光鑷技術

光鑷的基本原理在於光與物質微粒之間的動量傳遞的力學效應 。光鑷技術是光的力學效應的典型實例， 它直觀充分的展現了光具有動量這一基本屬性。光鑷技術的發明不僅豐富和推進了光學領域的發展， 也為光學與其他多學科的交叉融合架起了一座橋樑， 彰顯出了它獨特而不可替代的作用。

基本介紹

• 中文名：光鑷技術
• 外文名：Optical tweezerstechnology

簡介

光具有能量和動量， 經典光學主要是以電磁輻射本身為研究對象， 而近代光學的發展則是以光與物質相互作用為重要的研究內容。20 世紀 60 年代雷射的發明， 為人們研究光與物質相互作用提供了一種嶄新的光源， 其中高簡併度的雷射束使得光鑷技術得以問世。光鑷技術是光的力學效應的典型實例， 它直觀充分的展現了光具有動量這一基本屬性。光鑷技術的發明不僅豐富和推進了光學領域的發展， 也為光學與其他多學科的交叉融合架起了一座橋樑， 彰顯出了它獨特而不可替代的作用。從 Ashkin 等1986 年發表的第一篇單光束光鑷論文起， 已經歷了約 30 年。光鑷從鮮為人知， 集中在少數物理學家的實驗室中， 只能簡單地操控微米細胞到目前可以實現對單分子亞納米級精度的測量， 極大地促進了定量生物學的發展。光鑷技術已成為眾多學科的科學家渴望的工具。

理論發展概況

光鑷技術的理論主要是利用各種計算方法研究聚焦光束與微粒的相互作用力。首先是單光束梯度力阱與微粒的相互作用及其對微粒的控制； 其次是新型光束聚焦後形成新的光阱特性。另外， 還有一類是光鑷系統設計和套用中遇到的光場畸變的問題。

單光束梯度力阱理論是光鑷理論的基礎。從原理上研究單光束梯度力阱能清楚地理解光俘獲機理和影響光阱力的因素； 從工程方面研究可以推導如何提高光鑷的品質， 如何最佳化光鑷儀器。各種新功能的光鑷的出現， 需要學者們更好地理解和運用， 揭示隱藏在實驗現象背後的物理規律。

光鑷光場的理論

光鑷是由強會聚的雷射束形成的光學勢阱， 研究微粒在光阱中受到的光阱力的理論模型有幾何光學(RO)近似模型和電磁(EM)模型。RO 模型理論適用於幾何尺寸大于波長的微粒， 計算較簡單， 作為一種近似方法其計算結果對實驗具有參考價值。RO 模型廣泛套用於光阱力大小的計算， 研究光束髮散特性對光學懸浮的影響。結合高斯光束標量理論]計算強聚焦光束對微粒的俘獲力。不考慮光的波動性， 研究光阱里微球在橫向、 軸向和任意位移後的受力， 入射光在空間不同方位的追跡方式等。RO 模型理論便於分析微粒三維空間受到的應力， 進而可以分析不規則微粒(如橢球)受到光阱的應力及其動力學特性利用 RO 模型分析光阱中微粒的受力， 能很好地指導實驗設計和理解實驗現象。

新型光鑷光場的研究

光與物質相互作用依賴於光場內在的性質， 如能量和動量， 也依賴於這些物理量的空間分布， 如光場的強度梯度等。因此， 調控這些光場的性質會直接改變光與物質相互作用的結果， 這為直接控制光捕獲提供了一個重要的途徑。而光場性質的變化可以通過光場調製來實現， 例如振幅、 相位和偏振的調製。所以， 光鑷一個特別重要的發展趨勢是結合各種新型光場來實現特殊或複雜的操控功能。新型光鑷光場的研究得益於複雜光場調製技術的快速發展， 如空間光調製技術。新型光場光鑷不僅能夠實現對不同材質、 不同大小的微粒多自由度操控， 而且可以通過計算機控制， 方便地實現實時智慧型的操控， 大大拓展了光鑷的套用範圍。

