光镊原理及其应用
近代物理实验-光镊实验
光镊实验姓名：xxx 班级：21级xxxxxx实验班学号：xxxxxxxxxx 一、实验目的：（1）了解光的力学效应；（2）了解共焦实验光路的原理和搭建要求；（3）掌握微颗粒的光学捕获技巧，准备含2μｍ或５μｍ的SiO2 微粒的微纳样品腔，并通过显微镜及显示器成像，观测其中SiO2微粒的布朗运动。
（4）掌握光镊力的计算。
二、实验原理：1.光镊基础原理：（1）光具有波粒二象性，因此其既具有能量也具有（内禀）角动量与线动量，以此其可以与粒子碰撞，发生散射，由此通过光束可以对粒子进行力的相互作用，这也是光镊的基础之一。
（2）光阱力的构成：梯度力：来自介质当中，具有电偶极矩的小球在非均匀电磁场当中由于电磁场两点间存在梯度差，因此粒子会受到梯度力作用，这将使粒子朝向光功率密度最大，即场强最大的点运动。
散射力：光在与介质中的粒子发生散射时，粒子与光子碰撞获得动量，这会产生冲量具有力的相互作用使粒子朝向光传播的方向运动。
图1.几何光学机制下光阱力的受力分析原理图（微粒远大于波长）几何光学机制：对于直径远大于激光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理论来解释，如图1.所示，（a）中微粒使得光发生散射，同时反冲力使微粒向焦点运动，其他两个同理，由此可以通过控制光束焦点位置来控制微粒的前后左右移动以实现对粒子的操控。
若颗粒在横向方向（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，使微粒趋向激光光束焦点处。
该作用力与光阱效率、激光功率成正比。
如图2.所示，当一束强高斯激光汇聚到一个透明微粒处，若周围介质的折射率效应微粒的折射率，微粒都会被激光束所产生的梯度力推向具有最强光场强度，即焦点处；同时微粒与光相互作用时，微粒还会受到散射力的作用，当散射力与梯度力平衡时，微粒即可被稳定捕获。
图2.单光阱光镊原理图2．光镊系统的组成光镊实验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等组成。
光镊实验的研究内容
光镊实验的研究内容光镊实验是一种基于光力学原理的实验方法，通过利用光的动量对微小颗粒施加力的特性，实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的研究内容主要包括光镊原理、光镊系统设计和应用等方面。
光镊原理是光镊实验的基础，其核心思想是利用激光束对微小颗粒施加光压力，产生一个与光束传播方向相反的恒力，从而实现对微小颗粒的操纵。
根据光镊原理，可以将光束聚焦到一个微小的焦点，形成一个光学陷阱，通过调整光束的参数，可以调节光陷阱的位置和力度，实现对微小颗粒的精确操纵。
光镊系统的设计是光镊实验的关键环节，它包括光源、透镜、光阑、光学陷阱等组成部分。
其中，光源是提供激光束的光源装置，通常使用激光器作为光源，激光器可以提供高强度、单色、相干性好的激光束。
透镜用于对激光束进行聚焦，可以将激光束聚焦到一个微小的焦点。
光阑用于控制激光束的直径和形状，可以调节光束的参数。
光学陷阱是光镊系统的核心部分，通过光学陷阱可以实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的应用非常广泛，涉及生物医学、纳米技术、物理学等多个领域。
在生物医学领域，光镊实验可以用于单细胞操纵、细胞捕获和操纵、蛋白质分子的定位等研究。
在纳米技术领域，光镊实验可以用于纳米颗粒的组装、纳米器件的制造等研究。
在物理学领域，光镊实验可以用于研究光与物质的相互作用、光与物质的能量转换等基础问题。
光镊实验的研究还面临一些挑战和困难。
首先，光镊实验需要高质量的激光束，因此对光源的要求较高。
其次，光镊实验对光学系统的要求也较高，需要高质量的透镜和光阑。
