光鑷：基於激光技術綻放出的綺麗之花

光學是一門既古老又現代的學科。經典光學主要是以電磁輻射本身為研究對象，而近代光學的發展則是以光與物質的相互作用為主要研究內容。自20世紀60年代激光的誕生，強光與物質的相互作用產生了一系列非線性效應，使光學領域煥然一新。

光鑷是80年代基於激光技術綻放出來的一朵綺麗之花，光鑷技術將光具有動量屬性的一面展現得淋漓盡致，她不僅豐富和推進了光學領域的發展，也為光學聯合眾多姊妹學科搭建了一座橋樑，彰顯出她獨特的魅力。

光鑷是由光形成的一種特殊工具，類比人們常用的機械鑷子，光鑷是「無形」的，它能夠對微粒實施無損無菌操控、視屏動態跟蹤、進行微小力的測量。這種能夠用一束光在三維空間控制懸浮的微粒的實驗，結構簡潔而有效，技術達到完美的境地。正值納米科技蓬勃發展之際，生物學研究從系綜深入到定量，人類對自然界和自身的認識不再滿足於對宏觀現象的了解，我們渴望深入到對每一個個體微觀機理和功能的定量研究，以便接近自然本質，從而更好的認識和改造自然。所以，光鑷一問世，科學家們就預感用光力控制微米尺度顆粒的技術潛藏著不可估量的發展和應用前景。二十多年來，基於光鑷操控顆粒的原理和應用研究，證明了該技術的獨到和不可或缺的價值。

光鑷技術作為皮牛（pN）力的探針，其微觀操縱能力和超高的空間、時間解析度，已經為我們拉開了研究生物單分子的序幕，使我們充分領略到光鑷那巧奪天工之神力。我們的身體內，主宰生命運動的無數個川流不息的生物大分子的運動規律已被光鑷所窺測；我們的食物通過消化系統形成的各種化學能，又如何轉化成我們運動的原動力已被澄清；導致血液凝結的單分子機理也已被揭曉。特別是光鑷技術已經嫩鞏固直接控制活體動物血管內細胞，可望成為生物基礎研究和醫學臨床提供重要工具。

我們發現，生物教課書上精細描繪的那一幅幅充滿想像的卡通圖中隱含著諸多的物理思想，從此他們將經受物理學家精確的實驗檢測和驗證，一層層揭開其神秘的面紗。人類在19世紀末完成了偉大的人類基因組計劃，我們相信下一個計劃就應該是「生物單分子力譜」的宏偉工程。回答「什麼是生命」這一古老話題，揭秘生命的奧秘，解決人類疾病總是令人神往的，讓我們共同來譜寫這部天書吧。

從Ashkin A 1986年發表的第一篇單光束光鑷論文起，已經歷了約30年。光鑷從鮮為人知、集中在少數物理學家的實驗室中，從簡單的微米細胞的操控到目前可以實現對單分子亞納米精度的測量。極大地促進了定量生物學的發展。光鑷技術已成為眾多學科科學家渴望的工具。光鑷領域正迎接應用技術蓬勃發展的未來。

光鑷名稱的由來

A.Ashkin於1970年發現當一束激光射向微米微粒時，該微粒會受到一個沿光線傳播方向的推力；用兩束激光對射時就可以將微粒夾持住。後來，他進一步發現利用一束會聚激光可以在三維方向上控制微粒，由此開拓了光捕獲微粒研究的新領域。

A. Ashkin

光鑷，顧名思義，它是一種利用一束光抓住物體的工具。經驗告訴我們，傳統的機械鑷子用來夾持物體時，必須使鑷尖接觸到物體，並施加一定的壓力，物體才會被鉗住，然後就可以固定物體或對它進行目標遷移等操作。而光鑷與之不同，光鑷使物體整個受到光的束縛從而達到「鉗」的效果，然後通過移動光束（或改變物體的環境）來遷移物體。

與機械鑷子相比，光鑷是以一種溫和的非機械接觸的方式完成夾持和操縱物體的。尤為重要的是，在以形成光鑷的光為中心的一定區域內，物體一旦落入這個區域就有自動移向光束中心的趨勢，其現象尤如微粒被吸塵器吸入,或者像一個飛行物墜入宇宙黑洞那樣,表現出光鑷具有「引力」效應(也有人稱之為牽引束)。已經落入阱中的微粒(處在光束中心的微粒)，若沒有外界力的擾動，物體將不會偏離光束中心。由於各種外界作用或微粒自身布朗運動等原因，當微粒略偏離光束中心也會很快恢復到原位，所以光鑷又酷似一個陷阱（trap,snare）。這個陷阱有一定範圍，在該範圍邊界處存在一個勢壘。當物體的動能不足以克服勢壘時，它將繼續停留在陷阱內，這個範圍就叫做阱域（trap region）。

由此可見，會聚的激光光束具有抓住物體的作用，所以稱為光鑷，即光學鑷子（optical tweezers）。所謂的光鑷，其實是比擬宏觀機械鑷子對光的勢阱效應的一種形象而通俗的描繪，既利用鑷子的概念又不失其光學本質地賦予光勢阱一個獨特的命名。當我們在研究光鑷自身的物理性質時，還會採用「光學勢壘」（optical barrier）、「光捕獲阱」（optical trap）、「光梯度力阱」（optical gradientforce trap）或「光阱」（optical trap）等物理術語。

本文由安靜摘編自李銀妹、姚焜著啊《光鑷技術》之前言和第二章，內容有刪減。

978-7-03-046670-9

《光鑷技術》分為上中下三篇，系統地介紹光鑷技術的原理、技術、裝備和應用。上篇從光的力學效應發展的歷史，全面介紹光鑷技術的由來、光鑷技術的原理、功能和特點，光鑷設備，設備的設計，操控和測量技術與方法。給出表徵光鑷技術的參數。中篇對光鑷儀器單元技術和測試技術做了全面介紹，詳細介紹了光鑷力的測量方法和精度，分析了各種方法的測量誤差，給出了光鑷光場的電磁場和幾何光學的基本理論分析方法，較全面地分析光鑷技術應用過程中遇到的光鑷儀器自身的技術問題。下篇將其應用分為光鑷與單分子生物學、光鑷與細胞生物學、光鑷與膠體科學以及光鑷與物理學四個領域進行介紹，例舉了國際上已用光鑷技術成功解決這些領域難以解決科學問題，詳細闡述了每一個問題解決的方法，讀者可以根據自己工作領域的需求尋找與光鑷技術結合的切入點，用於解決本學科的問題。也可以借鑒前人經驗用於解決本學科的問題。

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