新型光場包括渦旋光束、 非衍射和自修復光束、 自加速光束以及矢量光束等。渦旋光束與相位奇點相關， 本身攜帶軌道角動量， 在與物質相互作用過程中可以將角動量傳遞給微粒， 從而導致微粒在光場中做旋轉運動。常見的渦旋光束有拉蓋爾高斯光束(Laguerre-Gaussian beam)和貝塞爾光束(Bessel beam)。其中貝塞爾光束屬於非衍射和自修復光束， 相比於高斯型光束， 貝塞爾光束可傳播較遠距離而保持中心光斑的大小和尺寸基本不變， 而且在傳輸過程中遇到障礙物阻擋後能很快恢復原來的光場分布。由於貝塞爾光束在傳播過程中具有很好的穩定性， 故被用於引導微粒沿軸向輸運距離可達 3 mm， 這個間距遠遠大於高斯型光束的光鑷的軸向捕獲深度。並且， 在軸向 3 mm 距離中可以實現多個平面長距離捕獲多微粒。非衍射光束還包括馬提厄光束(Mathieu beam)、 拋物線光束(parabolic beam)]、 艾里光束(Airy beam) 等。其中拋物線光束和艾里光束也是一種自加速光束。自加速光束在沿軸向傳播過程中以某個角度彎曲而不沿直線傳播， 看起來像是在自由空間中加速。這種光束在光操控中可以用於沿著設定的軌跡輸運微粒。自加速光束還有韋伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams) 等。此外， 不均勻的偏振光場， 如徑向偏振光束和角向偏振光束， 具有優越的會聚特性[36]， 使得矢量光束在操控納米粒子， 特別是金屬納米粒子方面具有明顯的優勢。

光鑷技術的套用特點

光鑷作用的對象多為液體中的微粒， 介質與布朗力成為光鑷在液相中工作的特點。光鑷通過手柄小球間接操控單分子， 所以手柄小球是研究單分子的橋樑， 要達到亞納米級精度的測量， 超穩定系統成為實驗研究的保障。

介質與布朗力

光鑷是光與物體相互作用的結果， 光與物體是通過介質相互作用的。常用的介質為液體， 而液體的溫度、 粘度和折射率等物理參數決定了介質的性質。因此， 不同的液體性質和參數直接影響光與物體相互作用， 影響到光捕獲效果。介質的選擇首先是光學透明且折射率要小於被捕獲的微粒的折射率， 折射率 n 與被捕獲物體的折射率 n0之差越大， 越有利於捕獲。其次要考慮介質的化學性質及其與微粒相互作用的影響。

光鑷操控的微粒相當於膠體體系中的分散項， 微粒所在的溶液， 即介質為分散劑。一方面可以方便地利用介質， 通過改變介質的參數設計實驗方案， 研究待定的科學問題。另一方面， 介質的溫度隨環境的易變性， 介質粘度影響光操控和施力大小， 不同介質的折射率存在差異， 這些因素同時也為實驗方案的設計和實驗精確測量增加了難度。故介質在光鑷的套用中扮演著非常重要的角色。

在光捕獲微粒的過程中， 微粒受到很多種力的作用， 其中水的粘滯阻力和布朗力在光捕獲中是非常重要的， 測量光阱力及其光阱參數主要利用了這兩個力， 而粘滯阻力和布朗力則是研究軟物質膠體體系的重要參量。介質的性質決定了布朗力的大小。在利用光鑷技術操控和測力的過程中， 介質和布朗力的影響時刻伴隨其中， 而布朗力是否可以忽略， 取決於所關注的科學問題和實驗精度。

手柄小球與生物單分子操控

遠場顯微鏡不能觀測納米尺度的微粒， 光鑷操控納米微粒是通過直接可控的微米小球作為手柄間接操控納米微粒， 例如操控脫氧核糖核酸(DNA)、 蛋白質、 核酸等生物大分子。手柄微球分為結構型和功能型。當利用光鑷拉伸 DNA 或蛋白質微絲時， DNA 或微絲的兩端需要結合手柄微球才能被光鑷操控， 此時微球僅僅起到手柄的作用。而在研究抗體-抗原結合力以及分子馬達動力學行為時， 需要將蛋白質分子修飾在微球表面， 此時微球同時也是研究對象的載體。

超低噪聲與亞納米級精度的測量

單分子研究要求光鑷儀器測量精度達到亞納米量級， 如何實現高精度的測量， 目前主要有以下三種途徑。首先， 在硬體配置上儘量避免各種機械噪聲， 選擇優良的器件， 高的時間分辨和高精度的空間解析度。將實驗室建在地下室， 儀器置放在氣墊隔振平台上並且全封閉。在儀器的設計和環境條件中， 儘量降低空氣對流、 聲音震動、 磁場等外界干擾以保證系統在良好的穩定狀態運行[48]。採取反饋控制也是提高光鑷探測精度的有效方法， 反饋控制採取定點實驗和定力測量來消除雷射器光強的波動和消除物鏡的漂移等等， 提高儀器測量的解析度和光鑷在三維空間的穩定性。

