光镊技术概论

光镊技术概述姓名：刘志辉学号：SC11009018系所：009系光镊又称单光束粒子阱，是A.Ashkin[1]在1969年以来关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。单光束粒子阱实质上是光辐射压梯度力阱，是基于散射力和辐射压梯度力相互作用而形成的能够网罗住整个米氏和瑞利散射范围粒子的势阱。一、光镊技术的基本原理光可以看作是光子流，每个光子都具有动量P[2]：hCEPE是波长为的光子能量。当光照射到物体时，光子的动量传递给物体并产生压强，称为光压。光压对于宏观物体的影响可以忽略不计，但对于直径小于100um的微小粒子，这种辐射压的作用是必须考虑的。光镊对粒子的俘获作用机制与其尺寸有关。根据粒子直径(D)和光波长()的大小关系，光镊的作用机制被分为3类：几何光学机制(D时)、雷利机制(D时)和中间机制(介于前两者之间的情况)。对于直径大于波长的米氏散射粒子来说，光镊的势阱原理可以用几何光学来解释[3]。如图1所示。入射光线a在粒子小球的作用下而偏离原来的运动方向，粒子小球则受到一个相反的作用力Fa。同理可知，光线b对粒子施加Fb的作用力。Fa和Fb的合力指向光束的焦点。这样，就可以通过移动光束的焦点的位置，控制粒子小球前后左右的移动，实现对粒子的捕获和操控。图1单光束梯度力光阱的几何光学原理对于直径小于激光波长的瑞利散射颗粒，适用于波动光学理论和电磁模型。波动光学理论认为，在光轴方向有一对作用力：与入射光同向正比于光强的散射力和与光强梯度同向正比与强度梯度的梯度力。在折射率为的介质中，折射率为的瑞利粒子所受的背离焦点的散射力为cPnFscatmscat/(1)这里scatP为被散射的光功率。或用光强0I和有效折射率mpnnm/表示为mscatnmmrcIF2224650)21(3128(2)对于极化率为的球形瑞利粒子所受的指向焦点的梯度力为2222332)21(22EmmrnEnFmmscat(3)这样，在焦点处形成势阱的标准为指向焦点的梯度力与背离焦点的散射力之比大于1，即两者的合力指向焦点，即有11)2(643320352225rmmnFFRmscatgrad(4)若粒子小球在横向(垂直于光轴方向)偏离中心位置，也会受到一个指向光束中心的作用力使小球锁在焦点处。该力与光阱效率、光功率成正比，即有cPQnFm/(5)其中，Q为光阱效率；P为激光功率；c为真空中光速。在介质和激光功率已定时，光阱力与光阱效率成正比。由几何光学理论模型计算得到的光阱效率与粒子小球偏离焦点位移的关系曲线如图2所示。图2光阱效率与小球位移的关系曲线由图中曲线可以看出，粒子小球在偏离光阱中心(焦点)的位移不超过小球半径r的范围内，光阱效率曲线可近似为直线，即光阱效率与以小球半径为单位的位移成正比。而光阱力又正比于光阱效率，故小球所受光阱恢复力在小球半径范围内大致正比于小球位移，即有kxF（6）其中，x为小球的位移；k为光阱的刚度。二、光镊系统的构成光镊系统通常由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测部分和传统的光学显微镜组成[3]。系统结构图如图3所示。图3光镊系统结构示意图三、光镊的特性微粒的个体行为是大量粒子群体行为的基础，而对微粒的操控正是研究其个体行为的首要条件，在此基础上才能对个体进行观测研究、排布组装和各种修饰加工。光镊具有如下重要特性：1)光镊的捕获和操控范围是数十nm到数十um大小的微粒。而大多生物微粒，诸如细胞、细胞器甚至生物大分子都在这一尺度范围里，光镊恰好成为这些生物微粒操控和研究的特有手段。