此外，光镊实验对环境的要求也较高，需要较低的振动和干扰。
光镊实验是一种基于光力学原理的实验方法，通过利用光的动量对微小颗粒施加力的特性，实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的研究内容包括光镊原理、光镊系统设计和应用等方面。
光镊实验在生物医学、纳米技术、物理学等领域有广泛的应用前景，但也面临一些挑战和困难。
光镊技术在单细胞分离中的应用
光镊技术在单细胞分离中的应用随着生物技术的飞速发展，单细胞分离成为了分子分析和功能研究的基础。
而光镊技术则成为了实现单细胞分离的重要手段之一。
光镊技术，即利用激光束产生的电磁场对物质进行捕捉或操纵。
本文将探讨光镊技术在单细胞分离中的应用。
一、光镊技术的基本原理光镊技术基于物质与电磁场的相互作用。
激光束在空间中产生电磁场，将物质吸引或排斥，实现对物质的精确捕捉和操纵。
光镊技术中常用的激光是Nd:YAG激光，其波长为1064纳米，能够穿透许多生物材料。
通过控制激光束的强度、位置和形状，可以实现对细胞和分子的高效、精确操控。
二、光镊技术在单细胞分离中的应用1. 单细胞分离单细胞分离是生物医学研究中最基础的研究方法之一。
其重要性在于研究某些细胞群落中的单个细胞，从而识别细胞类型、分离纯化、测量基因表达和蛋白质活性等。
传统的单细胞分离技术主要有化学和力学方法，但这些方法存在不可避免的细胞损伤和操作难度大的问题。
因此，基于光镊技术的单细胞分离方法成为了研究人员的选择。
通过调整激光束的功率、位置和形状，可以实现对单个细胞的高效、精确的抓取和定位，实现单细胞分离。
2. 单细胞修饰在一些研究中，需要对单个细胞进行特定基因的修饰，以研究其对特定疾病或生理现象的影响。
基于光镊技术的单细胞修饰方法，可以实现对单细胞特定基因的定向修饰。
在激光束作用下，通过光致基因转染和CRISPR/Cas9系统的组合，可以将外源基因和定向核酸酶引入单细胞，完成定向修饰。
3. 单细胞检测在分子分析研究中，对单个细胞分子表达水平的检测非常重要。
基于光镊技术的单细胞检测方法，可以实现对单个细胞的高灵敏度检测。
通过激光束的捕捉和操纵，将单个细胞置于检测区域内，再通过基于PCR或质谱分析等检测方法进行分析，实现对单个细胞分子表达水平的检测。
三、光镊技术在单细胞分离中存在的争议虽然光镊技术在单细胞分离中具有许多优势，但也存在一些争议。
首先，其成本较高，需要高端激光器和高精度的显微镜系统。
有关于光镊原理的生活应用
有关于光镊原理的生活应用光镊是一种利用光的作用力来夹取微小物体的设备，可以应用于许多生活场景中。
以下是一些光镊原理的生活应用。
一、显微镜操作在显微镜操作中，光镊可以用来夹取和移动物体，如植物细胞、昆虫样本等。
通过调整光镊的位置和角度，人们可以更方便地观察和分析样本。
二、电子产品维修在电子产品维修中，光镊可以用来夹取和放置元件，如电子元器件、电路板上的小零件等。
光镊的精确夹取功能可以帮助技术人员更好地进行微小物体的操作，提高维修效率和准确性。
三、珠宝制作珠宝制作中，使用光镊来夹取和操控小小的宝石、珠子、金属配件等。
光镊的精确度和操作性可确保珠宝匠更加轻松地创建复杂的设计，同时减少损坏和误操作的风险。
四、纤维检测和修复在光纤通信领域，光镊被广泛应用于纤维的检测和修复。
通过使用光镊夹取纤维，技术人员可以更容易地检查纤维光纤的质量，找到问题并进行修复。
五、生物医学研究在生物医学研究中，光镊可以用于夹取和处理细胞、组织、小分子等微小物体。
例如，科学家可以使用光镊来夹取并操作细胞进行药物注射、病毒注入等实验，以研究其功能和反应。
六、微电子制造在微电子制造过程中，光镊可以帮助工程师精确地夹取和放置微小的电子元件，如芯片和电线。
光镊的高精度操作能力可以大大提高制造效率，减少损坏和浪费。
七、实验室操作在科学研究实验室中，光镊常被用来夹取和移动微小器具、实验物品、化学试剂等。
