋找合適的處于細胞分裂中期的細胞，使用激光光刀逐點擊打細胞膜邊緣直到細胞解體，從而使染色體從細胞內(nèi)釋放出來。如圖17所示，利用光鑷選擇并捕獲合適的染色體，并將其移出細胞殘骸所在區(qū)域之外，如圖18所示。最后使用微吸管將被光鑷操控分選出來的染色體吸走，如圖19所示。這樣就完成了單條染色體的分離，使用光鑷將單條染色體移開還有效地避免了細胞殘骸的干擾。 圖17 水稻根尖單個細胞在光刀作用下解體63紫外光照射下的100倍物鏡下水稻根尖組織細胞的熒光圖像，亮點處

47、為染色體。細胞在激光光刀作用下解體，在某些(mu xi)染色體的凹陷處可以注意到著絲點的存在， 如箭頭(jintu)所示。圖18 光鑷分選水稻(shudo)單條染色體63光鑷捕獲單條染色體，被固定在黑色十字框處；（b）（c）顯示被捕獲的染色體任然留在原處，而其他染色體碎屑隨著載物臺的移動而遠離。圖19 毛細微管吸收被挑選的染色體63被選出的染色體在微管尖端附近；光鑷去掉后，氣壓降低的瞬間染色體被吸入微管中。研究生物微粒和組織結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學特性莊曉薇等人64用光鑷技術(shù)成功解開了DNA分子的纏繞，對生物大分子的折疊、組裝方式進行了深入研究。2006 年Mihardja等人65利用光鑷系統(tǒng)拉伸固定在

48、小球上的單根核小體，詳細地研究了DNA 雙螺旋分子與組蛋白之間的相互作用。M. Manosas等人66通過光鑷在小范圍的作用力對RNA分子的伸展進行了研究。Chu等67利用100mW的光鑷，用20m /s的速度拉緊單個熒光標記的DNA，然后釋放一端使之隨機松弛到原始螺旋結(jié)構(gòu)，第一次觀察到DNA聚合鏈的特征性運動，解釋了許多生物材料的粘彈性行為。C. Bustmante等68成功用光鑷操縱單個DNA，研究其非線性彈性拉伸應變的靜力學特性。測量了其在0. 01-10pN范圍內(nèi)的拉伸性質(zhì)。為研究單個DNA分子構(gòu)型提供了進一步的實驗基礎。中科院物理所郭紅蓮(hn lin)等69將光鑷應用于細胞(xbo

49、)骨架力學性質(zhì)的研究上，利用雙光鑷系統(tǒng)精確觀測了細胞微絲的力學特性和微管斷裂的動力學過程。研究生物微粒(wil)的動態(tài)力學特性在分子馬達力學特性的研究上，1993年Block和Svoboda等人70在美國Rowland研究院把光鑷與雙光束干涉儀結(jié)合起來，在分子水平上第一次觀測到驅(qū)動蛋白分子在微管軌道上階梯式前進，步幅為8nm，時間間隔為毫秒量級，首次在實驗上證明了驅(qū)動蛋白分子在把化學能轉(zhuǎn)換為機械能的過程中是不連續(xù)的。圖20 光鑷研究 Kinesin 驅(qū)動蛋白在微管上行走72他們在實驗中將驅(qū)動蛋白與被光鑷捕獲的硅球相結(jié)合，把微管固定在樣品池底上，當驅(qū)動蛋白和微管相互作用時，硅球在光鑷的捕獲下沿微

50、管運動，通過觀察硅球的運動軌跡，就可以得到驅(qū)動蛋白的運動狀態(tài)，如圖20所示。觀察結(jié)果顯示，驅(qū)動蛋白沿著微管的運動方式是離散的，而且步與步之間的時間間隔是隨機的。之后的1997年，Schnitzer 等人71通過精確的實驗進一步研究得到，驅(qū)動蛋白每走一步需通過水解一個 ATP 分子來提供消耗的能量。1999年，Block等人72又再一次通過實驗得到了以下的結(jié)論：第一，kinesin分子運動時的負載能力具有很寬的范圍；第二，具體負載的大小則由環(huán)境中的ATP分子濃度來決定；第三，分子負載越大運動的最大速度就會降低。在這一系列的實驗中，光鑷不僅被用作一個控制微粒的工具，而且具有了研究微粒運動和受力的功

