光镊optical tweezers是什么？光镊的用处有哪些呢？

**光镊optical tweezers这是什么？**

光镊optical tweezers利用光来操纵小到单个原子的微观物体。来自聚焦激光束的辐射压力能够捕获小颗粒。在生物科学中，这些仪器已被用于施加皮牛pN范围内的力，并实现尺寸从10 nm到超过100 mm的物体的nm范围内的位移。

它是如何工作的？

光学陷阱的最基本形式如上图所示。激光束由高质量显微镜物镜聚焦到样品平面上的一个点上。这个斑点创造了一个“光学陷阱”，能够将一个小颗粒保持在其中心。该粒子感受到的力包括由于粒子与光的相互作用而产生的光散射力和梯度力。最常见的是，光镊是通过修改标准光学显微镜来制造的。这些仪器已经从操纵微米级物体的简单工具发展到计算机控制下的复杂设备，可以高精度和准确性地测量位移和力。

应用

光镊已被用于捕获介电球、病毒、细菌、活细胞、细胞器、小金属颗粒，甚至 DNA 链。应用包括限制和组织（例如用于细胞分选）、跟踪运动（例如细菌）、施加和测量小力以及改变较大结构（例如细胞膜）。光学陷阱的两个主要用途是研究分子马达和DNA的物理性质。

细节、工作原理

光镊背后的基本原理是与弯曲光相关的动量传递。光携带的动量与其能量成正比，并沿传播方向发展。光方向的任何变化，通过反射或折射，都会导致光的动量发生变化。如果一个物体弯曲光线，改变其动量，动量守恒要求物体必须经历相等且相反的动量变化。这会产生作用在物体上的力。

在典型的光镊设置中，入射光来自具有高斯强度分布的激光。基本上，光束中心的光比边缘的光更亮。当这种光与珠子相互作用时，光线会根据反射和折射定律弯曲（上面显示了两个示例光线）。来自所有这些光线的力的总和可以分为两个部分：散射力，指向入射光的方向）和梯度力，由高斯强度分布的梯度产生，并在xy平面上指向光束的中心。梯度力是将珠子拉入中心的恢复力。如果折射光线对散射力的贡献大于反射光线的散射力，则沿 z 轴也会产生恢复力，从而产生稳定的陷阱。磁珠的图像可以投射到象限光电二极管上，以测量纳米级位移。

现代光镊

在实践中，光镊是非常昂贵的定制仪器。这些仪器通常从商用光学显微镜开始，但会进行大量修改。此外，将多个激光器耦合到显微镜中的能力也带来了另一个挑战。高功率红外激光束通常用于实现高捕获刚度，同时将对生物样品的光损伤降至最低。光学陷阱的精确转向是通过透镜、反射镜和声/光电设备完成的，这些设备可以通过计算机进行控制。下图旨在说明此类系统中的元素数量。简而言之，这些是非常复杂的仪器，需要显微镜、光学和激光技术的工作知识。

审核编辑：刘清