光鑷

由於激光聚集可形成光阱，微小物體受光壓而被束縛在光阱處，移動光束使微小物體隨光阱移動，藉此可在顯微鏡下對微小物體(如病毒、細菌以及細胞內的細胞器及細胞組分等)進行的移位或手術操作。

光鑷 ^[2]  ，又被稱為單光束梯度力光阱，日常，我們用來挾持物體的鑷子，都是有形物體，我們感覺到鑷子的存在，然後通過鑷子施加一定的力鉗住物體。捕獲微小粒子的光鑷是一個特別的光場，這個光場與物體相互作用時，物體整個受到光的作用從而達到被鉗的效果，然後可以通過移動光束來實現遷移物體的目的。如果以形成光場的中心劃定一個幾微米方圓的區域，你將會觀察到一旦光子涉足這個禁區就會自動迅速墜落光的中心，表現出這個光場具有地心引力的效應。如將被光鑷捕獲的粒子比做墜入碗底的玻璃珠，那麼，光鑷又酷似一個陷阱。這個特別的光場造就了一個勢能較低的區域（碗底），即從這區域內到區域外存在一個勢壘（碗壁）。當物體的動能不足以克服勢壘時，粒子將始終停留在阱內。雖然光與物體相互作用的過程我們是看不見的摸不着，其結果展現給我們的是，通過光鑷作用的物體是在按特定路線運行。光鑷搬運粒子的情形就酷是一個無形的機械手，這個看不見的機械手將按照您的意志形自如地控制目標粒子。

光鑷技術是美國科學家於1986年發明的。光鑷又稱為單光束梯度光阱。簡單的説．就是用一束高度匯聚的激光形成的三維勢阱來俘獲，操縱控制微小粒子。自誕生以來，光鑷技術已經在微米尺度量級粒子的操縱控制，粒子間的相互作用等方面的研究中發揮了重要作用。

1969年．Ashkin通過理論計算認為聚焦的激光能推動尺寸為幾個微米的粒子，並實現了用聚焦的氬離子激光使懸浮在水中的透明膠粒(直徑0.6-2.5μm)沿着光軸方向加速推離。他發現接近光束的微粒也出乎意料地被吸入光束中推離。在通過用氣泡與液滴反覆實驗後，Ashkin認為光束對摺射率比周圍介質高的微粒具有橫向吸力，但對摺射率比周圍介質低的微粒具有橫向推力。1970年．Aahkin等首先提出能利用光壓(optical pressure)操縱微小粒子的概念。一直到1986年，Ashkin才發現只需要一束高度聚焦的激光，就可以形成穩定的能量阱能將微粒穩定俘獲。這標誌着光鑷的誕生，正因為如此．光鑷的正式名稱為單束光梯度力阱(single—beam optical gradient force trap)。 ^[3] 

光鑷技術基於光輻射壓力與單光束梯度力光阱。

光照射物體時,由於電磁波具有能量,也有動量,所以,在物體表面形成反射和吸收,同時會對錶面形成壓力作用,成為光壓（光輻射壓力）。通過激光的引進,使得光壓效應在現實應用中有了很大的作用,特別是科學研究中。

為了闡明梯度力的概念，以透明介質小球為例説明。如圖1所示，一個透明介質小球處於一個高斯分佈的非均勻會聚光場中，小球的折射率大於周圍介質的折射率。當會聚激光束照射到微粒上時，激光發生折射和反射，也包括一部分吸收。被微粒反射和吸收的光作用就是光輻射壓力，或者稱散射力，其方向與光傳播方向一致，它趨向於使小球沿光束傳播方向運動。與此同時，光束經過微粒會發生多次折射，有些會聚光線折射後傳播方向更趨向於光軸（即光束傳播方向），從而增大了軸向動量，因而給與微粒與光傳播方向相反的作用力，表現為拉力，這就是軸向梯度力的本質，由於此拉力的作用，導致粒子在軸向可以穩定在激光焦點附近。而微粒在橫向的偏離，由於光場的非均勻性，也會受到指向激光焦點的回覆力，即橫向梯度力。在梯度力和散射力的共同作用下，微粒被穩定束縛在激光焦點附近。這就是單光束梯度力光阱 ^[4]  。

光鑷是對單光束梯度力光阱的形象的稱呼，因為它與宏觀的機械鑷子具有相似的操控物體的功能。但與宏觀的機械鑷子相比，或者與傳統的操控微納米粒子的顯微微針或原子力顯微鏡等相比，光鑷具有不可比擬的優越性。光鑷對微粒的操控是非接觸的遙控方式，不會給對象造成機械損傷。這使得光鑷在生物學研究特別是單細胞單分子研究領域應用非常合適。首先，光鑷捕獲微粒的尺度在幾十納米到幾十微米，正好是生物細胞、細胞器以及生物大分子的尺度範圍。其次，光鑷的温和操控不會損失細胞，雖然激光會產生熱，但可以通過選擇合適的波長，避開細胞對光的吸收波長，將熱效應降到最低。另外，由於大部分細胞膜是透明的，光可以穿過細胞膜操控細胞內部微粒，這是其他操控手段無法做到的。