2)由于光镊是用“无形”的光来实现对微粒非机械接触的捕获，捕获力是施加在整个微粒上，而不是像机械捕获那样集中在很小的面积上，因而不会对被捕获的生物微粒产生机械损伤。3)选择粒子吸收小的光波长(600～l000nm)即可避免光吸收对生物粒子所造成的损伤。4)光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度(1000倍)，是“遥控”操作，因而几乎不干扰生物粒子周围环境和它的正常生命活动。5)利用光的穿透性，可以无损伤地穿过封闭系统的透明表层(如细胞膜)操控内部微粒(细胞器)，也可以穿过封闭的样品池的透明外壁，操控池内微粒，实现真正的无菌操作。这是常规生物仪器所不具备的。6)光镊对微粒的操控不是刚性的，可以在操作过程中实时测量微粒间的微小相互作用力。因此，光镊不但可以做为微机械手又可用于生物粒子间pN量级微小作用力的测量，是生物微粒静态和动态力学特性的理想研究手段。这对生物大分子行为的研究具有特别重要的意义。四、光镊技术的发展与应用1、飞秒光镊技术飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率。与纳秒激光和连续激光相比，飞秒激光脉冲通过与靶标的相互作用，具有极高的时间和空间分辨率，并可以高精度地控制作用能量[4]。天津大学精仪学院于2001年提出了飞秒激光光镊的概念[5]，与连续光镊不同，在飞秒光镊中，作用在粒子上的光学梯度力是脉冲式的。在相继两脉冲之间，粒子在重力和布朗运动力作用下，会偏移被光学力束缚的中心位置。在下一个光脉冲的光学梯度力作用下，粒子会重新被移回束缚中心。这就是飞秒光镊的基本原理。自从飞秒光镊概念的提出，其基础理论研究取得了很大的进展，并出现了各种不同结构的飞秒光镊形式。(1)单光束梯度力光阱；(2)贝塞耳光阱；（3）双光束光纤光阱；（4）冲击波光阱。不同的光镊有着不同的特点，可以应用在不同的场合。随着研究的不断深入，飞秒光镊技术的操纵已从微纳米粒子发展到生物细胞，同时进行了基于双光子荧光的光动力治疗和探测技术的研究。由于飞秒激光光镊技术具有高精度、非接触、无损伤、非线性的特点，因而特别适合于生命科学研究领域，具有极大的潜在应用前景。2、纳米光镊技术纳米光镊技术主要是基于以下标志性的特点而定义[6]的：(1)操控对象的尺度延伸到了纳米量级。光镊可以直接操控小到数十纳米大小的微粒，人们发展了一种生物分子的间接操控法，即采用光镊可以方便操控的微米粒子作为所谓的“手柄”，将生物分子粘附其上，光镊操控这样的“手柄”就相当于操控了生物分子。（2)光镊阱位或微粒的操控定位达到纳米精度。作为一种对单个生物分子的操控以及在分子水平上研究生命过程的技术手段，其操控定位精度当然要与分子的尺度相当。(3)位移测量达到纳米精度。无论是生物分子的识别还是生物分子的运动(或位移)都必然牵涉到纳米量级精度的位置和位移的测定。在纳米光镊技术中测量生物大分子位移也是通过测量操控“手柄”一刚性微米小球的位移作间接测量。成像光学方法分辨率受波长限制，但刚性小球的定位精度可以达到纳米量级(4)可进行飞牛(fN)到皮牛(pN)量级微小相互作用力的实时测量；基本的纳米光镊装置包括三大部分：(1)光阱形成、显微观察及光学耦合的光路系统；(2)纳米精度操控系统；(3)纳米精度位移与微小力测量系统。3、近场光镊技术近场光镊中的隐失场在与微粒相互作用的过程中将转化为传播场，光子动量发生改变，同时引起微粒动量改变，从而对微粒产生冲力作用。力的大小与隐失场场强梯度的平方成正比[7]。近场光镊中强度剧烈衰减的隐失场局域在发生全反射的界面和纳米孔径周围的区域内，对其中的物体产生一个指向界面或孔径的梯度力，并由此产生近场捕获。