它的操作精准度使实验人员可以更精确地操作和控制实验过程。
八、医疗手术在一些微创手术中，光镊可用于夹取和操控微小器械、缝合线等。
它的精确操作性可使医生更容易进行手术、操控和缝合，减少创伤和愈合时间。
九、精密装配在精密装配行业中，光镊广泛应用于夹取和组装微小部件、螺丝、线缆等。
光镊的高精度操作功能可以帮助工人更好地操作和装配，提高产品质量。
总之，光镊原理的生活应用非常广泛。
从科学研究到医疗手术，从珠宝制作到电子产品维修，光镊的高精度操作能力让人们更方便地夹取和操控微小物体，提高了效率和准确性。
光镊原理资料
光镊原理
光镊是一种利用激光束在微观尺度上进行操控和操作的技术。
光镊技术可以通过操纵光场的势能来实现对微小物体的精确控制，被广泛应用于微操控、生物医学和纳米加工领域。
光镊的基本原理
光镊的基本原理是利用激光束对微小粒子的反向光学力进行操纵。
当一束激光束聚焦到微小粒子上时，激光束在粒子表面产生的反射作用力会将微小粒子朝光束的焦点方向推动。
当激光束焦点逐渐移动时，可以实现对微小粒子的三维操控。
光镊的工作原理
光镊的工作原理是基于输入激光的光场与微小物体的相互作用。
激光束的光子对微小物体施加的作用力主要包括光场梯度力和光场散射力。
光场梯度力是由激
光光场强度梯度产生的，可用于操纵微小粒子的位置。
光场散射力则是由光子撞
击微小粒子表面而产生的反向力。
光镊的应用
光镊技术在生物医学领域有着广泛的应用。
例如，可以利用光镊技术对生物细胞进行操作和研究，实现单细胞的操控和精细处理。
此外，光镊技术还可以用于
制备微米级别的光学器件，如光子晶体、微透镜等。
另外，光镊技术还在纳米加工领域得到了广泛应用。
利用激光束的高精度控制，可以实现对纳米尺度的加工和定位，为纳米器件的研发提供了新的可能。
结语
光镊技术作为一种高精度的操控技术，在微操控、生物医学和纳米加工领域具
有重要的应用价值。
通过对光镊的原理和工作原理的深入理解，可以更好地应用
和推广光镊技术，为相关领域的研究和发展提供有力的支持。
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。
光镊的技术原理及应用
光镊的技术原理及应用1. 引言光镊是一种利用激光束产生光压力，对微小粒子进行操控和固定的技术。
其原理基于光子的动量，通过调节激光的光束参数，可以实现对微粒子的捕捉、移动、旋转等精确控制。
光镊技术在生物医学、纳米科学、光学通信等领域具有广泛应用。
2. 原理光镊技术的原理基于光子的动量和光压效应。
光子是光的最小单位，具有一定的动量。
当光子射到物体上时，其动量将被传递给物体，使其受到压力。
利用激光束产生的高强度、高聚焦的光场，可以对微小粒子施加足够的光压力，实现对其进行操控。
光镊技术主要基于两种光压效应：反射光压和偏折光压。
反射光压是指激光束射到微粒子表面后，被微粒子反射回去，产生反向的光压力。
偏折光压是指激光束通过微粒子时，由于微粒子对光的折射率不同于周围介质，产生折射现象，使光束偏折，从而产生光压力。
这两种光压效应可以结合使用，实现对微粒子的精确控制。
3. 技术应用3.1 生物医学领域光镊技术在生物医学领域有广泛的应用。
例如，可以利用光镊技术对单个细胞进行操控和研究，包括单细胞分离、单细胞操控、单细胞解析等。
此外，光镊技术还可以用于显微手术，如利用激光束进行准确切割或光凝固，实现微创手术。
光镊技术在生物医学领域的应用有望进一步推动微创手术的发展，并为生物医学研究带来突破。
3.2 纳米科学领域光镊技术在纳米科学领域也有重要应用。
通过调节激光的光束参数，可以对纳米颗粒进行精确的操控和排列，实现纳米技术的发展。
例如，可以利用光镊技术将纳米颗粒按照一定的规则排列，制备纳米材料的光学器件或纳米电路。
此外，光镊技术还可以用于纳米机器人的控制和操纵，推动纳米科学的进一步研究和应用。
3.3 光学通信领域光镊技术在光学通信领域有着重要的应用。