51、能。通過改變光鑷的激光功率，改變小球所受到的光阱力，從而改變kinesin分子運動時所承受的負載，還可以精確測量kinesin分子在運動時能承受的最大的負載力。Stanford研究(ynji)中心73-74于1995年觀測到肌球蛋白沿肌動蛋白絲是依序地以10nm的步距邁進(mijn)而不是一大步跨越，并且還用激光陷阱測定了此微動力約為5pN。這一研究平息了人們多年來對肌球蛋白運動模式的爭議，使得人類對生命中推動力的核心的認識邁進了一大步。單個分子運動試驗引發(fā)了對運動詳細模型、ATP水解環(huán)、單酶動力學的深人研究，使得光鑷越來越成為一種研究分子動力結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)手段。Finer 等人75研究了肌球

52、蛋白和微絲之間的相互作用力和相對運動步幅。他們把兩個聚苯乙烯小球分別粘在微絲的兩端，然后利用負反饋雙光鑷系統(tǒng)捕獲并移動這兩個小球，把兩個小球間的微絲繃直，肌球蛋白位于微絲下面(xi mian)黏在池底的硅小球上面。當肌球蛋白與微絲發(fā)生作用的時候，微絲會變形縮短，把聚苯乙烯小球拉離光阱，探測器就會探測出這個偏移，如圖21所示。探測器給出的結(jié)果是肌球蛋白的運動步幅是11nm，微絲與肌球蛋白的相互作用力為3-4pN。此外，Wang 等人76也利用負反饋單光鑷系統(tǒng)研究了 RNA 聚合酶以 DNA 為模板轉(zhuǎn)錄 RNA過程中的轉(zhuǎn)錄速度和作用力。圖21 雙光鑷測量微絲與肌球蛋白間的相互作用75在蛋白質(zhì)折疊與

53、去折疊動力學過程的研究上，Kellermayer 等人77測試了Titin肌肉蛋白分子的折疊和去折疊過程，Titin 肌肉蛋白分子在維持肌小節(jié)結(jié)構(gòu)的完整性以及緩沖外力沖擊時起著重要的作用。實驗中，Titin 分子的兩端分別粘接兩個高分子小球，一個球用光鑷捕獲，另一個用微針固定，如圖22所示。通過勻速移動微針使固定在光鑷和微針間的Titin 分子的長度改變。用這樣的方法就可以研究 titin 分子的長度的拉伸量與受力大小的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，Titin 分子的彈性性質(zhì)并非線性，它在被折疊與去折疊的過程中表現(xiàn)出了不同的性質(zhì)，導致了力的“磁滯”效應，如圖22所示。另外，實驗也表明了隨著拉伸次數(shù)的增加

54、，該“磁滯”效應也會逐漸減弱。他們把 Titin 分子的兩端分別粘在兩個乳膠小球上，其中一個小球固定在玻璃底面，另外一個小球被光鑷捕獲。實驗時改變兩個小球間的相對位移，通過觀測小球在光鑷中的偏離位置，計算得到 Titin 分子伸縮與所受外力的關(guān)系。 圖22 光鑷和微針操控微球拉伸(l shn) titin 分子77此外(cwi) Cecconi78等人把單光鑷與微吸管相結(jié)合，仔細研究(ynji)了核糖核酸酶的折疊和去折疊的動力學過程。對生物大分子進行精細操作日本學者Y. Arai79等人用雙光鑷法把兩端粘有聚苯乙烯小球的肌動蛋白微絲打結(jié)后拉緊，不斷降低打結(jié)環(huán)的直徑，當打結(jié)環(huán)的直徑降低到 0.

55、36m 以下時，微絲斷裂，如圖23所示。通過測量聚苯乙烯小球偏離光阱中心的位移可以得到微絲所受到的作用力，微絲斷裂時所受到的力約為1pN。圖23 雙光鑷對微絲進行打結(jié)，上方清晰的小圖為示意圖79微粒之間相互作用力測量沈為民、李銀妹等人80已經(jīng)建立了用光鑷直接測量生物大分子間結(jié)合強度的方法，并結(jié)合脂酶體重重建技術(shù)對抗體與抗原的結(jié)合力進行了實驗測量，在單分子水平上提供了一種可行的直接測量手段。該方法也已被推廣到其他的生物大分子體系的力的測定中。為了研究NK細胞(xbo)表面LFA-1分子的活化模式，陳昊東等81利用李銀妹小組實驗平臺研究了LFA-1分子的行為。（自然殺傷（Natural Kille

