光學(xué)工程光鑷技術(shù)

光學(xué)工程光鑷技術(shù)1第一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日主要內(nèi)容引言研究進(jìn)展光鑷基本原理光鑷實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用成果與展望2第二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

光鑷技術(shù)(OpticalTweezers或LaserTraps)早期也叫激光捕獲術(shù)，即利用聚焦的激光束鑷起并操縱細(xì)胞、細(xì)菌或原子等大約尺度在幾納米到幾十微米之間的微小粒子的一項(xiàng)技術(shù)。引言3第三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

光鑷----光學(xué)鑷子，顧名思義它是一種利用光物理性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的工具，它應(yīng)具有傳統(tǒng)的機(jī)械鑷子或鉗子可狹持、操縱微小物體的功能，故成為光鑷或光鉗。

引言4第四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日激光束聚焦至直徑1um激光光鑷對(duì)酵母細(xì)胞的捕獲和操作控制曝光時(shí)間在樣品上記錄下直徑變化的點(diǎn)5第五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

傳統(tǒng)的機(jī)械鑷子必須用其前端接觸到物體，再施加一定的壓力，物體才能被鑷住，而后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，遷移等操縱。而光鑷則大不相同，①它使物體受到光的束縛而達(dá)到“鑷”的目的，然后通過移動(dòng)光束來遷移或翻轉(zhuǎn)物體②與機(jī)械鑷子相比，它是一種溫和的、非機(jī)械接觸的方式來夾持和操作物體③尤為重要，在以光鑷的光為中心的一定區(qū)域內(nèi)，物體一旦落入這個(gè)區(qū)域就有自動(dòng)移向幾何中心的可能，尤如微粒被吸光器吸入，或一個(gè)飛行物體墜入宇宙黑洞樣，光鑷具有“引力”效應(yīng)。同時(shí)光鑷又象一個(gè)陷阱。引言6第六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

同時(shí)，“光鑷”實(shí)際上是以宏觀機(jī)械鑷子對(duì)光的勢阱效應(yīng)的一種形象和通俗的描繪。對(duì)“光鑷”的物理性質(zhì)，人們采用“光學(xué)勢壘”“光捕獲阱”“光梯度力阱”或“光字勢阱”等物理術(shù)語予以描述。引言7第七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日研究進(jìn)展1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿什金就利用多光束激光的三維勢阱成功鑷起并移動(dòng)水溶液中的小玻璃珠，之后這一激光鑷起微粒的技術(shù)得到不斷改進(jìn)，所能捕獲的粒子越來越小;1985年阿什金開始采用單光束鑷起細(xì)菌及病毒等微小生物體;8第八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日1987年首先使用514.5nmAr+成功鑷起病毒,緊接著利用1064nmNd:YAG。但由于活性體對(duì)可視波段激光的吸收作用，早期搬運(yùn)細(xì)菌的過程中存在對(duì)活細(xì)胞損傷的問題;后來阿什金發(fā)現(xiàn)對(duì)于大多數(shù)生物細(xì)胞和有機(jī)體來說紅外光是相對(duì)透明的，從而采用800—950nm的紅外激光配合一定的功率操作可不對(duì)細(xì)胞組織造成損害，之后這一技術(shù)在生物領(lǐng)域得到快速發(fā)展。9第九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.1光的動(dòng)量與光輻射壓力（光壓）光的動(dòng)量是光的基本屬性之一光不但具有能量而且有動(dòng)量

光子光與物質(zhì)相互作用交換能量動(dòng)量的傳遞力，光壓10第十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)牛頓第二定律，作用在物體上的力F等于光引起的單位時(shí)間內(nèi)物體動(dòng)量的變化：

這意味著光對(duì)被照物體施加一個(gè)力的作用，這種由于光輻射對(duì)物體產(chǎn)生的力通常稱之為光的輻射壓力或光壓。11第十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

