第五组光镊技术的新应用剖析.docx

1、第五组光镊技术的新应用剖析光镊技术的新应用纪美伶，白中博，王 娜，马学进（西安交通大学生物医学工程）摘 要 激光光镊自从1986年发明以来，作为一种无直接接触、无损伤、可产生和检测微小力以及精确测量微小位移的物理学工具，在生命科学等多个领域得到了广泛的应用。本文从光镊的诞生出发，简要讨论了光镊的原理，光镊装置的基本结构，并简要介绍了各个种类光镊的独特功能以及基于光镊的一些新技术，进而对光镊技术及其在生命科学中的应用现状和进一步发展作了评述和讨论，阐述了光镊在生命科学研究中的潜在地位和巨大的发展前景。关键词 光镊；生命科学；原理；基本结构；应用现状；发展New Applications of O

2、ptical TweezerJi Mei-ling,Bai Zhong-bo,Wang Na,Ma Xue-jinAbstract The optical tweezer technique has emerged as a flexible and powerful tool for exploring a variety of scientific processes such as life science since it was invented in 1986. From the birth of the optical tweezer, this paper will brief

3、ly discuss its working principle, its basic structure and introduce some kinds of optical tweezers with novel features or some new technologies based on it. Then its recent developments on both the technology and applications in life science will be reviewed. It is shown that optical tweezer will ha

4、ve great potential in life science.Key words：optical tweezer; life science; principle; basic structure; application; development光镊简介一百年前，爱因斯坦提出的光量子学说最终导致了激光的诞生，20世纪60年代激光器的发明，使光与物质相互作用产生的力学效应真正走向实际的应用。20世纪70年代，美国贝尔实验室的学者Arthur Ashkin等人1发现了激光具有移动微粒的能力，并首先提出利用光压操控微小粒子的概念：在氩离子激光器发出的TEM00模式激光束作用下，硅小球在横向

5、梯度力的作用下陷入光束中心，然后在光束散射力的作用下沿着光束传播的方向加速运动；还发现了折射率低于周围介质的粒子（气泡）会被激光束排斥，同时也会被激光束沿着激光传播的方向加速。其后 Ashkin 利用两束相对照射的TEM00模式激光去捕获高折射率粒子，发现粒子在激光横向梯度力的作用下陷入光束中心，然后沿着光束传播的方向运动到一个稳定的平衡点停止下来，这样粒子就被两束相对照射的激光束稳定捕获了。这时它还不能称之为光镊，因为只能实现横向二维捕获，而在轴向上由于强烈的散射力的存在无法实现捕获。1971 年，Ashkin 和 Dziedzic 第一次使用了单光束捕获粒子2。他们利用一束聚焦的 TEM0

6、0模式激光从下向上照射粒子，在轴向散射力的作用下粒子被顶起，同时粒子受到向下的重力作用。当粒子运动到平衡位置时，向上的散射力和向下的重力达到平衡，粒子在轴向上稳定下来。在横向上，由于光束的横向梯度力始终指向光束中心，因此粒子被稳定地捕获在光束中心。这样就形成了一个单光束悬浮光阱（opticallevitation trap）。在1986年，Ashkin发表了一篇具有深远意义的论文3，标志着光镊的诞生。在此文中Ashkin仅仅利用一束激光就实现了在三维方向上捕获电介质粒子，而且在轴向上利用的是梯度力捕获粒子，而非利用重力作用的悬浮光阱。实验中Ashkin利用高度聚焦的单光束焦点形成的单光束梯度力

7、势阱（single beam gradientforce trap），在水中成功地捕获了直径从 25nm 到 10m 的电介质粒子，且在横向和轴向上所施加的捕获力都来自于光场梯度力。由于这种单光束梯度力势阱在轴向上的梯度力足够大，超过了散射力，占据了主导地位，形成了一个稳定的三维势阱，可以像一个镊子一样任意捕获并移动电介质粒子，可以在基本不影响周围环境的情况下对捕获物进行亚接触性、无损活体操作，因此又被形象地称作光镊（opticaltweezers）。近30年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，由于其在捕获操纵粒子时具有非接触性、无机械损伤、精确定位等特点，使光镊在各个领域，特别是生命科学

