光镊原理浅析

光镊原理浅析2011.06.23光镊原理浅析•光势阱•光辐射压力（光压）•光镊(单光束梯度力光阱)基本原理•光镊系统基本结构•光镊的应用几何光学机制Dλ中间机制瑞利机制Dλ光阱势阱：粒子在某力场中运动，势能函数曲线在空间的某一有限范围内势能最小，形如陷阱，称为势阱。光阱周边的粒子以大的加速度坠入阱中被囚禁光陷阱效应光辐射压力•光的基本属性——能量和动量P=E/C•光与物质相互作用伴随着动量的交换,从而表现为光对物体力的作用力（F=P/t）。由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力，因而通常称之为辐射压力或简称光压。然而，在特定的光场分布下，光对物体也可产生一拉力，即形成束缚粒子的势阱。光镊的定义光镊又称单光束粒子阱，是基于散射力和辐射压梯度力相互作用而形成的能够网罗住米氏和瑞利散射范围粒子的势阱。简单来讲，就是用一束高度汇聚的激光形成的三维梯度势阱来俘获、操纵控制微小粒子的技术。光的作用力以透明介电体小球作模型来讨论光与物体的相互作用b0b1Fb梯度力Fg小球直径远大于光波，采用几何近似散射力单光束粒子阱的几何光学原理图Diagramshowtherayopticsofsingle-beamgradientforcetrap对于直径大于波长的米氏散射粒子光镊的基本原理米氏散射光镊的基本原理瑞利散射对于直径小于波长的瑞利散射粒子适用于波动光学理论和电磁模型。波动光学理论(也是光镊的基本理论)认为,在光轴方向有一对作用力:•与入射光同向正比于光强的散射力Fscat•光强梯度同向正比与强度梯度的梯度力Fgrad。光镊的基本原理瑞利散射对于直径小于波长的瑞利散射粒子在折射率为nm的介质中,折射率为np的瑞利粒子所受的背离点的散射力为（m=np/nm）对于极化率为α的球形瑞利粒子所受的指向焦点的梯度力为光镊的基本原理瑞利散射对于直径小于波长的瑞利散射粒子这样,在焦点处形成势阱的标准为指向焦点的梯度力与背离焦点的散射力之比大于1,即两者的合力指向焦点,即有光镊的基本原理瑞利散射对于直径小于波长的瑞利散射粒子若粒子小球在横向(垂直于光轴方向)偏离中心位置,也会受到一个指向光束中心的作用力使小球锁在焦点处。该力与光阱效率、光功率成正比。即有F=QnmP/c故小球所受光阱恢复力在小球半径范围内大致正比于小球位移,即有F=-kx其中,x为小球的位移;k为光阱的刚度。光阱效率与小球位移的理论关系曲线Theoreticalcurveofgradienttrapefficiencywithdisplacement米氏散射瑞利散射可见,粒子小球在光束焦点附近所受的力均指向光束焦点,由此可揭示在高度汇聚的光束焦点处存在指向焦点的势阱。中间机制光镊系统实物光镊系统结构示意图Typicalmodernopticaltweezerssetup光镊系统的构成四象限光电探测器D-双色分光镜(dichoidfilter)S-活动样品池(specimencell)S•光镊可以实现对生物活体细胞的亚接触和无损伤的捕获和操纵•可以直接控制小到数十nm的粒子•目前较通用的方法是分子间接操纵法使用μm小球间接操控肌凝蛋白、肌动蛋白的示意图Fig.Diagramillustratingtheuseofmicrometerbeadstomanipulateactinandmyosinmolecules光镊技术的应用Anexampletraceofasinglekinesinmotortaking8nmstepsagainsta5-pNforceisshowninFig.光镊技术的应用微粒的捕获与操控对粒子的操控：捕获粒子，移动样品池红细胞的捕获微粒的捕获与操控说明：实验中固定光束（即光镊不动），移动样品台（池）。光阱横向（沿X-Y平面）操控微粒（图中箭头表示背景相对于光镊的运动方向）光阱纵向操控微粒（右图中背景清晰度与左图的不同）光镊操控单粒子微米粒子稳定的空间排布48个2微米聚苯乙烯小球组合而成侧面观察，由四个小球垒成支撑柱水稻单条染色体分选首次分选单条染色体/中科大国际研究成果举例•DNA分子（2纳米直径）的扭转、打结/日、美•Nature生物大分子精细操作双光镊对肌动蛋白进行打结。如右图所示分子操作达到相当高的水平为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新途径。用于缝合细胞或神经的细微手术。感谢您的聆听！