如果光束的作用面積為S，則單位面積上的光壓強(qiáng)為?？梢怨浪愠?，太陽光垂直照射時(shí)，地球表面的光壓為：W=0.5達(dá)因/m2，這個(gè)量很小。但由于激光的高亮度、高方向性，發(fā)散角為毫弧度。10mWHe-Ne激光，輻射亮度為太陽光的1萬倍，與原子彈爆炸時(shí)亮度相當(dāng)。再將其聚焦到衍射極限光斑，（）時(shí)，其壓強(qiáng)為W=106達(dá)因/m2從而可產(chǎn)生108cm/s2=105g的加速度。對(duì)于微米數(shù)量級(jí)的小球來說，這個(gè)力非常大，每個(gè)光子的動(dòng)量雖小，但在聚焦后形成的高密度能流下，其力量非常大，此為光攝的能源所在。12第十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)當(dāng)注意的是，如此高的能量密度集中于小球上，當(dāng)幾毫瓦的激光聚焦成1的衍射極限光斑，會(huì)聚于大小的小球上。當(dāng)小球與外界絕熱時(shí)，即使有千分之一的入射能量（微瓦數(shù)量級(jí)），被小球吸收，這微瓦的能量也會(huì)使小球溫度在毫秒時(shí)間內(nèi)超過沸點(diǎn)，而被蒸發(fā)。然而，光鑷作用下的小球都是浸入液體中的，球被液體冷卻。這時(shí)熱傳導(dǎo)方程與擴(kuò)散方程形式相同，水中小球溫度變化為：13第十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

r：小球半徑，K：水中傳導(dǎo)率，W：小球獲得的功率。經(jīng)計(jì)算，上述同樣的功率（微瓦）下，小球的溫升只有1℃，可以承受。還應(yīng)當(dāng)注意，光攝利用的是光線在小球上的折射效應(yīng)，而不是吸收效應(yīng)。這在下面的受力分析中進(jìn)一步明確。而這里要說明的是光子確實(shí)可以對(duì)小球形成壓力。14第十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理

3.2梯度力

上面所講的是光子對(duì)小球的壓力，該壓力方向沿光傳播方向，這里尚未說明它形成光鑷作用。那么我們先來觀察處在均勻與非均勻光場中的小球的受力情況。見圖1。15第十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D1梯度力的形成

16第十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

圖1中假設(shè)小球是透明體，這是符合實(shí)際情況的。因?yàn)榇蟛糠稚锛?xì)胞的組成是水分子，特別是對(duì)脫了壁的原生質(zhì)體，近乎是透明的球狀體。這里還假設(shè)小球的折射率大于周圍媒質(zhì)的折射率,這也是符合大多數(shù)情況的。17第十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)動(dòng)量守恒原理，它（光線a）必須要給小球施加一個(gè)向左方向的動(dòng)量，即光線a在小球內(nèi)折射的結(jié)果，使小球受到一個(gè)向左的力。同理，可以分析，由于光線b的折射，小球受到一個(gè)向右的力，在均勻場中，兩力等值，其合力⊥（垂直）向下。18第十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日對(duì)于圖1A中的均勻光場來說，光線a,b進(jìn)入小球發(fā)生折射，既2次折射，這里這是折射占主要的量。從圖中可知，比如對(duì)于光線a，它向右方折射。因?yàn)楣饩€是帶有動(dòng)量的，它的方向是沿著光傳播的方向，可知光線a最終向右方折射，它的動(dòng)量由上向下，改變?yōu)橄蛴曳?，這是因?yàn)樾∏虻恼凵渎试斐傻模?/p>

19第十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日顯然對(duì)于反射光也可以進(jìn)行類似的分析。光線a的反射光，使小球受到向右的力，兩發(fā)射光的合力是垂直向上的，即與兩折射光的效果相反。但反射光的量小，不起主要作用。同理，對(duì)于圖1B中的非均勻光場，受力分析的結(jié)果是，小球所受到的向左、向右的力并不互相抵消，總的合力把小球推向光較亮的那一個(gè)方向，圖1B是把小球推到右下方。這種由于光場強(qiáng)度不均勻產(chǎn)生的力，稱之為梯度力。（由于光場大小存在梯度而產(chǎn)生的力）。20第二十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