8、领域，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4，在生物分子的操控和生物分子的动力学研究方面发挥了重大作用，正逐步成为研究活体生物功能内在机制和疾病诊断、治疗的重要工具。因此，本文将光镊的基本装置、分类及其在生物科学领域的应用等方面作简单介绍与系统地综述。基本原理光具有能量和动量，携带动量的光与物质相互作用时会有动量的传递，从而表现为光对物体施加一力，并由此引起物体的位移和速度的改变，称之为光的力学效应。如图1所示，一束激光被透镜聚焦后射到透明介质球上，经介质球两次折射后，光子动量发生变化，这种变化反作用于小球，表现为对小球的反作用力，该力的大小正比于光的强度梯度，合力F方向指向光

9、束焦点。这种由于光场强度分布不均匀而产生的力，称为梯度力。光镊是依靠光的梯度力形成的，当达到焦点附近的梯度力大于散射力时才能形成一个稳定的三维光学势阱来稳定地捕获生物粒子，这一稳定的三维光学势阱是由一束激光通过一个短焦距透镜汇聚来实现的。由图1可知，无论入射光从法线之上还是之下入射小球，小球受到合力方向均指向焦点（）中光场梯度力指向焦点位置，因而可被稳定捕获，并进而实现对它的操控。 图1 电解质小球的光捕获机理示意图4当光束a和b经透镜折射，其折射光产生的力分别为和，合力F指向焦点。无论a、b两束光从法线之上（A）还是之下（B）入射，电解质小球所受合力方向均指向焦点基本组成装置光镊系统通常是由

10、激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测传感部分和传统光学显微镜组成，再配上CCD和计算机，用来观察、监测和记录实验过程5。光镊的简易结构如图2所示。图2 光镊实验装置简易图7 BE为beam expander，即激光扩束；MO，microscope objective，物镜；DM，dichroic mirror，分光镜，样品至于载物台上。激光光源为半导体激光器，激光光束经显微镜内的一片双向分束器反射，进入100倍油浸物镜，再会聚到观测点上形成光镊。图像被一个极敏感的CCD摄像机准确的记录以及传输到电脑端显示。样品池置于自动或手动操纵平台上，自动操纵平台由计算机控制其在三维方向以

11、微米精度运动，通过控制自动平台使被捕获粒子相对于样品池移动，从而实现对粒子的操控，所有的观察和测量都是在实验室的室温下进行的8。由光镊的基本装置可以看出，光镊对微粒的捕获和操作是无损的，不会干扰其正常活动，是研究生物微粒静态和动态力学特性的理想手段。光镊的分类经过近30年的发展，光镊技术得到了极快的发展。由过去简单的单光镊演化出了许多其他的类型，极大地扩大了光镊技术在现代科学技术领域的应用。（1）多光镊系统（又称阵列光镊） 对于生物微粒，常常需要研究它们彼此之间的相互作用，因此为适应相关的复杂操控的需要，多光镊技术产生并发展起来。多光束光镊是指一次可以形成多个光阱，同时捕获并操纵多个粒子的光镊

12、。与一次只能捕获一个微粒的单光束光镊相比，多光束光镊不仅可以同时产生多个光阱，同时捕获并操纵多个粒子，而且可以实时控制光阱的排列位置，大大提高了实验效率，且使入射在微粒上的激光强度分散，降低了光损伤的可能性。目前已有多种产生多光束光镊的方法，其中研究最多的、应用的最为广泛的方法是全息衍射法（全息光镊）和分时复用法（扫描光镊）这两种方法。1）全息光镊全息光镊是利用光学衍射的方法产生多光点阵列。关键技术在于光学衍射元件（DOE）的应用。一般来说，用作全息光镊的光学衍射元件是空间光调制器（SLM）上加载的计算全息图（CGH），应用最多的是液晶空间光调制器。图3中的装置就是采用反射式液晶空间光调制器。