光鑷技術的套用

光鑷誕生之時， 正值納米科技蓬勃發展之際。人類對自然界和自身的認識深入到對個體微觀機理和功能的定量研究， 以便自主掌握客觀規律和改造自然。光鑷一問世， 科學家們就預感用光力控制微米尺度微粒的技術具有不可估量的發展前景和套用潛質。近 30 年來， 基於單光束光力可控微粒的套用研究， 確實證明了該技術的獨到和不可或缺的價值及其廣闊的套用領域。光鑷的套用可歸納為四類， 即光鑷與細胞生物學、 光鑷與單分子生物學、 光鑷與膠體科學以及光鑷與物理學 4 個學科領域， 光鑷在這些領域已成功解決了許多的重大科學問題。

光鑷在物理學領域套用， 可以證實以前無法通過實驗驗證的物理規律， 增進人們對於已有的物理現象和規律的認識， 還能為物理的其他學科領域提供新的研究方法和實驗技術， 例如在光的力學效應驗證和力的精確測量、 聲學顯微、 布朗運動、 納米技術、 量子力學等套用， 表明光鑷正日益成為促進物理學進展的重要工具。

布朗運動的新認識

1907 年， 愛因斯坦認為能量均分定理適用於布朗微粒， 但是因為單個微粒的瞬時速度變化太快， 所以這個預言難以從實驗上直接證明。2010 年， Science 雜誌報導， 採用光鑷技術在真空中測量了微粒的瞬時速度，首次從實驗上成功地驗證了布朗微粒符合能量均分定理。

光鑷測量布朗粒子的瞬時速度的方法利用兩束正交偏振相向傳播的光束形成的光阱將 3 μm 小球懸浮在空中。採用快速的位置探測器， 嚴格均等分開的兩束探測光強信號的差別獲取小球位置信息。系統測量的是 x 方向位移隨時間的變化。其中實線是麥克斯韋 -玻爾茲曼速度分布曲線 ， 三角信號是噪聲 ， 測量得到單個微粒的布朗運動的瞬時速度約等於0.422 mm/s ， 實驗誤差為 0.021 mm/s。與能量均分定理的預期值 ( k BT/m =0.429 mm/s)很接近， 從而直接證明了布朗運動的麥克斯韋-玻爾茲曼速度分布和能量均分定理。

光鑷操控金剛石氮-空位色心

金剛石氮-空位(NV)色心近年來受到廣泛關注， 因為它在量子光學、 生物螢光標記等領域中有著非常廣闊的套用前景。特別是， NV 的螢光非常穩定， 可以作為一種良好的單光子源。此外， 由於 NV 的電子自旋相干時間可達毫秒量級， 它被認為在未來的量子計算機研製中十分具有潛力。NV 也可作為納米尺寸的感測器， 用於磁場、 電場、 溫度等物理量的測量。如何控制金剛石中的 NV 色心納米顆粒是其套用中的一個技術瓶頸， 然而具有操控微粒功能的光鑷技術則能恰到好處地解決這個困難。

光鑷技術的展態勢

檢索光鑷研究論文的增長趨勢， 在重要期刊發表的數量， 光鑷技術的專利， 這些資料充分表明了光鑷技術的套用研究成果的前瞻性和創新性， 並且， 光鑷技術正邁向美好未來， 廣泛套用於各領域的研究。

自 1986 年美國科學家 Ashkin 在發明光鑷的同時就建立了光鑷儀器的雛形。最初階段， 國際上僅少數著名大學及科研機構的研究人員根據自己的研究需要搭建了不同形式的光鑷實驗裝置。隨著光鑷技術的逐步成熟和套用的需求， 套用範圍也不斷擴大。光鑷技術能方便地與其他多種光學技術銜接， 如與雷射微束、螢光激發、 共焦掃描顯微鏡、 喇曼光譜儀等結合， 光鑷技術自身已從微米精度的操控與探測發展到了納米精度的操控與探測。由單光鑷到多光鑷， 線性光鑷到旋轉光鑷等形成了光鑷的大家族。光鑷技術從深度和廣度而言， 已邁入了一個具有獨立內涵和外延的新技術領域。特別是光鑷微納操控與高解析度成像以及數字圖像分析緊密結合， 已形成了一種強大的用於單分子單細胞和微觀實驗的技術平台。光鑷技術已經打開了許多可能的套用途徑， 將會為 21 世紀許多新科學提供發展契機。光鑷的潛在發展趨勢和市場需求正引起商家的關注， 光鑷產業也在逐步形成。

經過 30 年潛心研究， 光鑷領域正迎接技術套用蓬勃發展的未來。近年來， 國內參與光鑷技術研究的課題組越來越多， 然而大多數集中於理論研究， 涉及實驗的較少。對光鑷技術的全面深入了解和對儀器的需求已成為該領域發展的迫切需求。