光镊技术在生命科学研究中的发展与应用
光镊技术开辟了单细胞操作与精准检测新途径
光镊技术开辟了单细胞操作与精准检测新途径近年来，光镊技术作为一种重要的生物科技工具得到了广泛关注和应用。
与传统的机械操作方式相比，光镊技术通过操纵光束来控制和操作微小物体，如细胞、蛋白质和DNA等。
这种非接触式的操作方式不仅避免了传统机械操作中可能引起的损伤和干扰，还为科学家们开辟了单细胞操作与精准检测的全新途径。
单细胞操作是生命科学研究领域中的一项基础性工作，它对于研究细胞的特性和功能以及疾病的发生机制具有重要意义。
传统的单细胞操作方法主要包括显微针和机械牵引等技术，但这些方法存在诸多局限性。
显微针微操纵需要高超的技巧和经验，并且容易对细胞造成损伤。
机械牵引则无法精准地控制单个细胞的运动与定位。
光镊技术的出现改变了这一局面，具有高精度和非接触性的特点，可实现对单个细胞的精确操作。
基于光镊技术的单细胞操作主要依赖于光的操控能力。
通过调整光束的形状、强度和方向等参数，科学家们可以实现对细胞的捕捉、固定、移动甚至切割等操作。
例如，他们可以利用光镊技术轻松地抓取和操纵细胞，并将其放置到特定的位置进行研究。
光镊技术还可以控制光束的强度来对细胞进行精确的切割，从而实现单细胞分离和单细胞转录组的测序等工作。
除了单细胞操作，光镊技术还在精准检测领域展现出了巨大的潜力。
传统的检测方法往往需要破坏细胞或者繁琐的操作步骤，限制了其在生命科学研究中的应用。
而光镊技术不仅可以对细胞进行非接触式的操作，还可以对其进行实时监测和成像。
例如，科学家们可以利用光镊技术对单个细胞进行活细胞荧光染色和成像，观察其生命活动的变化。
此外，光镊技术还可以结合其他检测方法，如拉曼光谱和质谱等，实现对细胞成分和代谢产物等进行定量分析。
光镊技术的广泛应用不仅推动了单细胞研究的发展，也为生物医学领域的精准治疗和诊断提供了新的思路和方法。
例如，在肿瘤治疗中，通过光镊技术可以对单个肿瘤细胞进行捕捉和杀灭，从而实现高效的个体化治疗。
此外，光镊技术还可以用于血液分析、细胞筛选和微流控芯片等领域，实现对微小生物和实体的高通量操控和检测。
光镊技术在生命科学研究中的发展与应用
以及 与数 字 图象 分析 的结 合 已经 逐渐 形成 了一个
全新 的实验 技术， 日益广泛 的应用在生物大分子 被
分散体系等研 究领 域 中 ［１ ２。 － ５ 纳米生物 学 所研 究 的生物体 系主 要是 生物大 分子及其 复合 体， 它要 求的实验手段首先要 能按照 我们 的愿望操纵和排布分子 ， 又不造成损伤和对 它 周 围环境 的干扰 ， 从而 可 以跟 踪观察它们在真 实生
科学 的发展 ，光镊 操控、高分辨率成像 、位移标定
当轴外光线 （ 图中的ａ 光线）无损耗地穿过小球 、６ 上 时，被小球折射 ， 折射 后传播方 向趋 向更平行于 光轴 ，即光线增大 了纵 向的动量 （ 光轴方 向竖直 向
下 ，规定 为ｚ 向） 方 。由动量守恒原理 ，小球相应 的 获得沿 负ｚ 向的动量 ，即小球受 到的纵 向力为拉 方 力 。即 图中光 束ａ 施 加在小球上 的力为 、 ， 、６ 其合力 沿负光轴方 向。 所有照射Ｎ４ 球上 的光折射 ， 后都贡 献一份 逆轴 向的力 ， 其合力趋 向于把小球拉 向焦点， 这就 是光束对 处于激光束焦点下方 的介质
光通过 小球折射后 ， 小球将分别受到指 向正光轴和
向左 的梯度力作用 ， 小球趋 向于光束焦 点运动 。 使 几何 光学模 型下 的散 射力和 梯度 力 的计算 公
式为
＂ ｔ ’
究和操纵基因组 、 白质乃至纳米生物传感 器等生 蛋 物系统都 是十分重要 的 ［０ 可 以期待将会 出现 一 ８］ － １
第 １ 期
魏