13、其基本原理是通过计算机产生的全息图加载到空间光调制器上，激光束经扩束准直后入射到空间光调制器上，经衍射被调制成为所需要的光强分布，再通过一个望远镜系统将光束收集进入显微物镜，在显微物镜的焦平面上得到所需要的光点阵列。每一个光点相当于一个光学势阱，从而可以同时并行地捕获和操作多个微粒，通过编程改变全息图来改变光点阵列的结构。因为采用SLM可以产生排列变化的光阱阵列，所以又称其为动态全息光镊。动态全息光镊的光学捕获和操控性能仅受SLM的光学特性和所产生的全息图计算时间的限制。 图3 全息光镊装置9根据不同的全息图记录方式，全息光镊有两种光路：菲涅耳型光路和傅里叶型光路，如图 4所示9-10。菲涅耳

14、型光路使用的全息图是菲涅耳全息图，是在被照明物体的菲涅耳衍射区内记录的；傅里叶型光路使用的是傅里叶全息图，记录位置位于傅里叶变换平面。 （a） （b）图4 全息光镊的两种典型光路10-11：（a）傅里叶型光路；（b）菲涅耳型光路图5给出了 Jesacher 等人利用全息光镊产生的圆形、椭圆形、五边形、笑脸等一系列复杂光阱，并成功地捕获了多个粒子，使其在光阱中做逆时针运动。图5 全息光镊产生的阵列光阱12-13从上到下：傅里叶平面光场分布、物镜焦平面光场分布、被捕获粒子在光阱中的运动方向2）分时扫描光镊技术全息光镊受空间光调制器透过率及衍射效率的限制，通常需要使用瓦级的大功率激光器才能产生足够强

15、度的多光阱阵列。与之相比，分时扫描光镊由于采用单光束扫描在光束偏转器的作用下，在焦平面上快速扫描，以达到多光束的效果，所以光强损失小，可以使用较低功率的激光器。分时扫描光镊的核心部件是光束偏转器来实现光束的高速偏转。激光束经过偏转器在显微物镜的像平面上快速扫描，通过计算机控制光束的行走路径，也可以使激光束在几个固定点之间快速切换。当光点在各个微粒上的作用时间大于最小停留时间，而离开时间小于粒子的布朗运动时间时，粒子可以被束缚在光点扫描路径上，排布成各种图案，或者在几个固定点上同时捕获粒子。通过控制光束的扫描速度，还可以使被捕获的粒子沿光束的扫描轨迹运动。图6 扫描光镊示意图14 分时扫描光镊的

16、缺点是可同时捕获的粒子数目不多。当需要同时捕获的粒子数很多时，这种方法就不适用了。扫描光镊的另一个缺点是不能产生三维光点阵列。美国 Illinois 大学的 Timp 教授14对这种方法进行了改进，使用高速的声光偏转器产生2121的二维光点阵列，同时捕获了441个Pseudomonas aeruginosa细胞。他们将扫描技术与空间光调制器技术相结合，产生了333的三维光点阵列，可同时捕获 27 个细胞，在空间排列成方阵，用来研究细胞间信号传递。他们的方法是使用高速的声光偏转器先在平面上扫描出33的二维点阵，再通过计算机控制空间光调制器使其相当于一个菲涅尔透镜，沿光束传播方向产生三个焦平面，从

17、而得到 333 的三维光点阵列，如图7所示。由于声光偏转器和空间光调制器都可编程控制，因而可以产生任意结构的二维或三维光点阵列。 图7 使用扫描技术与空间光调制器技术相结合产生的三维光点阵列捕获细胞15（2）光纤光镊利用光纤传输激光具有在短程内损耗很低的优势，且出射的激光光场仍然呈现一定特性分布15。光纤光镊是指用光纤代替显微物镜形成会聚光束，用光纤头出射具有高度光强梯度分布的光束来捕获粒子的光镊16。与传统的光镊不同，光纤光镊不需要扩束镜对激光束扩束，也不需要显微物镜对激光束聚焦，捕获系统的光路与光学成像光路相互独立，且结构比较简单，光纤头通过机械装置控制，可以插入样品溶液中对粒子进行近距离

