生命科学研究中的光镊技术

光镊的发明是光的力学效应走向实际应用的一个 重要进展，它捕获和操控微小粒子的功能，使它成为 深入研究微小宏观粒子的特有手段，特别是在生命科 学领域。光镊诞生不久，光镊发明人Ａ． Ａｓｈｋｉｎ就曾预 言“将细胞器从它的正常位置移去的能力为我们打开 了精确研究细胞功能的大门”。近 ２０ 年的发展，已远
３
虽然处理光与微粒相互作用，严格地说，应该用 光的电磁理论，特别是对尺寸小于光波长的粒子。这 里为了阐明梯度力的概念，形象地揭示出光是如何产 生对微粒的束缚力的，我们以透明介质小球为对象， 采用几何光学近似来考察光穿过介质小球的行为和分 析光作用于物体的力。对于几微米的小球来说，几何 光学模型是合适的近似。
光是一种特殊的物质，它与人类生活的关系非 常密切，伴随着人类文明的发展，人们对光的认识也 越来越深入。光携带有能量和动量，光与物质相互作 用时彼此交换能量和动量，产生各种效应。人们由日 常的经验很容易认识到光携带有能量，光与物质相 互作用使物体的温度升高， 称之为光的热学效应，比 如最重要的天然光源太阳，它的辐射带给地球热能；
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｉｎ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｌｉ Ｙｉｎ－ｍｅｉ Ｌｏｕ Ｌｉ－ｒｅｎ
（Ｕｎｉｖｅｒｉｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｈｉｎａ， Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｈｅｆｅｉ ２３００２６， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｇａｉｎｅｄ ｇｒｅａｔ ｓｕｃｃｅｓｓ ｓｉｎｃｅ ｉｔ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ １８ ｙｅａｒｓ ａｇｏ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔ， ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｎｏｖｅｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ， ｔｈｅｎ ｉｔｓ ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｎ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｌｉｆｅ ｓｃｉｅｎｃｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｉ ｎｌ ｉｆｅｓ ｃｉｅｎｃｅ．
作的微小对象及其运动过程，也需要用高数值孔径的
物镜来成像，这二个任务可以由同一个物镜来完成。
实际的光镊装置大多如此。图 ３ 给出了一台典型的光
镊装置示意图。用作光镊光束的激光入射到双色反射
镜上，它
对该激
光有很
高的反
射率，而
对其它
波长的
光有很
高的透 过率。被
图 ３ 基本的光镊装置
反射的激光射向高数值孔径的物镜，经物镜会聚在样
综述
生命科学仪器 ２００４ 第 ２ 卷 ／ 第 ４ 期
远超越了Ａ． Ａｓｈｋｉｎ当初的预言。光镊用于操控和研究 单个细胞，细胞器和生物大分子的行为，在一些生命 科学的基本问题上，取得了开创性的成果，展现了广 阔的应用前景［２］。光镊技术已经成为微观生物学研究 的重要手段。
本文简要介绍光镊的原理和装置，结合实验室的 工作，介绍有关光镊的基本实验技术、光镊技术的新 近发展、光镊技术在生命科学中的应用，以及展望光 镊技术的发展前景。
通过光合作用太阳光给农作物生长提供能量来源等。 但是与光的能量相比，光具有动量和角动量这一性 质，却超越了人们的日常经验。实际上，光与物质相 互作用的过程中，光与物质间可以交换动量，使受光 照射的物体受到一个力或力矩，也即产生光的力学效 应。
由于通常光源发出的光产生的力学效应太微弱， 这一效应在激光发明之后才引起人们的关注，并取得 了突破性进展。在光与微观粒子相互作用中，光被用 来使原子偏转，减速和冷却。朱棣文等人正是由于在 这方面的成就而荣获 １９９７ 年度诺贝尔物理奖。与此同 时，激光对于宏观微粒的辐射压力或力学效应的研究 也引起了人们的关注。早在１９６９年，Ａ． Ａｓｈｋｉｎ首次实 现了激光驱动微米粒子的实验。此后他又发现微粒会 在横向被吸入光束（微粒折射率大于周围介质），并利 用相对传播的二束激光实现了双光束光阱。他在这方 面的系列研究最终导致光镊的发明［１］。
４
生命科学仪器 ２００４ 第 ２ 卷 ／ 第 ４ 期
综述
（Ｆ ｓ）。只有当焦点附
近的梯度力大于散
射力时才会形成一
个三维光学势阱，能
稳定地捕获微粒。
图 ２给出了典型
图 ２ 光镊轴向（Ｚ ）阱力分析
的光镊系统，用几何 光学模型计算得到的
轴向力 Ｆ （Ｚ）与小球位置Ｚ 的关系。图中Ｚ０ 为小球中心 到焦点（图中原点）的距离，ｒ 为小球的半径。纵坐标