利用光镊技术，可以对光纤中的光信号进行精确的调控和处理，实现光信号的控制和传输。
例如，可以利用光镊技术对光纤中的光信号进行调制，实现光信号的放大或滤波。
此外，光镊技术还可以用于光纤通信系统中的光路选择和光纤连接的调整，提高光通信的可靠性和性能。
光镊原理的应用
光镊原理的应用1. 光镊的定义光镊是一种利用光的特性来控制微观对象的工具。
它利用激光束的聚焦效应，将光束聚焦成一个非常小的光点，并利用光的压阻力或光子的冲击力对微观对象进行操作和控制。
2. 光镊的工作原理光镊的工作原理主要基于下列两个重要效应：2.1 光阱效应光阱效应是指激光束在介质中发生折射、散射等现象，从而形成一种类似于势阱的光学场景。
当微观对象进入光阱时，会受到光的压阻力，并被限制在光束的焦点区域内。
2.2 光压效应光压效应是指光子在物体表面产生的反冲作用力。
当激光束聚焦到微观对象表面时，光子的冲击力会使微观对象受到推动或操纵。
3. 光镊的应用领域3.1 生物学研究光镊在生物学研究中得到广泛应用。
它可以用于操纵和植入细胞，进行单细胞操作、细胞捕获和分类，以及光学镊切、拉伸等细胞操作技术。
3.2 纳米技术在纳米技术领域，光镊可以用于纳米粒子的操纵、定位和组装。
通过调整激光的参数，可以精确控制纳米粒子的位置和方向。
3.3 光学通信在光学通信领域，光镊可以用于对光纤进行修复和调整。
通过调整激光的焦距和功率，可以精确控制光纤中的光信号。
3.4 物理学研究光镊在物理学研究中也扮演着重要角色。
它可以用于单个原子和分子的操作和操纵，以及量子态的控制和测量。
4. 光镊的优势和局限性4.1 优势•光镊可以对微观对象进行非接触式操作，避免了对样品的污染和损伤。
•光镊具有高空间分辨率和灵活的操纵能力，可以实现高精度的操作和控制。
•光镊可以在不同环境中工作，适用于各种复杂样品。
4.2 局限性•光镊在操纵微观对象时受限于光的传播特性，操作范围较小。
•光镊的操纵效果受到光源和光学系统的限制，需要高质量的光源和光学器件。
5. 总结光镊作为一种利用光的特性进行微观操纵和控制的工具，在生物学研究、纳米技术、光学通信和物理学研究等领域都有广泛的应用。
它具有非接触式操作、高空间分辨率和灵活的操纵能力等优势，但也存在操作范围较小和光源、光学器件的限制等局限性。
光镊技术的原理及应用
图4 光镊
(b)
测量微粒
布朗运动
的瞬时速
度。(a)实
验装置原
理 图 ;(b)
微的布朗
运动瞬时
速度分布
曲线
1907年，爱因斯坦认为能量均分定理适用于布朗微粒，但是因为单个微粒的瞬时速
度变化太快，所以这个预言难以从实验上直接证明。
2010年，Tongcang Li等人利用两束正交偏振相向传播的光束形成的光阱小球悬浮在
利用光镊捕获微粒，使两微粒在显微镜焦平面附近发生碰撞并直接进行观察。 通过大量的碰撞后两个微粒结合与分散，可得到相互作用的直接信息。
•纳米技术领域
在纳米技术领域，由于光镊能对微米级和纳米级的器件进行非接触 式操纵，因而被用于纳米压印、纳米组装和微纳加工。
图7 纳米组装。a）用光镊将沉在样品池底部的纳米线镊起；b）用光镊将 GaN纳米线和SnO2纳米带镊起，并放置到正确位置，然后用光学激光将二 者熔合。 （Pauzauski等人，纳米器件、电路）
图11 光镊测量细胞膜弹性。(a)光镊拉伸细胞的示意图;(b)用药后细胞膜的变 化量;(c)没有加药细胞膜的变化
图12 光镊技术操控活体动物内的红细胞。 (a)光镊操控小白鼠耳朵毛细血管 中的红细胞示意图;(b)光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动
•分子生物学领域
图13 用光镊操纵单分子体系的模式。（a）单分子的一端粘在光阱中的微球上， 另一端粘在盖玻片上；（b）单分子的一端粘在光阱中的微球上，另一端粘在 吸附在玻璃微针上的微球上；（c）单分子的两端分别粘在两个光阱（双光阱） 中的微球上。