18、的操纵，适合用于生物活体组织、浑浊溶液等传光性不好的环境中。缺点是操作时光纤头需要浸入样品溶液，会对样品造成污染，而且会影响光纤头的使用寿命。另外光纤头通过机械装置控制，不能通过空间光调制器或者光束转折器来控制光阱运动进行灵活操控。光纤光镊两种，如图8所示。 图8 光纤光镊端口的两种形状。（a）平端面；（b）锥形自透镜端面。平端面光纤光镊的光纤头端面是与光纤垂直的平面，Constable等人17利用这种平端面光纤光镊首次成功地捕获了尺寸在 0. 1-10m 范围内的聚苯乙烯小球和酵母菌细胞。对于尺寸小于 1m 的粒子，其横向捕获能力比传统的光镊系统提高3-5个数量级，但是轴向捕获能力比较弱，捕

19、获时需要使用两根光纤相对照射。锥形自透镜端面光纤光镊的光纤头端面经过精细打磨，形成逐渐变细的半球状或锥形，从该端面出射的激光束有一定的聚焦效果，改善了平端面光纤光镊轴向捕获力较差的问题。Taguchi 等人18利用单根圆锥形头的单模光纤成功地捕获聚苯乙烯小球和酵母菌细胞。Masahiro 等人19利用三根锥形的光纤头实现了对杆形物体的旋转。通过改变三个光纤头不同的输出功率，可以任意控制杆形物体的旋转方向和旋转速度，如图9所示。 图9 三根锥形光纤光镊对感性物体的旋转20（3）飞秒激光光镊飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，但具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，它

20、作用于物质的非线性效应强，热效应小，几乎不会伤害周围区域的生物组织，因而具有极高的空间分辨率20-21。天津大学首先提出了飞秒激光光镊的概念。他们提出飞秒激光光镊与连续光光镊不同的是在飞秒光镊中作用在粒子上的光学梯度力是脉冲式23。在研究应用方面，瑞典 Malmqvist 等人23采用高平均输出功率的飞秒激光作为光镊光源，成功地捕获了非线性介质颗粒，同时还实现了二次谐波的产生。英国圣安德鲁斯大学的 Agate等人24采用飞秒激光光镊实现了对染料标记的聚合物小球的捕获，并且研究了小球的双光子荧光发射特性。国内也采用自行搭建的飞秒激光光镊实现了对人体血红细胞的稳定捕获，并做了许多飞秒激光捕获能力和

21、其他方面的理论研究工作。比如，王清月领导的课题组以高重复率飞秒激光为光源对血红细胞、白细胞、聚苯乙烯微球、病毒等均实现了稳定捕获，并比较了飞秒激光与连续激光的捕获能力25。（4）特殊光束光镊 特殊光束光镊是采用一些特殊模式的激光以产生特殊的捕获效果的光镊。通常采用比较多的有柱对称矢量光束、贝塞尔光束、涡旋相位光束、线形光束等。比如，普通的光镊对于折射率高于周围介质的电介质粒子的作用力是吸引力，而对折射率低于周围介质的电介质粒子的作用力是排斥力，因此只能捕获折射率高于周围介质的高折射率粒子。而方位角偏振光束（柱对称矢量光束的一种）聚焦时焦点处的光强分布呈现空心结构，如图10所示，所以采用此光束产

22、生的空心光阱就可以把低折射率粒子囚禁在空心处26。图10 方位角偏振光束聚焦后的空心结构，可以用来捕获低折射率粒子26。普通的高斯光束并不携带轨道角动量，因此难以旋转粒子。Allen等人27利用方位角方向变化的相位片（螺旋相位片）产生了 Laguerre-Gaussian 光束（LG 光束）。这种光束具有螺旋波阵面，携带轨道角动量。当 LG 光束与粒子交换角动量时，就可以使粒子发生旋转。图11给出了 Allen 利用角向变化的相位片把入射的TEM00光束变成具有螺旋相位的 LG光束，并实现驱动胶体粒子做圆周运动。图11利用方位角方向变化的相位片产生具有轨道角动量的螺旋相位光束用来旋转粒子28。