進(jìn)一步將該結(jié)論推廣到更一般的光場強(qiáng)度分布，特別是存在強(qiáng)度最大點(diǎn)，即光會(huì)聚點(diǎn)附近時(shí)，在該區(qū)域中的粒子將受到一個(gè)指向最亮點(diǎn)的力。即對(duì)于粒子來說，不僅有推力，還有拉力。粒子將被束縛在最亮點(diǎn)。注意，上述前提是小球折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，反之，受力將相反，即光場將粒子推向最暗點(diǎn)。21第二十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.3二維光學(xué)勢阱由TEM00基模高斯光束所形成的非均勻光場，是從光束中心向兩側(cè)呈梯度分布（高斯分布），在這一高斯分布的非均勻光場中的小球，將受到一個(gè)元對(duì)稱的，中心最強(qiáng)，兩側(cè)逐漸減弱的梯度力作用，小球?qū)⒈患s束在基模高斯光束的中心軸線附近。

22第二十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.3二維光學(xué)勢阱

小球在垂直于光線傳播方向的橫向平面上，受到光束縛，被推向光最強(qiáng)處，非均勻光場形成了一個(gè)二維光學(xué)勢阱，此為二維的光鉗。高斯光束可形成二維勢阱，二維勢阱在某些情況下可以用于捕獲粒子。23第二十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日由于高斯光束的激光能量在平面是高斯分布，因而即可形成一個(gè)強(qiáng)的二維光學(xué)勢阱。小球在高斯光束條件下，受到一個(gè)指向光軸的力，即將小球束縛在光軸上。但小球在光軸上下方向，并未受到大的力。因此，小球可以在Z軸上下自由運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然小球還受到向下的重力。

24第二十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日利用二維光學(xué)勢阱可用于捕獲粒子：圖3（幾個(gè)例子）

25第二十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D3A，利用粒子受沿光束傳播方向的光壓與粒子自身的重力相平衡，粒子被懸浮于某一高度。（注意光壓向上，即激光從下往上照）圖3B，利用器皿平衡粒子所受沿Z方向的光壓，而固定粒子。圖3C，選用兩束相向傳播的，完全相同的激光形成雙光束激光勢阱束縛粒子。

26第二十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日二維勢阱，由于在光束傳播方向才能束縛粒子，并且系統(tǒng)較復(fù)雜，效果不理想。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的A.Ashkin利用強(qiáng)聚焦單光束激光勢阱較理想地解決了這一問題。27第二十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.4單光束梯度力光阱二維光學(xué)勢阱實(shí)現(xiàn)了對(duì)粒子在⊥（垂直）于光傳播方向上的平面內(nèi)的束縛，但在光傳播的Z方向，粒子一般地受向下的合力和重力（向下），因而在光軸方向仍是不穩(wěn)定的。如果光阱在光傳播方向上也能產(chǎn)生對(duì)粒子的束縛，則可以形成一個(gè)三維的勢阱，從而粒子能在光軸上的某一個(gè)位置達(dá)到平衡。

1986年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室A.Ashkin利用一束強(qiáng)聚焦激光實(shí)現(xiàn)這一目的。28第二十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D4三維光學(xué)勢阱29第二十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D4強(qiáng)聚焦激光高斯光場中粒子受力圖。圖4A中，折射光線a、b趨向更平行于光軸（比原光線），即折射后動(dòng)量的改變量合成是向下的，因?yàn)閯?dòng)量守恒，粒子應(yīng)當(dāng)受到一個(gè)向上的合力。小球被拉向焦點(diǎn)方向。30第三十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D4強(qiáng)聚焦激光高斯光場中粒子受力圖。圖4B中，粒子處于焦點(diǎn)之內(nèi)（粒子中心0在焦點(diǎn)之內(nèi)），此時(shí)折射光線a、b與原光線相比，更偏離于光軸，此時(shí)折射光線a、b動(dòng)量的改變的合成應(yīng)當(dāng)向上，因?yàn)閯?dòng)量守恒，粒子應(yīng)當(dāng)受到一個(gè)向下的力。即粒子受到一個(gè)推力，被推向焦點(diǎn)方向。粒子最終在光軸的某一個(gè)平衡位置上靜止。31第三十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日實(shí)際上，圖4A中，光照在粒子上還有不少散射，散射光的合成動(dòng)量向上，則粒子受到向下的力，散射力將粒子向光傳播方向推。但散射力小于折射光線產(chǎn)生的力。對(duì)圖4B也可作類似分析。總之，粒子所受的軸向梯度力在Z軸方向上可能是拉力，也可能是推力。使粒子處于平衡位置。當(dāng)然粒子如果不處在平面的平衡位置，還可能被拉（推）向平面的光軸位置。32第三十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.5阱力與束縛條件