56、r，NK）細胞(xbo)是先天免疫系統(tǒng)第一道防線的一部分，其功能是由其表面多種受體的綜合作用實現(xiàn)的。淋巴細胞功能相關(guān)抗原-1（LFA-1）分子在促進NK細胞受體介導細胞殺傷過程中具有重要作用。）研究發(fā)現(xiàn)微球與細胞結(jié)合能力隨二者接觸時間的延長而增大，從約30pN增大到接近50pN。經(jīng)分析，這可能是LFA-1分子發(fā)生招募聚集所致。該研究提供了一種可以監(jiān)測活細胞在受到配體或抗體刺激前后受體分子行為的方法。 Yang等82使用光鑷技術(shù)來測量凝血細胞之間的力，發(fā)現(xiàn)肝素使血細胞之間的力變小并延長凝血時間，而氨甲環(huán)酸使凝血過程直接進入(jnr)最后階段。納米生物器件的組裝光鑷是目前對微米和亞微米尺度的微粒，

57、進行非機械接觸操控的唯一手段83。利用光鑷逐個操控微粒，實現(xiàn)對微小粒子的排布，將生物細胞或生物大分子按設定的方案排布成具有特定結(jié)構(gòu)的聚集體，使其具有特定的功能，也為納米生物器件的組裝提供了一種可行方法。圖24為光鑷用2m聚苯乙烯小球排布形成的穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)84。圖24 用光鑷實現(xiàn)聚苯乙烯小球的排布84與細胞性質(zhì)相關(guān)的研究 應用光鑷可以進行許多與細胞本身性質(zhì)相關(guān)的研究，進而通過對比不同細胞特性將其加以區(qū)分，因此可以廣泛應用于臨床進行癌細胞等異變細胞的早期檢測。1）對細胞應變能力的研究光鑷是對活體細胞進行非侵入微觀操縱的有利工具，能夠誘導細胞產(chǎn)生應變。因為細胞內(nèi)部的應變能力在通常情況下是很難用顯微

58、鏡觀察到的，單一的生理學或者形態(tài)學參數(shù)很難定義細胞的生存能力85。研究發(fā)現(xiàn)光鑷發(fā)出的近紅外連續(xù)激光能夠誘導線蟲類C. elegans發(fā)生應變。根據(jù)C. elegans特殊的應變能力，發(fā)現(xiàn)在不同的激發(fā)波長、激發(fā)功率和照射時間內(nèi)，C. elegans的應變也各不相同86。2）對細胞橫向光阱力的研究光鑷還被應用于研究細胞(xbo)的橫向光阱力87，目前(mqin)的研究主要是針對紅細胞。研究中以射線光學計算模型作為(zuwi)基礎，運用類似于求解軸向力的方法，得出了橫向光阱力的計算公式，進而對幾何尺寸遠大于光波長的米氏球狀粒子所受激光微束橫向光阱力進行了計算。結(jié)果表明，粒子只有在小于其本身半徑的區(qū)域

59、內(nèi)才能被捕獲，而不是在整個粒子半徑區(qū)域，實驗中還可以測量作用在粒子上力的大小和粒子的運動速度。實驗還證明了微粒大小、相對折射率等都會對光阱力產(chǎn)生一定的影響，適當選取各實驗參數(shù)可增強捕獲微粒的穩(wěn)定性。3）對細胞表面電荷的研究西安交通大學張鎮(zhèn)西等人88利用光鑷裝置結(jié)合電泳法較為準確地測量出細胞表面的電荷量。在電場力的作用下，處于懸浮液中的帶電細胞產(chǎn)生電泳。在外加電場力為零時利用激光的陷阱力捕獲該細胞，然后施加并逐漸加大外加電場力，直到細胞剛好逃脫光阱力的束縛時的瞬間光阱力，理論上就是細胞所帶電荷在電場中產(chǎn)生的庫侖力與粘滯力之和，由此可得出細胞表面的電荷量。 4）對細胞凋亡的檢測南開大學張聿全等人8

60、9提出了一種基于動態(tài)光鑷系統(tǒng)的細胞凋亡新型檢測方法，并以女性常見的卵巢惡性腫瘤細胞為研究對象，研究了化療藥物（順鉑）4種不同濃度下培養(yǎng)的卵巢癌SKOV3細胞的凋亡情況。實驗結(jié)果表明該方法可以實現(xiàn)對癌細胞凋亡程度的無標記快速檢測，凋亡程度可以通過光鑷系統(tǒng)的捕獲效率進行量化，因而具有較高的可靠性，可為臨床檢測提供重要指導意義。5)對細胞內(nèi)物質(zhì)的檢測廣西科學院的王巧貞等人92在群體細胞水平和單個酵母細胞水平上，應用光鑷喇曼光譜技術(shù)對高濃度乙醇脅迫過程中細胞內(nèi)生物大分子物質(zhì)的動態(tài)變化進行實時監(jiān)測?；趦煞N水平上的研究結(jié)果顯示：在高濃度乙醇脅迫下，歸屬于核酸的喇曼峰、歸屬于蛋白質(zhì)的喇曼峰和歸屬于脂類喇曼