23、(a) TEM00高斯光束通过相位片变成具有螺旋相位的 LG 光束；(b) 螺旋相位光束聚焦后并非一点，而是一个光学涡旋，其半径与螺旋相位的螺距成比例；(c) 当单个胶体粒子陷入光学涡旋后，在轨道角动量的驱使下，粒子绕着中心做轨道运动。采用方位角方向变化的相位片可以产生螺旋相位光束，利用径向变化的相位片可以产生一种具有沿光束传播方向保持光束直径不变的贝塞尔光束（Bessel beam）。贝塞尔光束的横向光场分布是同心圆结构。零阶贝塞尔光束的中心是一个亮斑，聚集了光束的大部分能量，可以用来捕获折射率大于周围液体的透明粒子。高阶贝塞尔光束的中心是一个暗斑，随着阶数的增加暗斑半径也随之增加，这个暗斑

24、就可以看作是一个光学陷阱。对折射率小于周围液体的透明粒子或非透明的吸收型粒子，在这个陷阱中会受到指向暗斑中心的梯度力，从而被囚禁在暗斑中心。Garces-Chavez 等人28利用贝塞尔光束在轴向上同时捕获多个粒子，并且实现了把粒子沿轴向推斥了很长一段距离（3mm），图12所示。图12 空间无衍射的贝塞尔光束可以再轴向上同时捕获多个粒子28（5）纳米光镊生物大分子的尺度多为纳米量级，因此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，相互作用力的检测也要达到皮牛（pN）量级。完成这样的研究目标，即在单分子水平上探索生命运动的规律，纳米光镊技术成长并发展起来，成为实现单个生物大分子

25、的纳米精度操控与定位，纳米位移和皮牛力的测量的重要工具29。 相比于传统光镊，首先纳米光镊所能操控的对象的尺度延伸到了纳米量级；其次是光镊阱位或微粒的操控定位达到了纳米精度。更重要的是位移测量达到了纳米精度，但是在纳米光镊技术中生物大分子位移的测量是仍然是通过测量光镊可操控的刚性“手柄”小球的位移间接测量的。因为光学成像方法分辨能力受波长限制，但刚性小球这种尺度的定位精度可以达到纳米量级。最后，对生物分子间相互作用相联系的微小力的实时测量技术已经建立起来了。从飞牛（f N）到上百皮牛（pN），这种微小力的测量关键是力的标定。考虑到光阱中心附近，势阱很类似于简谐势，只要标定了光阱的刚度，测出被捕

26、获粒子偏离阱中心的距离，就可算出粒子受到的阱力，并由此得出粒子所受外力。 纳米光镊技术已基本成熟。因其在微观生物学研究中的重要作用，它受到国际科技界越来越广泛的关注，国内外一些著名的大学和实验室都已经或计划开展利用光镊进行单个生物大分子的研究。基于光镊的新技术（1）光致旋转 早期的光镊光镊只利用了光的线性动量，其实光在一定条件下还带有角动量，光在与物质相互作用使光束的偏振态发生变化时，就会与物体或微粒有相应的角动量的交换，从而使物体发生转动，这种光的力学效应，称为光致旋转。光致旋转的方法有很多。主要有类风车微粒旋转法，圆偏振光旋转双折射粒子法，特殊激光模式法等。1）类风车微粒旋转法类风车微粒旋

27、转法使用形状如风车状的微粒，其原理是利用光压的作用。光压力作用在风车状微粒上会产生扭矩从而使微粒旋转，其转速与光强成正比，旋转方向取决于微粒本身形状。这方面的研究以匈牙利科学院Ormos等31的工作为代表。这种光致旋转需要的特殊结构的微粒必须通过精密的微加工技术制作，成本较高。2）圆偏振光旋转双折射粒子法圆偏振光旋转双折射粒子法的基本原理是：圆偏振光的每个光子具有大小为1h的自旋角动量，当其穿过透明的双折射微粒后，光束中光子的自旋角动量发生改变，根据角动量守恒定律，双折射微粒将从光束获得相应的角动量并产生围绕自身光轴的旋转。当微粒厚度相当于入射激光1/4波长的厚度时，产生的扭力矩达到最大值，而