勇 等
光 镊 技 术在 生命 科 学 研 究 中 的发 展 与 应 用
５ ９
＝
等ｆｎ一 Ｒ２ ｓ０ ｉ
１ ＋２ Ｒ ＋
光镊的发展--追寻光的力量
0引言1669年，牛顿提出光的“微粒说”，他认为光是从光源发出的一种光微粒流，具有直线传播的特性，这是人类对光的粒子性的最早认知。
1905年，基于普朗克的量子假说，爱因斯坦在一种全新的物理意义上提出了光子学说以及光的波粒二象性，合理地解释了光与物质相互作用的一些现象。
20世纪60年代，激光的问世为人们研究光与物质的相互作用提供了一种崭新的光源，为光镊的诞生埋下伏笔。
1970年，A.Ashkin 利用两束相向传播的聚焦光束成功地束缚住了在水中的电介质微粒。
1986年，A.Ashkin 只利用了一束聚焦良好的激光就实现了对水中电介质微粒的稳定捕获，这标志这光镊的诞生。
光子具有一定的能量和动量，而光镊充分体现了光的这一特性。
光镊是用高度会聚的激光束形成的三维势阱来俘获，操纵和控制微小颗粒的一项技术。
从1986年到今天，光镊技术不断发展升级，不仅促进了多种学科的发展，而且在生物学，物理学等领域发挥着越来越多不可替代的作用。
本文将介绍光镊的基本原理，装置构造，以及分类；讨论光镊应用的优势与不足，并做出相应的前景展望与改进；回顾近些年来光镊在技术和应用层面的新发展；最后将分析光镊未来的发展趋势。
1光镊简介1.1基本原理光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱，研究微粒在光阱中受到的光阱力的理论模型有几何光学（RO ）近似模型和电磁（EM ）模型。
RO 模型理论适用于几何尺寸远大于波长的微粒，EM 模型适用与尺寸小于波长的微粒。
图1左:光镊原理示意图,右:小球在光镊中的受力示意图光是一种电磁波，其内部震荡的电场会使照射物内形成电流。
电流在光的磁场中形成安培力，称之为光压（或光的辐射力）。
如图1所示，光的辐射力根据其效果可以分为两种：一种是推动目标沿光的传播方向的散射力（Scattering Force ），另一种是往光强密度高拉动目标的梯度力（Gradient Force ）。
如图1所示，用TEM 00的激光照射一个小球，距离光轴较近的入射光线A 通过小球时，发生反射，折射，得到出射光线A'。
光镊技术在生命科学研究中的应用
光镊技术在生命科学研究中的应用
光镊技术是一种重要的生命科学研究手段，它利用激光束产生的光学势能对生物大分子进行操纵和测量。
光镊技术具有无创、高精度、高效率、高灵敏度等优点，广泛应用于生命科学领域的基础研究、药物研发、生物医学工程等方面。
在基础研究中，光镊技术常常用于研究蛋白质、核酸、细胞等生物分子的结构、功能、相互作用等方面。
通过光镊技术，可以精确地控制生物分子的位置、方向、力度等参数，实现对其单个分子的操作和测量。
例如，利用单分子光镊技术，可以研究蛋白质在生物体内的定位、构象变化和功能调控等问题，进而揭示生物分子的分子机制和生理功能。
在药物研发方面，光镊技术可以用于筛选和优化药物分子的作用机制和效果。
例如，利用蛋白质光镊技术，可以对药物分子与靶蛋白之间的结合作用进行精确测量，从而评估药物的亲和力、特异性和效能等性质。
这对于药物研发的精准化和高效化具有重要的推动作用。
在生物医学工程方面，光镊技术可以用于开发生物成像、细胞操作和组织修复等新技术。
例如，利用光镊技术，可以对细胞和组织进行非侵入式的操作和标记，实现对其内部结构和功能的研究和调控。
这对于生物医学领域的疾病诊断、治疗和康复等方面具有重要的应用价值。
总之，光镊技术在生命科学研究中具有广泛的应用前景和潜力，将为人类健康和生命科学的发展做出重要贡献。
光镊技术在生命科学中的应用前景