光鑷不僅可以操控微粒，還可以進行微小力的測量，粒子偏離捕獲中心的距離和其受到的回覆力成正比，類似與彈簧，在操控過程中能實時感應俘獲粒子的微小負荷。因此，光鑷是極其靈敏的力傳感器，其作為微小力的探針，可以進行細胞和生物大分子之間的相互作用的定量測量，進一步揭示細胞的功能以及活動規律。

光鑷的發明使光的力學效應走向實際應用，使人們在許多研究中從被動的觀察轉而成為主動的操控,同時光鑷對於捕獲微小粒子、測量微小作用力及生產微小器件等許多方面都有非常重要的意義，現主要從以下幾個方面介紹光鑷的研究及應用 ^[5]  。

光鑷操控細胞，可以高選擇性的分選細胞或細胞器 ^[6]  。目前，研究者已經建立了一套分選單條染色體的實驗方法，為基因測序提供了更有效、更準確的方法。同時光鑷還可用來測量細胞表面的電荷，因為細胞表與荷細胞的生長和細胞的凋亡有着非常密切的關係。

細胞內部的應變能力在通常情況下是很難用顯微鏡觀察到的, 單一的生理學或者形態學參數很難定義細胞的生存能力。光鑷是對活體細胞進行非侵入微觀操縱的有利工具, 能夠誘導細胞產生應變。其發出的近紅外連續激光能夠誘導線蟲類C.elegans發生應變。根據C.elegans 特殊的應變能力,發現在不同的激發波長、激發功率和照射時間內,C.elegans的應變也各不相同。這種方法可在其他動植物細胞中進一步推廣應用。

對紅細胞橫向光阱力方面的研究，在該研究中以射線光學計算模型為基礎，同時運用類似於求解軸向力的方法，得出了橫向力計算公式，對幾何尺寸遠大於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，計算結果表明，粒子只有在小於粒子半徑的區域內才能被捕獲，而不是在整個粒子半徑區域，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。微粒大小、相對摺射率等對光阱力也產生一定的影響，適當選取各實驗參數可增強微粒的捕獲穩定性。細胞橫向力的研究對光鑷的理論有進一步的指導意義。

為了操縱一個生物大分子，往往將兩個塗有肌漿球蛋白的聚苯乙烯小球黏在生物大分子的兩端，稱其為“手柄”，通過光鑷捕獲和操縱小球來達到操控生物大分子的目的。

光鑷由於其可對多個微小粒子進行復雜操控的特點以及飛速的發展，在其本身的技術研究受到越來越多關注的同時，也在不斷開拓與其他領域技術結合 ^[7]  的應用。

光鑷與具有高空間分辨率本領的技術結合，使之具備了更精細的結構分辨能力和動態操控能力，目前，國際上Coirault. C等人已成功地將原子力顯微鏡和光鑷技術相結合，為研究生物分子提供了更準確、更可靠的方法。

光鑷與光刀的配合裝置，可以進行高選擇性的細胞融合。光鑷用來挑選待融合的特定細胞，並把它們拖到一起相互接觸，再用光刀作用於二者的接觸面，誘發細胞融合，這種方法的融合產物具有高的純度。Seeger 等人利用光鑷和光刀偶聯實現了染色體的精細切割和高效收集及植物原生質的融合。同時還可實現細胞的切割，是生物微粒進行微操控和微加工的理想手段。此外，激光操縱細胞技術是當前最先進的轉基因技術，利用光鑷和光刀將 DNA 導入細胞而實現基因轉移，可大量節約資源，縮短轉基因時間，提高成功率。光鑷與光刀的結合在免疫學、分子遺傳學中的研究發揮着巨大的作用。

光鑷可以作為一種操控技術與其他測量技術如微弱熒光探測技術、拉曼光譜測量技術結合。賴鈞灼等人利用光鑷拉曼光譜系統單個細胞的成分和生化過程進行了有效的分析。

光的電磁理論，證明了光作為電磁波，不但具有能量，而且具有動量。

對於單色平面光波，設其電磁場能量密度為u，它以光速c傳播，相應的電磁能流密度矢量的大小為

S=uc，（方向指向光的傳播方向）

而動量密度（單位體積的光場攜帶的動量）為

g=u/c，（方向沿光的傳播方向或波矢的方向）

單位時間流過垂直光傳播方向單位面積的動量為G=gc=u=S/c。按光的量子理論，波矢為k的單色平面波可以看成是一束光子流，其中每一個光子所攜帶的能量ε=ν，動量為：

P=h*k=h/λ

（其中，h：普朗克常數，λ=1/k光波長）

如果光束中的光子密度為n，也即光場的能量密度為u=ε，於是動量密度

g=nP=u/c，

與經典電磁理論的結果一樣。由此式直接可得能量為E的平面光波所攜帶的動量為

G=E/c

既然光具有動量，根據牛頓第二定律，作用在物體上的力就等於光引起的單位時間內物體動量的變化，光與物體相互作用的過程中就可能伴隨有動量的交換。單位時間裏物體動量的變化就是所受的力，這意味着光對被照物體施加一個力的作用。這種由於光輻射對物體產生的力通常稱之為光的輻射壓力或簡稱光壓。

一束平行光照射到物體上,其動量變化為ΔP,歷經時間t秒,則物體得到的動量為-ΔP。由此可得光作用在物體上的力為F=-ΔP/t。如果光束作用的面積為S,則單位面積上受到的力即為光壓p=F/S。