光镊技术的原理及应用
2017年3月22日
光镊技术的定义 原理 实验装置 操纵特点 应用
定义
光镊的技术原理及应用
光镊的技术原理及应用光镊是一种利用光学力对微小粒子进行操作和操纵的技术设备。
它的技术原理主要基于激光束的光学力和光动力学效应。
通过调控激光束的参数，如光强、波长和光束的横截面形状等，可以对微小粒子产生吸引力或推力，实现对其位置和运动的控制，从而实现对微小粒子的操作。
光镊的技术原理主要包括光学效应、散射效应和吸收效应。
其中光学效应是最基本的原理，它通过光场对粒子施加的力来操纵粒子的运动。
当激光入射到粒子上时，激光光子与粒子之间会发生散射作用或吸收作用。
激光束的光强和波长的选择会影响光学效应的大小和类型。
当光学效应与光学力平衡时，粒子会被束缚在光学力场中，形成光镊效应，这样就可以对粒子进行操作。
光镊技术有着广泛的应用领域。
首先，光镊技术可以用于微生物学研究。
通过光镊技术，可以操纵微生物细胞、病毒等微小生物粒子，进行单个细胞的操作和研究。
例如，可以通过光镊技术捕获和操作单个细胞，研究其生长、分裂和运动等过程。
此外，还可以通过光镊技术将不同种类的微生物分离，实现对微生物的定点操作。
其次，光镊技术在生物医学领域也有很多应用。
例如，可以利用光镊技术对单个细胞进行操作，并对细胞内部进行精细的观察和测量。
这对于了解细胞的功能、结构和代谢等过程具有重要意义。
此外，光镊技术还可以结合显微技术，实现对活体组织和器官进行非侵入性操作和观察。
例如，可以通过光镊技术对活体细胞进行切割、焊接、注射等操作，用于研究和治疗癌细胞、神经退行性疾病等疾病。
再次，光镊技术也可以应用于纳米技术和纳米制造领域。
通过光镊技术，可以操纵和组装纳米颗粒，构建纳米结构和纳米器件。
例如，可以通过控制光镊的位置和力度，操纵纳米颗粒进行排列和组装，构建具有特定功能和性能的纳米结构。
此外，还可以利用光镊技术对纳米材料进行加工和处理，实现对纳米材料的精确控制和调节。
总之，光镊技术通过利用光学力对微小粒子进行操作和操纵，具有广泛的应用前景。
它在微生物学研究、生物医学领域和纳米技术等领域都有重要应用。
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光镊原理及其应用摘要：激光的发明使得光的力学效应走向了实际应用。
本文介绍了光镊技术的基本原理及其在生物科学方面的一些应用。
关键词：光镊；光的力学效应；生物科学；应用1 引言光镊是A. Ashkin[1]在关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。
光镊在问世之初被看作是微小宏观粒子的操控手段，并渐渐成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。
近20年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。
2 基本原理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。
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[1~3]。
如图1（a）所示。
入射光线A将光子的动量以辐射压的形式作用于粒子小球，力的作用方向与光线入射方向相同。
A经过若干反射、折射后，以光线A’出射。
入射光线的辐射压减去出射光线的辐射压为粒子小球所受的净剩力F A。
图1（b）为作用力简图，实际力的作用过程较此复杂，A’应为所有（包括反射光透射光）出射光线辐射压的合力，但结果与此相似，小球受轴向指向焦点的力。
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[1]和电磁模型。