光镊技术在生命科学中的应用前景随着科学技术的不断进步，许多新的技术在不断诞生并应用到各个领域中。
其中，光镊技术便是生命科学中应用广泛的一种技术。
光镊技术是一种将光束和微型机械加工技术相结合的新型技术，其作用是利用光束对微米甚至纳米级别的生物分子进行操控。
在生命科学研究中，光镊技术可以用于分子分离、分析、定位以及微纳制造等方面，目前已成为了生物分子操控的一项重要技术。
一、光镊技术在生物靶点药物研发中的应用光镊技术在生物靶点药物研发中的应用十分广泛。
其作用是通过改变药物分子结构和成分来提高药物的稳定性和成活率。
此外，光镊技术还可以通过光引发的药物控制释放，有效控制药物的剂量和释放时机。
这种技术的应用使得药物的研发效率大大提高，可以更加精准地制订靶点药物研发方案。
二、光镊技术在基因编辑中的应用基因编辑是目前生物学领域中非常热门的研究课题，旨在通过对基因序列的修改来改变生物体的一些特性。
而光镊技术在基因编辑中的应用则是使得基因编辑更加方便和快速。
通过使用光镊技术，研究人员可以精准地改变基因序列，进行高效的基因编辑。
这种技术的应用使得基因编辑的效率得到了大幅提升，可以更加完善地开展基因编辑研究。
三、光镊技术在细胞成像中的应用在生命科学研究中，细胞成像是十分重要的一个环节。
而光镊技术可以通过对细胞进行精确的控制，使得细胞成像更加清晰和准确。
通过使用光镊技术，研究人员可以对细胞的实时动态进行观察和记录，并且可以控制细胞的移动、参与反应等过程。
这种技术的应用让细胞成像在生命科学研究中发挥了更加重要的作用。
四、光镊技术在单细胞组学中的应用在单细胞组学研究中，研究人员需要精确地针对单个细胞进行研究，从而探究基因调控和代谢网络等相关机制。
而光镊技术可以通过对单个细胞的操控和诱导，使得单细胞组学研究更加完善和深入。
通过使用光镊技术，研究人员可以对单个细胞进行操作，包括进行药物的注射、电击、脉冲处理等。
这种技术的应用可以更好地开展单细胞组学研究，实现对单个细胞特性的深入研究。
光镊技术实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解光镊技术的基本原理和操作方法；2. 掌握光镊在操控微小物体中的应用；3. 分析实验数据，评估光镊技术的性能。
二、实验原理光镊技术是一种利用光力捕获和操控微小物体的技术。
其基本原理是：当光束照射到微小物体上时，由于物体对光的吸收、散射和折射，光束会发生偏折，从而对物体产生光压。
通过调节光束的强度、方向和聚焦位置，可以实现对微小物体的捕获、操控和定位。
三、实验仪器与材料1. 光源：He-Ne激光器；2. 光路调节系统：包括光束扩展器、光束分割器、光束聚焦器、光束导向器等；3. 操控平台：包括光镊、样品台、摄像头等；4. 样品：直径为5μm的玻璃球；5. 计算机软件：用于数据采集、处理和分析。
四、实验步骤1. 准备实验仪器，包括光源、光路调节系统、操控平台等；2. 将He-Ne激光器调至最佳工作状态，输出稳定的激光束；3. 通过光路调节系统，将激光束聚焦至样品台上的玻璃球；4. 调节光束聚焦位置，使光束与玻璃球接触；5. 观察玻璃球在光镊作用下的运动情况，并记录相关数据；6. 分析实验数据，评估光镊技术的性能。
五、实验结果与分析1. 光镊对玻璃球的捕获在实验过程中，当光束聚焦至玻璃球上时，玻璃球被成功捕获。
在光镊作用下，玻璃球在样品台上做往返运动，运动轨迹基本呈直线。
这表明光镊能够有效地捕获微小物体。
2. 光镊对玻璃球的操控通过调节光束聚焦位置和强度，可以实现对玻璃球的操控。
在实验中，我们观察到以下现象：（1）当光束聚焦位置在玻璃球上方时，玻璃球向上运动；（2）当光束聚焦位置在玻璃球下方时，玻璃球向下运动；（3）当光束聚焦位置在玻璃球侧面时，玻璃球沿光束方向运动。