①影響光阱的因素a)主要因素：如果在某個(gè)方向上要限制粒子的運(yùn)動(dòng)，就必須使光在該方向上有大的光強(qiáng)梯度b)其它因素：粒子的物理、生物性質(zhì)采用光的波長、功率、會(huì)聚后的束腰半徑生物粒子大小、吸收系數(shù)粒子與液體的折射率球心與光軸的距離和球心與束腰的距離33第三十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.5阱力與束縛條件

②Z方向的捕獲力定性分析

圖5說明會(huì)聚高斯光束在傳播方向Z，所受的力F(Z)與的關(guān)系。34第三十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D5會(huì)聚的高斯光束（Z）方向上捕獲力的分析

圖5說明會(huì)聚高斯光束在傳播方向Z，所受的力F(Z)與的關(guān)系，圖中為球中心到焦點(diǎn)的距離，是一個(gè)變量，而r為粒子的半徑，是一個(gè)常量。曲線的坐標(biāo)原點(diǎn)為束腰（或焦點(diǎn)）處在位置。

35第三十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

曲線在坐標(biāo)上交于A、B兩點(diǎn)是粒子受力的平衡位置。該平衡位置不處在焦點(diǎn)處，是因?yàn)榱Ｗ邮艿搅松⑸淞?，散射力的方向是向上的，F(xiàn)(z)中包含了散射力，在A處，即時(shí)，（在焦點(diǎn)上端若干距離），F(xiàn)(z)=0，F(xiàn)(z)中的散射力（向上）與梯度力（向下）相抵消。圖5的條件是：高斯光束聚焦于小于1微米，而粒子直徑為幾微米。

36第三十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

對(duì)圖5的討論如下：a)曲線與水平軸的兩交點(diǎn)（A、B）是粒子在Z軸的平衡點(diǎn)，F(xiàn)(z)=0，但兩點(diǎn)的情況大不相同，對(duì)于A點(diǎn)，不論增加或減少均受到與移動(dòng)方向相反的力（）、所以A點(diǎn)是粒子的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。而對(duì)B點(diǎn)，，即粒子只要偏離B點(diǎn)，就會(huì)受到向相同方向的力，而被推向更遠(yuǎn)，所以B點(diǎn)是非穩(wěn)定平衡點(diǎn)。由此可見，單光束勢阱在A點(diǎn)附近，（略高于焦點(diǎn)）37第三十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

b)對(duì)應(yīng)于不同的物理和生物條件，粒子所處的平衡位置不同，一般說來距焦點(diǎn)的距離與小球的半徑相近c(diǎn))在A點(diǎn)右側(cè)近似無限高勢壘，在A-B之間，粒子均會(huì)被推向A點(diǎn)。d)形成勢壘的因素：光束束腰大小，波長，光功率密度，粒子折射率38第三十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.5阱力與束縛條件

③阱力的計(jì)算和測量a)計(jì)算Roosen與Ashkin采用幾何學(xué)分析

TomQ等發(fā)展了新的動(dòng)力學(xué)方法b)測量實(shí)驗(yàn)上測量捕獲力的方法，是將粒子放在已知粘滯系數(shù)的液體中，用光鉗拖動(dòng)粒子，測出光鉗克服粒子粘滯力的最大速度，也就是測量小球在光阱作用下通過媒質(zhì)的臨界粘滯力。