这一点与远场光镊通过对人射光会聚并在焦点处捕获微粒有明显的区别，因而具有独特的优势：1)远场光镊中的背景光不利于观察单分子的运动状态，而近场光镊的作用局域范围非常小，可以减弱甚至消除这种影响；2）不会产生远场光镊中难以克服的热效应问题，有利于保持生物有机分子的稳定性；3）有利于纳米光学器件向小型化和集成化的方向发展。4、全息光镊技术随着光镊技术由单光束光阱向多光束光阱的发展，扩展了光镊技术的应用领域。由于多光束光阱可以实现三维光阱阵列，因此全息光镊技术应运而生。全息光镊就是利用全息元件构建的具有特定功能的光场而形成的光镊[8]。全息元件是构成全息光镊的关键元件，它是利用底片记录物光和参考光所形成的干涉图样，物光场再现时，只需用原来的参考光照射全息元件，即可获得重建的物光场。所形成的光场性质的不同，全息光镊会实现不同的功能，如单粒子的旋转、多粒子的操控和分选等。实现全息光镊的全息图有菲涅耳全息图和傅里叶全息图。前者是记录干板位于被照明物体的菲涅耳衍射区内形成的；后者是记录干板放在振幅透过率的傅里叶变换平面制成的。根据全息图制备方案的不同，全息光镊的光路可分为：菲涅耳型光路和傅里叶型光路。五、光镊技术的应用与前景展望1、光镊技术的应用目前，光镊技术主要应用在以下几个方面[2]：1）研究生物大分子的静态力学特性通过光镊对单分子进行扭转、弯曲、拉伸等操作，研究其力学特性；2）研究生物大分子的动力学特性；3）对生物大分子进行精细操作；4）分子水平上的特异性识别和生命过程的调控；5）纳米生物器件的组装。2、光镊技术的前景展望在当今，对以生物科学为代表的生命科学的研究相对落后于其他学科，其根本原因在于生物体本身的复杂性。但更重要的是很长时间以来一直没有十分令人满意的技术手段供人们研究生命的结构和功能的基本单元-细胞。而光镊的出现正是科学家们梦寐以求的，它使我们今天有可能研究活体动态生命过程并深入到了分子水平。我们深信，这项新技术将会对生命科学的发展有重大的推进作用学科的进一步发展，要求深入到微观单体行为的研究人们的认识水平的提高，需要借助于能精细操纵和测量的工具光镊以其精确的选择性和pN量级的作用力等功能，必将成为物理学家、化学家和生物学家研究微观世界的得力工具伴随着研究的深入发展，光镊和其他技术的组合应用将会引申出更多的新的研究方法和研究领域，从而促进生命科学、材料科学环境科学、物理学、化学、医学及纳米技术等领域的研究交叉和发展。参考文献：[1]AAshkin,JMDziedic,JEBjorkholm,eta1.Observationofasingle-beamgradientforceopticaltrapfordielectricparticlesl[J],Opt.Lett.,l986,11(5):288~290[2]葛剑徽.光镊技术的原理及应用[J],临床和实验医学杂志,第5卷,第2期,2006[3]林强,叶兴浩.现代光学基础与前沿[M],科学出版社,2010,376~380[4]杨海峰,周明等.飞秒光镊技术及其发展[J],光学技术,第34卷,第4期,2008[5]毛方林.飞秒激光显微操作系统的研究[D],天津:天津大学,2004[6]朱艳英,魏勇等.纳米光镊技术发展与应用的研究[J],光学与光电技术,第5卷,第6期,2007[7]范伟康,徐吉英,王佳.近场光镊技术的研究进展与应用前景[J],激光与光电子学进展,第44卷,第7期,2007[8]任煜轩,周金华,吴建光,李银妹.全息光镊-光镊家族中最具活力的成员[J],激光与光电子学进展,第45卷,第11期,2008[9]姚建铨,安源,赵海泉.光镊技术的发展与应用[J],光电子与激光,第15卷,第1期,2004