这表明光镊能够实现对微小物体的精确操控。
3. 实验数据与分析根据实验数据，我们可以得出以下结论：（1）光镊技术能够有效地捕获和操控微小物体；（2）光镊的操控精度较高，能够实现对微小物体的精确定位；（3）光镊技术在操控微小物体方面具有广泛的应用前景。
光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展
光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展信息工程系 王 坚[摘要] 激光陷阱和控制、操作中性微小粒子的光镊技术是以光的辐射压原理为基础的，利用光与物质间动量的传递的力学效应形成三维梯度光学陷阱。
光压的实际应用在20世纪激光诞生后才得以实现。
由于激光突出的高方向性、高相干性、高亮度产生的辐射压高于一般的光，所以使得基于光压原理的光镊能够被发现并运用。
光镊能够捕获和操纵微米尺度粒子成为捕获操纵粒子独特且有效的手段，并且这种方法在物理和生物科学等领域掀起了一场技术革命。
本文简要回顾了早期光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展，以及当代光镊技术研究的最新成就。
[关键词] 激光陷阱，光镊，激光1． 引言光镊是基于光的力学效应的一种新的物理工具，它如同一把无形的机械镊子，可实现对活细胞及细胞器的无损伤的捕获与操作。
光镊的发明正适应了生命科学深入到细胞、亚细胞层次的研究趋势，也为生物工程技术提供了一种新的手段。
仅仅20年光镊的应用已展示其在物理和生命科学领域中无限美好的应用前景。
2. 光镊技术原理2.1光压原理光镊技术是基于光压原理的，光压原理在牛顿和开普勒时期就已经提出来了但是一直都没有什么应用。
光的压力原理早期只有在天文学中有些应用，德国的天文学家开普勒，在17世纪初提出彗尾之所以背向太阳的原因是，其受到了太阳辐射光压的作用力。
因为只有在天文学研究中当光的强度和距离都非常大的时候，光压对物质的影响才会明显的表现出来。
1873年Maxwell 从光的波动理论角度根据电磁理论推导出了光压的存在（电磁辐射压）并且给出了垂直入射到部分反射吸收体表面的光束的光压为：()R cE p +=1 其中,E 为每秒钟垂直入射到12m 上的能量，c 为光速，R 为物体对光的反射系数。
由计算式可以粗略的看出光压与光的动量有关。
从量子理论角度分析，我们可以认为光是由光子组成的，每个光子的能量为γh ，动量为ch γ，我们只能认为光压是光子将它的能量、动量传递给物体的吸收面或者反射的结果。
光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展
光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展信息工程系 王 坚[摘要] 激光陷阱和控制、操作中性微小粒子的光镊技术是以光的辐射压原理为基础的，利用光与物质间动量的传递的力学效应形成三维梯度光学陷阱。
光压的实际应用在20世纪激光诞生后才得以实现。
由于激光突出的高方向性、高相干性、高亮度产生的辐射压高于一般的光，所以使得基于光压原理的光镊能够被发现并运用。
光镊能够捕获和操纵微米尺度粒子成为捕获操纵粒子独特且有效的手段，并且这种方法在物理和生物科学等领域掀起了一场技术革命。
本文简要回顾了早期光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展，以及当代光镊技术研究的最新成就。
