光镊技术在生命科学研究中的发展与应用-燕山大学学报.PDF

卷 期 燕山大学学报 年 月 文章编号：1007-791X (2008) 01-0058-07 光镊技术在生命科学研究中的发展与应用 魏勇 ，朱艳英 ，赵原源 ，肖长江 ，史锦珊 （ 燕山大学 理学院，河北 秦皇岛 ； 燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 ） 摘 要：介绍了光镊技术的原理和系统结构，追踪了光镊操作和探测技术从微米到纳米的进展，最后给出了纳 米光镊在生物技术领域的应用。 关键词：光镊；纳米生物学；纳米光镊；生物大分子 中图分类号：Q631 文献标识码：A 引言 基本原理 光镊在问世之初被看作是微小宏观粒子的操 光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动 控手段， 年美国贝尔实验室的科学家 量传递的力学效应。对于直径大于波长的米氏粒子 首先将光镊技术用于生命科学的研究，同时，他用 来说，光镊的势阱原理可以用几何光学来解释 。 一束强聚焦激光实现了三维梯度力势阱。光镊的基 图 介质小球的球心 处于激光束焦点下方， 本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学 当轴外光线（图中的 、光线）无损耗地穿过小球 效应 ，它可以准确的、无损伤的捕 几十微米到 上时，被小球折射，折射后传播方向趋向更平行于 几十纳米大小的粒子，这种非机械性的操控对捕 光轴，即光线增大了纵向的动量 （光轴方向竖直向 微粒的周围环境影响很小，这些特点使得它在物 下，规定为 方向）。由动量守恒原理，小球相应的 理、生物和化学领域得到了广泛的应用。随着近来 获得沿负 方向的动量，即小球受到的纵向力为拉 科学的发展，光镊操控、高分辨率成像、位移标定 力。即图中光束 、 施加在小球上的力为 、 ， 以及与数字图象分析的结合已经逐渐形成了一个 其合力沿负光轴方向。所有照射到小球上的光折射 全新的实验技术，被日益广泛的应用在生物大分子 后都贡献一份逆轴向的力，其合力趋向于把小球拉 分散体系等研究领域中 。 向焦点，这就是光束对处于激光束焦点下方的介质 小球产生与光束传播方向相反的拉力的来源。对于 纳米生物学所研究的生物体系主要是生物大 分子及其复合体，它要求的实验手段首先要能按照 球心 处在光束焦点上方和光束焦点右方的小球， 我们的愿望操纵和排布分子，又不造成损伤和对它 见图 和图 ，类 的力的分析可以得到， 周围环境的干扰，从而可以跟踪观察它们在 实生 光通过小球折射后，小球将分别受到指向正光轴和 向左的梯度力作用，使小球趋向于光束焦点运动。 命活动中的基本过程。纳米光镊技术恰恰在这一点 上具有不可比拟的优势 ，这个新方法对深入研 几何光学模型下的散射力和梯度力的计算公 究和操纵基因组、蛋白质乃至纳米生物传感器等生 式为 物系统都是十分重要的 ，可以期待将会出现一 系列重要的生物学应用。本文对光镊的原理、系统 构成、校准和操控方法以及发展到纳米光镊技术方 面的应用做了综述。 （） 收稿日期： 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （ ； ） 作者简介：魏 勇 （ ），男，山东平度人。硕士研究生。主要研究方向为光电检测和激光精密