39第三十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.5阱力與束縛條件

③阱力的計(jì)算和測量該粘滯力由斯托克斯定律確定，粒子粘滯系數(shù)；r：粒子半徑；v：運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)用紅外光作光阱光源時(shí)，小球受力的一個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式為：，：媒質(zhì)折射率；W：光功率；C：光速，是光被小球完全吸收時(shí)，小球所受力。即小球受力是完全吸收表面受力的百份之三

。

40第四十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.5阱力與束縛條件

④粒子的大小與形狀光鉗可操縱的生物粒子都是在光學(xué)顯微鏡下工作，并能用光學(xué)顯微鏡觀察生物粒子，其尺寸在微米量級(jí)（Mie氏粒子），其受力分析可采用幾何學(xué)方法。而對(duì)于小于微米量級(jí)的粒子受力分析復(fù)雜，不屬幾何光學(xué)范圍；詳見《李銀妹》書第六章譯文。粒子的尺寸應(yīng)當(dāng)比高斯光束焦斑大。這樣才處于高斯光束的梯度場中，受到梯度力的束縛，如果粒子尺寸小于光斑尺寸，則光線⊥（垂直）作用于粒子，而不是傾斜的照射，這時(shí)粒子受到推力，將被推出焦點(diǎn)之外。41第四十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日三、光鑷基本原理3.5阱力與束縛條件

⑤粒子的折射率和媒質(zhì)折射率光鑷形成的條件是：粒子的折射率大于媒質(zhì)折射率。反之受力相反，粒子被踢出光場。實(shí)際上可通過一個(gè)小珠，光鑷先鑷住透明的小珠，再通過小珠去粘住要操縱的粒子。42第四十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日四、光鑷實(shí)驗(yàn)裝置43第四十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

圖6光鑷實(shí)驗(yàn)裝置44第四十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

圖6以倒置生物顯微鏡為基礎(chǔ)的光鑷裝置框圖。它包含捕獲光源、捕獲聚焦鏡、一個(gè)合適的樣品室，一套可調(diào)節(jié)光鉗與待捕獲粒子間距并對(duì)粒子進(jìn)行操作的裝置，實(shí)現(xiàn)各配件與顯微鏡光學(xué)偶合的器件，以及一套觀察和記錄光鉗對(duì)粒子操作過程，阱中粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)瞬息變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該裝置可將激光會(huì)聚成光波長量級(jí)的衍射極限光斑，可產(chǎn)生足夠陡的梯度場從而形成一個(gè)單光束梯度力阱。45第四十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

2、捕獲光源

a)模式選擇因?yàn)楦咚狗植加欣谠谄矫嫘纬商荻攘?，所以要用單模光?/p>

b)工作方式捕獲過程需要一定時(shí)間操作，所以必須用連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)輸出的激光46第四十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

c)波長選擇從光鑷的形成過程可知，主要起作用的是從粒子中輸出的折射光。此外，應(yīng)當(dāng)避免粒子的吸收峰，否則在強(qiáng)聚焦的光束下，粒子會(huì)因?yàn)閺?qiáng)吸收而過熱，受到損害，避開所要操作粒子的吸收帶，是光鑷所用光源的重要依據(jù)。47第四十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

c)波長選擇以下是幾種物質(zhì)的吸收峰：細(xì)胞中的葉綠素：可見光藻細(xì)胞：632.8nmHeNe激光

DNA：263nm紫外光水：1.3微米，10.6微米紅外光48第四十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日如果采用可見光，則激光通過顯微系統(tǒng)的各個(gè)光學(xué)元件入射到液體上（粒子是懸浮在液體上），漫反射造成的雜散光將充滿整個(gè)視場，嚴(yán)重影響生物樣品的清晰度。為了消除此雜散光，可以在觀察光通道中加入相應(yīng)的濾光片，如對(duì)632.8nm的激光加一個(gè)對(duì)該波長高反射的濾光片，但此時(shí)照明光中的相當(dāng)一部分光被濾掉，從而視場被著色且變暗，而影響觀察，所以光鑷光源應(yīng)盡可能避免用可見光。49第四十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