[关键词] 激光陷阱，光镊，激光1． 引言光镊是基于光的力学效应的一种新的物理工具，它如同一把无形的机械镊子，可实现对活细胞及细胞器的无损伤的捕获与操作。
光镊的发明正适应了生命科学深入到细胞、亚细胞层次的研究趋势，也为生物工程技术提供了一种新的手段。
仅仅20年光镊的应用已展示其在物理和生命科学领域中无限美好的应用前景。
2. 光镊技术原理2.1光压原理光镊技术是基于光压原理的，光压原理在牛顿和开普勒时期就已经提出来了但是一直都没有什么应用。
光的压力原理早期只有在天文学中有些应用，德国的天文学家开普勒，在17世纪初提出彗尾之所以背向太阳的原因是，其受到了太阳辐射光压的作用力。
因为只有在天文学研究中当光的强度和距离都非常大的时候，光压对物质的影响才会明显的表现出来。
1873年Maxwell 从光的波动理论角度根据电磁理论推导出了光压的存在（电磁辐射压）并且给出了垂直入射到部分反射吸收体表面的光束的光压为：()R cE p +=1 其中,E 为每秒钟垂直入射到12m 上的能量，c 为光速，R 为物体对光的反射系数。
由计算式可以粗略的看出光压与光的动量有关。
从量子理论角度分析，我们可以认为光是由光子组成的，每个光子的能量为γh ，动量为ch γ，我们只能认为光压是光子将它的能量、动量传递给物体的吸收面或者反射的结果。
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，
（）
式中， 为入射激光光强； 是半径为 的散射体的
散射截面； 为周围介质的折射率； 为粒子的折
射率；
为相对折射率； 为入射波长。显然，
散射力的大小与激光功率和 成正比，散射力的方
光镊系统由半导体激光器，红外激光器 也可
以是其他类型的连续或脉冲激光器 ，光学匹配元
件，显微物镜，照明光源，二维精密载物台，电动
第期
国内发展情况
魏 勇 等 光镊技术在生命科学研究中的发展与应用
位移来实现，通过计算可得到胶原质分子的刚度。
我国在利用纳米光镊技术方面做了初步的探 索，中国科技大学激光生物实验室已经搭建了纳米 光镊实验系统，并开展了相关纳米生物学的研究， 国内还有中国科学院北京物理所、天津大学、北京 大学等也在开展该方向的研究，目前在应用方面取 得了一些研究成果，例如为了研究单个生物大分子 的动力学过程，研制了一套光镊系统，将 法和
延迟是随运动而变化的。采用象限光电探测器检测
并记录小球的位移，其输出信号被电子放大器放大
并送到光镊快速移动控制环节形成闭环反馈，以固
定小球位置，并随时计算小球所受作用力的大小。
微分共焦显微镜方法探测轴向位移
在大部分的光镊应用中，捕获物体的横向位移
可以通过探测散射光线来标定，而轴向位移的探测
直到现在也没有得到很好的发展。其实在光镊技术
球心 处在光束焦点上方和光束焦点右方的小球，
见图
和图 ，类似的力的分析可以得到，
光通过小球折射后，小球将分别受到指向正光轴和
向左的梯度力作用，使小球趋向于光束焦点运动。
几何光学模型下的散射力和梯度力的计算公 式为
（）
收稿日期： 作者简介：魏 勇（
基金项目：国家自然科学基金资助项目（
；
）
），男，山东平度人。硕士研究生。主要研究方向为光电检测和激光精密测试。
燕山大学学报
定。
等人采用垂直腔面发射激光（
） 半径可比时，此方法存在误差，需用公式
阵列作为光阱光源 ，使用
阵列并结
合 常规光学系 统构建了 多光阱系统，但由于
光源功率不足，光阱稳定性不够理想。
（）
图 实验光路图
光镊的校准和操控
光镊的校准对象是光镊技术所探测的位移和
力，校准方法根据不同的探测体系而有所不同。光
它提供了一个可以调控的纳米位移的操纵，并且采
用干涉计测量纳米级的位移。将以上技术和光镊结
合起来组成新的测量体系，该体系能够对胶原质分
子以及其他的大分子的性质进行定量测量 ，实