品池中，在焦点附近形成光学势阱。被光阱捕获粒子
的运动过程，又经同一物镜放大，然后透过双色镜，由

后面的显微观测系统（目镜或图中下部的 Ｃ Ｃ Ｄ 相机
等）观察和记录。对被捕获的微粒的操控可以用两种
方法，一是扫描光镊光束，因而光阱的位置和捕获在
阱中的微粒也随之而移动。这称之为主动的操控。另 一种为被动操控，光镊光束不动，也即光阱位置不动， 因而捕获在阱中的微粒也不动，而是通过移动样品平 台，使被捕获微粒的周围环境移动，从而实现被捕获 微粒相对周围环境中其它对象的运动。
按光的量子理论，波矢为ｋ 的单色平面波可以看 成是一束光子流，其中每一个光子所携带的能量ε ＝ ｈ ν，动量为：
（１）
其中， ｈ为普朗克常数，λ ＝ １／ ｋ为光波长。如
果光束中的光子密度为ｎ，也即光场的能量密度为ｕ ＝
ｎε，于是动量密度ｇ ＝ ｎＰ ＝ ｕ／ｃ，与经典电磁理论的
结果一样。由此式直接可得能量为 Ｅ 的平面光波所携
Ｆ （Ｚ）为小球受到的光阱力，横坐标为Ｚ０／ｒ。曲线在横坐 标上交于 Ａ、Ｂ 两点，在那里 Ｆ 为零，是粒子受力平衡
的位置。但只有Ａ 点是粒子的稳定平衡点，在它左边和
右边，粒子受到的阱力都使它回复 Ａ 点。也即单光束三
维势阱的阱底位于 Ａ 点。Ａ 点的位置向右偏离了焦点一
定距离，是因为Ｆ（Ｚ）包含有粒子所受到的散射力。
１ 前言
生命科学与人类的生存和发展有着最直接的关 系，历来受到人们的特别关注。２０ 世纪，生命科技有 了重大的发展，研究日益向微观层次深入，从细胞、细 胞器直到生物大分子，这与各种新仪器的发明紧密相 关。在生物大分子个体行为研究的基础上，又需要从 它们间的联系和相互作用去更深入的理解生物微粒群 体的行为，实现从研究单个基因和蛋白质的分子生物 学向系统生物学转变。从方法学的角度，生命科学的 实验研究正在从现象驱动向假设驱动过渡。为验证假 设，就必须设计新的实验方法，发明新的实验仪器。由 于生物对象的复杂性和对活的生命过程研究的需求， 对生命科学仪器提出了越来越高的要求。光镊 （Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒ）技术正是在这样的背景下应运而生 的。
２ 光镊的原理
２．１ 光的动量和光压 光具有动量，这是光的基本属性之一。光的力学
效应，是光具有动量的直接结果。早在 １７ 世纪，光的 电磁本性还未为人们所认识，开普勒在解释彗星尾的 形成机制时，就提出了光有压力的假说。一个多世纪 之后，１８７３ 年麦克斯韦在他完成的电磁理论的基础 上，提出了光的电磁理论，证明了光，作为电磁波，不 但具有能量，而且具有动量。对于单色平面光波，设 其电磁场能量密度为 ｕ，它以光速 ｃ 传播，相应的电磁 能流密度矢量（坡印廷矢量）的大小为Ｓ＝ ｕｃ，方向指向 光的传播方向。而动量密度，也即单位体积的光场携 带的动量为ｇ ＝ ｕ／ｃ，方向也是沿光的传播方向或波矢 ｋ 的方向。单位时间流过垂直光传播方向单位面积的 动量为Ｇ ＝ ｇｃ ＝ ｕ ＝ Ｓ／ｃ。
带的动量为
Ｇ ＝ Ｅ ／ ｃ
（２）
既然光具有动量，光与物体相互作用的过程中，
就可能伴随有动量的交换。例如光被吸收或被散射，
因而动量发生了变化，于是物体的动量应有相应的变
化，以保持光与物体的总动量守恒。单位时间里物体
动量的变化就是所受的力，这意味着光对被照物体施
考察位于会聚光束轴上的粒子（见图 １），设小球 的折射率为ｎ，周围液体介质的折射率为ｎ０，且ｎ ＞ ｎ０。 把光束看成是由大量的光线组成的光锥。每条光线经 过小球，由于光的折 射，其出射方向都有 不同程度的偏折，也 即动量有了变化。由 动量守恒定律可知， 小球的动量必定有一 大小相等方向相反的 变化，而单位时间动 量的变化就是小球受 图 １ 单光束梯度力光阱原理 到的力。图中具体画出了一对典型的光线 ａ 和 ｂ，入射 到处在光束焦点外的小球，经折射后方向发生了变化， 也即动量改变了，因而分别传给小球相应的动量并施 加相应的力 Ｆ ａ 和 Ｆ ｂ 于小球，它们的合力 Ｆ 是指向光 强最强的焦点（ｆ）处的。进一步的分析可以看到，光 锥中所有光线施加在小球上的合力 Ｆ 也是指向焦点 ｆ 的。这种指向光强最大处的力就是梯度力。在图示的 情形，小球在焦点外，受到的梯度力是一个逆向光压。 实际上，不管是否在光轴上，当小球的球心 Ｏ 和焦点 ｆ间有小的偏离时，梯度力的合力Ｆ总是使小球趋向焦 点。当光穿过小球时，由于小球并不是理想的透明体， 所以，小球将会吸收一部分光，加上光在小球表面上 的反射，都将施加一推力于小球，此力称之为散射力
加一个力的作用。这种由于光辐射对物体产生的力通
常称之为光的辐射压力或简称光压。
２．２ 光镊——单光束梯度力光阱［２－４］ 光与物体间的相互作用力本质上是光的电磁场与
组成物质的带电粒子相互作用的结果，包括散射力和 梯度力两部分。散射力正比于辐射强度，方向指向光 束传播方向，梯度力正比于光的强度梯度，指向光的 强度梯度方向。通常光辐射对物体的作用都是以散射 力为主，表现为推力。然而在特定强度分布的光场下， 例如高度会聚光束的光场，梯度力起主导作用。这时， 梯度力与光强梯度都指向焦点，形成一个三维势阱。 光镊就是利用这样的光学势阱，来捕获微小粒子的， 又被称为单光束梯度力光阱。