d)光功率范圍在穩(wěn)定的捕獲下，激光功率與粒子受力成正比，激光功率大小一方面要考慮能產(chǎn)生穩(wěn)定的捕獲與操作，這依賴于粒子的個(gè)體性質(zhì)，與光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量，不同的生物樣品，閾值是不一樣的。另一方面，在滿足穩(wěn)定捕獲的條件下，應(yīng)取最小的激光功率以減少光損傷。幾毫瓦到幾十毫瓦的能量在微米尺寸上將產(chǎn)生幾十到幾百皮牛的力，這足以克服微米級(jí)粒子的重力，布朗運(yùn)動(dòng)或或鞭毛動(dòng)力原和原動(dòng)力蛋白產(chǎn)生的幾皮牛的力。所以實(shí)際應(yīng)用中只需要一個(gè)小功率激光器即可。同時(shí)應(yīng)當(dāng)要求激光功率輸出穩(wěn)定較好。50第五十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

e)實(shí)用的光鉗光源目前采用以下光源：

1.1064微米，Nd:YAG，0.1-100mW,,光穩(wěn)定10%2.激光泵浦鈦寶石，605-1030納米可調(diào)，用波長可調(diào)較為理想，但價(jià)格高

3.HeNe，632.8nm，514.488nm,可見光，不理想

4.LD泵浦的Nd:YAG，10-350mW-1000mW,穩(wěn)定性0.1%-0.2%,好

5.LD激光器，（GaAlAs）10mW,，780nm，830nm均可調(diào)，

51第五十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

e)實(shí)用的光鑷光源

A.Ashkim認(rèn)為680-950nm波長，小體積，使用方便，穩(wěn)定性好，造價(jià)低，是理想光源。52第五十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

3、捕獲聚焦鏡①在對(duì)激光微束的研究中可知，為保證激光微束的小尺寸光斑以及最大的傳輸效率，要采用小焦距、大數(shù)值孔徑的高倍物鏡與低目鏡的組合。如采用NA=1.25的100x物鏡就是較理想的捕獲聚焦鏡②以顯微物鏡為核心的顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)正是光鉗微米級(jí)操作的顯微觀察必備裝置，通常用一個(gè)激光發(fā)生器與一臺(tái)顯微鏡構(gòu)成光鉗。③但高倍、大數(shù)值孔徑的物鏡工作距離特別是垂直入射式顯微鏡不利于生物樣品的放置，無菌操作以及其它輔助設(shè)備的運(yùn)用。相比之下，倒置的相差生物顯微鏡較能兼容其它顯微操作，但普通的顯微鏡的相差物鏡最大倍數(shù)為40X，并且不透紫外光，這將不利于阱力和用于紫外光工作的其它附加設(shè)備。因此，最理想的是：配有可選用于紫外到近紅外的大數(shù)值孔徑（NA≥1.25）高放大率100X物鏡53第五十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

4、操作阱臺(tái)阱臺(tái)就是顯微鏡中的操作臺(tái)，它用于承載樣品室。操作臺(tái)在x、y平面及光軸Z軸方向均可連續(xù)調(diào)節(jié)。由于光鉗作用的粒子在級(jí)，相應(yīng)要求三維阱臺(tái)的操作精度在微米或亞微米級(jí)。普通的顯微鏡操作作為在Z方向精度為2微米（即調(diào)焦精度），在x、y評(píng)脈內(nèi)操作精度更低，但可滿足一般的光鉗捕獲生物細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)室演示或定性分析。如果要對(duì)光鉗的力參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以及對(duì)光鉗操作細(xì)胞過程定量測量，則必須提高機(jī)械操作精度。方法是：采用精密機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，配以高精度的步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)阱臺(tái)，以實(shí)驗(yàn)小于2微米的調(diào)節(jié)精度。采用步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。還有采用阱臺(tái)靜止，而調(diào)節(jié)激光光束的方法，但難度較大，詳見《李》書，譯文54第五十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