验结果表明体系具有纳米数量级的标定。
图 是以胶原质分子为例的单分子生物测量 原理图。图 为顶部观察，图 为侧面观察。一 个胶原质分子一端粘着聚苯乙烯大球，一端粘着聚 苯乙烯小球，小球被捕陷在光阱中，光阱不动，通 过移动阱台使大球随之移动，胶原质分子被拉长。 图 为达到机械平衡状态， 和 的大小相等，
纳米光镊技术及应用
生物大分子的尺度为纳米量级，对它们的操控 以及它们在动态过程中涉及的位移测量应达到纳 米精度，相互作用力的检测应为皮牛（ ）量级。 即在单分子水平上探索生命运动的规律，必须发展 相应精度的物理技术和方法，特别是单个生物大分 子的纳米精度操控与定位、纳米位移的测量。
纳米光镊技术由于兼具对个体进行“遥控”操 作和静态动态力学测量的独特优势 ，自问世以来 发展非常迅速，其主要的特点是： ）直接操控亚 微米到微米量级的粒子，间接操控的粒子的尺度达 到纳米量级； ）光镊控制微粒的定位和移动精度 达到纳米量级； ）对操控粒子的位移测量达到纳 米精度； ）可实时测量操控粒子所受的力，精度 可以达到亚皮牛量级。基本的纳米装置包括 大部 分：光阱形成、显微观察及光学耦合的光路系统； 纳米精度操控系统；纳米精度位移与微小力测量系 统。实际的纳米光镊系统根据具体的应用要求，在 配置上会有所变化。
第 卷第 期 年月
文章编号：1007-791X (2008) 01-0058-07
燕山大学学报
光镊技术在生命科学研究中的发展与应用
魏 勇 ，朱艳英 ，赵原源 ，肖长江 ，史锦珊
（ 燕山大学 理学院，河北 秦皇岛
； 燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛
）
摘 要：介绍了光镊技术的原理和系统结构，追踪了光镊操作和探测技术从微米到纳米的进展，最后给出了纳 米光镊在生物技术领域的应用。
振的光束，这两束偏振光通过物镜形成彼此重叠的
衍射极限光斑，在样品平面上形成一个光学势阱。
当小球置于样品平面上的两个会聚光斑里时，将导
致这两束光之间的相对位相延迟。然后当它们在下
一个渥拉斯顿棱镜重新结合并相干时便产生了椭
圆偏振光。椭圆率可以用 波片和一对象限光电
探测器测量，从而得到灵敏的位相延迟度量，这种
的应用中，许多的研究都能从高精确的轴向位移探
测中获益。例如，在
的机械弹性研究中，力
和形变都有明显的轴向成分；另外，在细菌外部的
隔膜中蛋白质分子的扩散常数的测定也要求轴向
位移的标定 。近来，一个利用前散射光线的干
法相结合来实现纳米位移的定量测量，并在 此基础上建立皮牛力的测量体系 ；用光镊探测
细胞上的白细胞介素 受体与配体相互作 用，实验表明这对恶性肿瘤的辅助治疗很有帮助； 测量了与生物免疫有关的大分子－抗体抗原间的 相互作用；利用光镊技术实现了对硅表面的纳米加 工 等等。同时在理论方面，当激光波长远大于 纳米粒子时，可采用电磁场模型来研究其中的粒子 行为 ，目前这项理论计算工作也在进行中，理 论体系逐渐得到完善。
对力的标定分为对横向阱力和轴向阱力的标
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
定。一般来讲 对光镊操作有影响的主要是横向阱
力。对横向阱力的标定通常使用流体力学的方法
和热涨落的方法 。流体力学的方法认为被光镊
控制移动的小球在静止的介质中所受到的粘滞力
可由
公式计算：
。其中， 为小球
与流体的相对运动速度； 为小球半径； 为流体的
粘滞系数，此力使小球偏离光阱中心位置，从而产
快门， 摄像机，图像采集卡，计算机组成。基
本结构如图 所示，样品置于载物台上，通过显微
物镜成像于
光敏面，其图像经图像采集卡输
入计算机，操作者可通过显示器对样品进行观察，