波动光学理论（也是光镊的基本理论）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n m的介质中，折射率为n p 的瑞利粒子所受的背离焦点的散射力为[1]F scat =n m P scat/ c （1）这里P scat为被散射的光功率。
或用光强I0和有效折射率m = n p / n m表示为（2）对于极化率为α的球形瑞利粒子所受的指向焦点的梯度力为（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（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[2]，即有F =Qn m P / c （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[2,4]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。
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F = - kx （6）其中，x为小球的位移；k为光阱的刚度。
可见，粒子小球在光束焦点附近所受的力均指向光束焦点，由此可揭示在高度汇聚的光束焦点处存在指向焦点的势阱。
另外，A. Ashkin等的一系列关于汇聚激光与物质微粒相互作用的实验，也是第1次从实验的角度证实了早在17世纪德国天文学家Johannes KepIer提出的“彗星的尾巴总是背向太阳的原因是受到太阳光的压力”的假说和James Clerk Maxwell于1873年在他的电磁学理论中论证过的光辐射压。
3 光镊在生物细胞中的应用研究光镊的发明使光的力学效应走向实际应用，使人们在许多研究中从被动的观察转而成为主动的操控，同时光镊对于捕获微小粒子、测量微小作用力及生产微小器件等许多方面都有非常重要的意义。
3.1对细胞操控的研究光镊能够操控细胞使其稳定地停留在样品池中，以供研究者观察。
1987年，A. A shk in 和J. M. Dziedzic[5]用光镊对细菌进行了捕获和操作。
燕山大学吕巍等人[6]在毛细管中对生物细胞进行了光微操纵实验，实现了光镊沿光束纵向和横向操作毛细管中的生物细胞，同时也体现了光镊可间接操纵微粒。
同时光镊还可用来测量细胞表面的电荷[7]，因为细胞表面电荷与细胞的生长和细胞的凋亡有着非常密切的关系。
3.2对细胞应变能力的研究细胞内部的应变能力在通常情况下是很难用显微镜观察到的，单一的生理学或者形态学参数很难定义细胞的生存能力。
光镊是对活体细胞进行非侵入微观操纵的有利工具，能够诱导细胞产生应变。
其发出的近红外连续激光能够诱导线虫类C. elegans发生应变。
根据C. elegans特殊的应变能力，发现在不同的激发波长、激发功率和照射时间内，C.elegans的应变也各不相同。
这种方法可在其他动植物细胞中进一步推广应用[8]。
3.3对细胞横向光阱力的研究对红细胞横向光阱力方面的研究[9]，在该研究中以射线光学计算模型为基础，同时运用类似于求解轴向力的方法[10]，得出了横向力计算公式，对几何尺寸远大于光波长的米氏球状粒子所受激光微束横向光阱力进行了计算，计算结果表明，粒子只有在小于粒子半径的区域内才能被捕获，而不是在整个粒子半径区域，实验中还可以测量作用在粒子上力的大小和粒子的运动速度。
微粒大小、相对折射率等对光阱力也产生一定的影响，适当选取各实验参数可增强微粒的捕获稳定性。
细胞横向力的研究对光镊的理论有进一步的指导意义。
4 光镊技术在染色体研究中的应用染色体是生物体中最重要的遗传载体，它是由DNA、RNA、组蛋白和非组蛋白以特殊且复杂的方式构成的。
这些组成均是微小结构，从几十微米到几十纳米，对他们的精细研究一直是科学家们研究的热点。
光镊技术的诞生与发展，为科学家们揭开生物遗传与变异的奥秘铺平了道路，现将光镊技术在染色体研究中的应用总结如下。