5、樣品與樣品室①樣品樣品不僅是被光操作對(duì)象，而且是一個(gè)積極的參與者，其大小，形狀，活性，透明對(duì)光的折射、吸收影響，因此，每一種樣品都有其對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)。樣品的厚度，應(yīng)當(dāng)限制在捕獲顯微鏡的焦深之內(nèi)，在離焦處所產(chǎn)生的光散射，光彌散影響成像質(zhì)量。樣品應(yīng)具有良好的透光性②樣品室光鑷常用于分選細(xì)胞，分選細(xì)胞的樣品室在結(jié)構(gòu)上有其特殊的要求，如在兩樣品室之間設(shè)置一個(gè)略大于分選細(xì)胞大小的微管，則可用光鑷將細(xì)胞以一個(gè)樣品室中輸送到另一個(gè)樣品室中實(shí)現(xiàn)分選，或在一個(gè)樣品室中設(shè)置相應(yīng)大小的屏障來隔離被分選了的細(xì)胞。55第五十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

6、顯微動(dòng)態(tài)監(jiān)測光鑷系統(tǒng)必須觀察2種運(yùn)動(dòng)：①光鑷操作樣品的運(yùn)動(dòng)②樣品作為生物體自身的運(yùn)動(dòng)（細(xì)胞生長、游動(dòng)、繁殖）以及在液體中的布朗運(yùn)動(dòng)等，要求實(shí)時(shí)顯示，能夠攝影，攝象，

并且有較好的空間成象分辨率與時(shí)間分辨率，以及好的色分辨本領(lǐng)。采用一套電視攝象，錄象系統(tǒng)與光鑷偶合能基本滿足顯微動(dòng)態(tài)觀察要求。空間分辨率的極限取決于顯微物鏡的數(shù)值孔徑，同時(shí)也受顯微鏡放大倍數(shù)的影響。如果顯微鏡總的放大倍數(shù)不夠，表示物鏡本身的分辨率沒有充分利用。這是可以通過攝象機(jī)和監(jiān)視器的電放大予以補(bǔ)償。（因?yàn)?，顯微鏡總的放大倍數(shù)與顯微鏡的傳光效率是個(gè)矛盾，這在以前激光技術(shù)中已提及，因此顯微鏡是采用低倍目鏡與高倍物鏡的組合，其總放大倍數(shù)有一定的限制）56第五十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

6、顯微動(dòng)態(tài)監(jiān)測色彩將提高人的視覺效果且可以區(qū)別在同等灰度下的物體。因此，當(dāng)空間分辨率達(dá)到極限時(shí)，加上彩色無疑將增強(qiáng)觀察效果，提高色分辨率，可以通過彩色攝象、計(jì)算機(jī)基本以偽彩色處理或用光學(xué)顯色偏振的方法實(shí)現(xiàn)。時(shí)間分辨率的提高，可以通過采用的錄象的靜放、慢放、以及攝象機(jī)的高速快門等功能予以實(shí)現(xiàn)。從而獲取光鉗操縱粒子在時(shí)間序列上的細(xì)微變化。57第五十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日

7、光耦合器在光攝的制作系統(tǒng)中，一個(gè)重要的問題是如何將光攝光源與顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)相耦合的問題。要求增加的光源與光學(xué)元件不影響顯微鏡原來的成象系統(tǒng)的分辨率、清晰度，并與顯微光學(xué)系統(tǒng)共焦。對(duì)一臺(tái)有外熒光接口的顯微鏡，利用這一接口，作為激光通道是簡單而行之有效的。沒有外熒光接口，也可以利用照相接口，但這樣就無法接攝象機(jī)或顯微攝影系統(tǒng)，（顯微攝影系統(tǒng)對(duì)攝象系統(tǒng)分辨率更高），這時(shí)，應(yīng)當(dāng)分別外再開一個(gè)接口，耦合入光鉗光源。此外在系統(tǒng)中，還要加入一個(gè)與光軸45度角放置的光學(xué)平板，它可反射、透射不同的波長，（鍍膜）。附加系統(tǒng)還包括不同光波長的激光與顯微共焦所需的修正色差的透鏡組，保持外加系統(tǒng)與顯微鏡共焦的修正光學(xué)元件等。58第五十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日1.3、光阱力的計(jì)算與測量斯托克斯定律：流體力學(xué)中的Stokes公式：