28、且左旋与右旋圆偏振光会分别导致微粒的顺时针或逆时针旋转。由于粒子对于光束是透明的，增加激光功率不会产生很高的热效应，可以实现很高的旋转频率。该方法的缺点是仅适用于双折射粒子而且对粒子的厚度有要求。澳大利亚昆士兰大学的Nieminen等人32用这个方法实现了双折射CaCO3的旋转，在激光功率为300 mW时（波长1064 nm），最大旋转频率达到350Hz。图13为姚保利等人实验实现的CaCO3的旋转。图13 CaCO3微粒的光致旋转33使用线偏振光也可以实现某些微粒的光致旋转。例如碟状和棒状的微粒，当它们被捕获在线偏振光的光阱中后，其长轴方向总是与线偏振光偏振方向保持一致。这时，如果使用半波片

29、连续改变线偏振光的偏振方向，微粒就会随之旋转。如图14所示，澳大利亚昆士兰大学Nieminen等使用此方法旋转了菠菜叶绿体34。 图14 菠菜叶绿体在线偏振光作用下的光致旋转34 上述几种光致旋转方法都对粒子本身的结构和形状有严格的要求，属于特殊粒子旋转法，不适用于任意粒子的光致旋转。而特殊激光模式法则可以实现对任意粒子的光致旋转。它利用的是某些具有轨道角动量的特殊模式的光束，这种能使粒子旋转的光束被人们形象地称为光板手（Optical Spanner）。例如前面介绍的具有螺旋波阵面的拉盖尔-高斯光束（L-G），波阵面呈螺旋状，具有圆形截面，沿光轴光场强度为零。拉盖尔-高斯光束中每个光子都具有

30、大小为lh的轨道角动量，当其照射到粒子上时，粒子可以吸收获得光束的轨道角动量，产生自转35-36。这种方法原则上适用于各种粒子，但转速高低取决于粒子吸收入射光轨道角动量的大小。增加入射光强有可能导致很高的热效应，而且由于吸收产生的轴向散射力也会影响光镊的捕获，从而限制了粒子的旋转频率。 利用圆柱状石英在光镊中形成的光扳手，美国康奈尔大学的C. Deufel等人37观测了双螺旋DNA形成超螺旋结构时产生的扭力和相变的过程。比较上述几种光致旋转法可以看出，它们各有其优缺点和适用范围，在实际应用中应根据需要选择适合的方法。光致旋转技术可以用于驱动微机械装置，是实现微机械马达的有效手段。在细胞生物学中

31、还可以用来研究旋转分子马达的特性。（2）光镊成像系统的设计与实现纳米光镊技术成为当前光镊技术发展的一个主要方向，对于纳米光镊技术，生物粒子的尺度为纳米量级，因此，必须发展相应精度的物理技术和方法，特别是生物粒子的精确操控与定位、位移测量和皮牛量级力的检测等，这些功能主要通过光镊成像系统实现。因此，设计合理的成像系统结构并增强其数据分析处理能力是光镊技术发展中的重要内容之一。 周哲海等人53搭建了一套远场光镊和计算机控制的三维平移台，实现了纳米位移，并设计了光学成像系统，实现了高质量捕获粒子成像，并编写了一套图像处理软件，实现了粒子计数、位置测量及粒子圆度计算等功能。实验结果表明，该成像系统可实

32、时获取捕获的纳米尺度微小粒子的位置及位移信息，为进一步实现皮牛顿力的精密测量奠定基础。系统主要由两部分组成，即实现粒子捕获的粒子捕获系统和实现捕获粒子成像及分析的成像系统。（3）光镊与其他技术结合光镊作为一种光学技术，很容易与其他光学技术耦合，从而具有更完善的功能，成为更加强大的组合研究工具。1)光镊与激光光刀的结合激光光镊用作光学微机械手，用来实现对微小“工件”的夹持、操控，而激光光刀则用作光学微刀具，实现对工件的显微加工，切割、消融、穿孔等。这样的系统构成了用光学夹具和刀具做成的全光学机器，是对生物微粒进行微操控和微加工的理想手段，飞秒光刀的应用最为广泛38。利用飞秒脉冲激光的多光子烧蚀效应，可以切除掉目的基因或组织后，再观察生物体没有这些细胞和组织后的机能变化，从而确定单个细胞或组织的功能39；光镊也可以用来挑选待融合的特定细胞，并把