调节物镜高度与照明光源使成像清楚。激光经聚焦
光学系统进入显微镜，调节聚焦光学系统使激光光
束准确聚焦于样品，且通过调节聚焦光学系统可控
关键词：光镊；纳米生物学；纳米光镊；生物大分子 中图分类号：Q631 文献标识码：A
引言
光镊在问世之初被看作是微小宏观粒子的操 控手段， 年美国贝尔实验室的科学家 首先将光镊技术用于生命科学的研究，同时，他用 一束强聚焦激光实现了三维梯度力势阱。光镊的基 本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学 效应 ，它可以准确的、无损伤的捕获几十微米到 几十纳米大小的粒子，这种非机械性的操控对捕获 微粒的周围环境影响很小，这些特点使得它在物 理、生物和化学领域得到了广泛的应用。随着近来 科学的发展，光镊操控、高分辨率成像、位移标定 以及与数字图象分析的结合已经逐渐形成了一个 全新的实验技术，被日益广泛的应用在生物大分子 分散体系等研究领域中 。
学陷阱行为象一个线形的弹簧 ：光阱施加了一
个线形恢复力，
。 是物体偏离光阱中心的
位移， 是光阱的刚度系数，因此横向光阱可以看
作是一维简谐势阱。由于光镊的受力与位移有关，
所以首先要对位移探测进行标定。使用 摄像
机做位移测量时，被探测小球成象半径与 象
素尺之比与探测精度有关。该比值越小，探测误差
越大。当比值大于 时，探测误差趋近于零。
第期
魏 勇 等 光镊技术在生命科学研究中的发展与应用
向沿入射光的传播方向。
（）
式中， 为周围介质的折射率； 为激光功率； 为 真空中的光速； 和 分别是菲涅耳反射率和透射 率； 和 分别为光线的入射角和折射角。
由于外加激光光场会使粒子极化，处于电磁场 梯度中的粒子会受到梯度力的作用。梯度力源于电 场中感生电偶极子受到的洛仑兹力，其大小正比于 光强梯度，方向指向强度梯度的方向。计算公式为
下，规定为 方向）。由动量守恒原理，小球相应的
获得沿负 方向的动量，即小球受到的纵向力为拉
力。即图中光束 、 施加在小球上的力为 、 ，
其合力沿负光轴方向。所有照射到小球上的光折射
后都贡献一份逆轴向的力，其合力趋向于把小球拉
向焦点，这就是光束对处于激光束焦点下方的介质
小球产生与光束传播方向相反的拉力的来源。对于
生光阱恢复力。当粘滞力与光阱恢复力相等时小球
的位置为平衡位置，测量此时的位移，可求出光阱
的刚度为
（）
但当小球位置接近盖玻片表面、距表面距离与小球
校正。但若 大于 时，所引入的误差很小，无需
校正。
热噪声分析的方法也可对小球受力进行标定， 使用玻尔兹曼统计学对热噪声波动进行分析 可得 到不同位移的力常数。该方法只需测量光阱中小球 的热噪声位移和实验环境的绝对温度值，对粒子小 球的球形偏离度没有要求。但该方法不常用。
，
（）
式中， 为介质粒子的极化率。从中可以看出，梯 度力的大小与 成正比。
球心在光束焦点下方
球心在光束焦点上方
当粒子尺度与波长大小相时，目前对这种中间
粒子的光捕获研究还没有一个简单、统一的模型。
等人采用广义洛仑兹和米氏理论（
）
分析了任意大小的粒子在高斯光束中所受的辐射
力。
等人通过大量的计算分析，验证
纳米生物学所研究的生物体系主要是生物大 分子及其复合体，它要求的实验手段首先要能按照 我们的愿望操纵和排布分子，又不造成损伤和对它 周围环境的干扰，从而可以跟踪观察它们在真实生 命活动中的基本过程。纳米光镊技术恰恰在这一点 上具有不可比拟的优势 ，这个新方法对深入研 究和操纵基因组、蛋白质乃至纳米生物传感器等生 物系统都是十分重要的 ，可以期待将会出现一 系列重要的生物学应用。本文对光镊的原理、系统 构成、校准和操控方法以及发展到纳米光镊技术方 面的应用做了综述。