---液體粘滯系數(shù)

---微粒的半徑

---粒子運(yùn)動(dòng)速度59第五十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日1.3、光阱力的計(jì)算與測量當(dāng)光鑷捕獲粒子后，使其在液體中水平移動(dòng)，移動(dòng)速度越大，所受到的液體粘滯阻力也越大，如粒子不脫離光鑷，而光鑷的移動(dòng)可近似地看作是勻速運(yùn)動(dòng)。則此時(shí)光阱力與粘滯阻力平橫實(shí)驗(yàn)可使光鑷加快移動(dòng)速度，在粒子被脫離光鑷瞬間的一段過程，將其攝像，然后，以粒子脫離時(shí)的一小段距離求出其速度，計(jì)算出的粘滯阻力可近似看作是最大阱力。60第六十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日捕獲光1.模式選擇：單模光束，因?yàn)楦咚狗植加欣谠赬－Y平面形成梯度力。2.波長的選擇:避開操作粒子的波長吸收帶。避免可見光—漫反射—濾色片—照明光影響。紅外光—理想。紫外光—波長短，光子能量大，容易引起光化學(xué)過程61第六十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日甲Nd:YAG1064um0.1-100mW光穩(wěn)定乙605-1030可調(diào)用波長可調(diào)較理想，但價(jià)格高丙HeNe632.8nm可見光，不理想丁LD泵浦的Nd:YAG1064um350mW-1000mW戊LD激光器780nm，830nm均可調(diào)10mW實(shí)用光鉗光源

62第六十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日粒子的折射率n和媒質(zhì)的折射率nb:

n>nb.:梯度力總是指向焦點(diǎn)。是光鑷捕獲生物粒子的必要條件。

n<nb.:梯度力反向焦點(diǎn)。粒子被推出光場。63第六十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日64第六十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日激光束聚焦至直徑1um激光光鑷對(duì)酵母細(xì)胞的捕獲和操作控制曝光時(shí)間在樣品上記錄下直徑變化的點(diǎn)65第六十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日光鑷的優(yōu)點(diǎn)不會(huì)對(duì)被捕獲的生物微粒產(chǎn)生機(jī)械損傷。因?yàn)樗怯谩盁o形”的光來實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒非機(jī)械接觸的捕獲，捕獲力是施加在整個(gè)微粒上，而不是像機(jī)械捕獲那樣集中在很小的面積上，因而不會(huì)對(duì)被捕獲的生物微粒產(chǎn)生機(jī)械損傷。至于光吸收造成損傷，選擇粒子吸收小的光波長即可避免。66第六十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日光鑷的優(yōu)點(diǎn)無菌操作光具有穿過封閉的樣品池的透明外壁，操控池內(nèi)微粒實(shí)現(xiàn)真正的無菌操作。不干擾生物粒子周圍環(huán)境和它的正常生命活動(dòng)由于光鑷的所有機(jī)械部件離捕獲對(duì)象的距離都遠(yuǎn)大于捕獲對(duì)象的尺度(～1000倍)，是“遙控”的操作，因而幾乎不影響粒子的周圍環(huán)境。67第六十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日光鑷的優(yōu)點(diǎn)實(shí)時(shí)測量微粒間的微小相互作用力光鑷對(duì)微粒的操控不是剛性的，而是像個(gè)彈簧，所以可以在操作過程中實(shí)時(shí)測量微粒間微小相互作用力。因而光鑷又是粒子相互作用過程中力的探針或稱為力的傳感器。這使得光鑷不但是操控微小粒子的機(jī)械手，同時(shí)又是微小粒子靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的理想研究手段。68第六十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日五、應(yīng)用成果與展望原生質(zhì)體的融合單個(gè)活力精細(xì)胞研究細(xì)胞間相互作用抗體抗原結(jié)合強(qiáng)度分選單條染色體細(xì)胞膜彈性的測量分散體系的研究納米生物學(xué)的研究微粒的空間排布教學(xué)研究光鑷的應(yīng)用69第六十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期日