4.1光镊技术探索DNA(或RNA)凝聚及其力学特性生物分子非常小并不能使光镊直接操纵，往往用一个微米尺度的电介质球粘在分子上作为操作柄，这就便于操作者移动分子的位置和施加力，从而实现了对生物分子的精确控制，光镊技术可用于探索这些生物系统在分子层面的工作模式，如DNA连接酶如何译码或如何消化DNA，动力蛋白如何沿分子轨道移动，以及RNA和蛋质分子如何折叠、展开。
Case 等[11]利用该技术，他们研究MukBEF蛋白质与DNA凝聚过程中的作用，探索了DNA的凝聚过程。
在实验中，聚苯乙烯微球被粘附到一段双链DNA的两端，两个球分别被光阱和微吸管捕捉，将微吸管从光束拉开，可得到DNA的力一伸展的关系曲线。
他们发现这种DNA 的力一伸展关系曲线的变化率，比裸DNA的力～伸展关系曲线的变化率大；当力达到17pN 时，锯齿状振荡叠加存原小平坦的曲线，说明DN√卜MukBEF蛋白质复合物经历了包含连续个别凝聚事件；当力被撤去，DNA就回到凝聚态；而外力小于但接近17pN时，或因单个MukBEF蛋白质分子的构型改变，重凝聚很慢以至于可观察到35nm的单个凝结步骤；非常奇妙的是，当同一个的DNA被重复扯动时，可重现这种锯齿状振荡，而且其峰值点位置及量值并不随实验次序而变。
为解释上述现象，Case等提出：A TP作用下的MukBEF蛋白质聚合物，是沿DNA链由相邻MukBEF蛋白质分子的端部相互作用而形成；同一MukBEF蛋白质二聚体的两个端部较弱的分子内作用使DNA凝聚。
另外，利用单光镊系统测量了在基因表达中起关键作用的RNA聚合酶，以DNA为模板，转录RNA的转录速度和作用力，如图2(a)所示。
将RNA聚合酶通过小球固定在样品池底部，DNA的末端粘一聚苯乙烯小球，用光镊夹住此小球，当开始转录后，小球逐渐被拉离光阱，在开环状态下，根据小球的运动便可得到RNA聚合酶的转录速度，而在闭环状态下，根据反馈量便可得到它们之间的作用力。
如图2(b)，图2(c)所示。
这些实验的探索，为研究DNA与凝聚子的相互作用提供了新的视角。
4.2光镊技术研究染色体及其成分的动态或静态力学行为生物大分子通常被束缚在直径约lttm的聚苯乙烯小球上，而介质小球则通过光镊技术被俘获在光阱中，通过光镊对单分子进行扭转、弯曲、拉伸操作来研究其力学特性。
Schaferc[l2]首先将RNAP固定在溶液的表面上，转录过程RNAP牵引DNA链，进而带动束缚在DNA 上的介质小球向表面运动。
Bustmante等研究了单个DNA的非线性弹性拉伸应变的静力学特性，为研究DNA单分子构型提供了进一步的实验基础口[13]。
Brouhard[14]等利用光镊研究了DNA分子的非线性弹性性质和DNA聚合链特征性运动对生物材料的粘弹性影响。
Mihardja等人利用光镊系统拉伸单根核小体，研究了DNA与组蛋白之间的相互作用[15]；Zhang等人用光镊系统研究了染色质重组复合物SwI／SNF以及SRC与DNA之间的相互作用[16]，他们的研究为探索DNA的压缩过程提供了新的途径。
基于光镊技术对染色体及其成分的生物力学研究方法，为染色体研究提供了新的工具，但是，这种外加的力学过程使得生物大分子处在非生理状态。
所以，如何利用光镊技术在生理状态下观察染色体及其成分的力学特征将是光镊技术在染色体研究中的新的方向。
5 结语一种能够将细胞或细胞器从复杂环境中取出，在保持它的生长环境不变的条件下，进行研究和观察的工具，一直是生命科学研究个体活细胞所梦寐以求的，而今光镊的诞生使之梦想成真了。
光镊为科学家们探索神秘的生命的动力原拉开了序幕，这在生物技术上是一个划时代的突破。
光镊也是多学科联合深入研究微观物质的重要技术。
在人类向生命的奥秘挑战，向光子时代和生物时代前进的过程中，光镊必将成为重要装备和加速器。
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