**光鑷optical tweezers這是什么？**

光鑷optical tweezers利用光來操縱小到單個原子的微觀物體。來自聚焦激光束的輻射壓力能夠捕獲小顆粒。在生物科學中，這些儀器已被用于施加皮牛pN范圍內的力，并實現尺寸從10 nm到超過100 mm的物體的nm范圍內的位移。

它是如何工作的？

光學陷阱的最基本形式如上圖所示。激光束由高質量顯微鏡物鏡聚焦到樣品平面上的一個點上。這個斑點創造了一個“光學陷阱”，能夠將一個小顆粒保持在其中心。該粒子感受到的力包括由于粒子與光的相互作用而產生的光散射力和梯度力。最常見的是，光鑷是通過修改標準光學顯微鏡來制造的。這些儀器已經從操縱微米級物體的簡單工具發展到計算機控制下的復雜設備，可以高精度和準確性地測量位移和力。

應用

光鑷已被用于捕獲介電球、病毒、細菌、活細胞、細胞器、小金屬顆粒，甚至 DNA 鏈。應用包括限制和組織（例如用于細胞分選）、跟蹤運動（例如細菌）、施加和測量小力以及改變較大結構（例如細胞膜）。光學陷阱的兩個主要用途是研究分子馬達和DNA的物理性質。

細節、工作原理

光鑷背后的基本原理是與彎曲光相關的動量傳遞。光攜帶的動量與其能量成正比，并沿傳播方向發展。光方向的任何變化，通過反射或折射，都會導致光的動量發生變化。如果一個物體彎曲光線，改變其動量，動量守恒要求物體必須經歷相等且相反的動量變化。這會產生作用在物體上的力。

在典型的光鑷設置中，入射光來自具有高斯強度分布的激光。基本上，光束中心的光比邊緣的光更亮。當這種光與珠子相互作用時，光線會根據反射和折射定律彎曲（上面顯示了兩個示例光線）。來自所有這些光線的力的總和可以分為兩個部分：散射力，指向入射光的方向）和梯度力，由高斯強度分布的梯度產生，并在xy平面上指向光束的中心。梯度力是將珠子拉入中心的恢復力。如果折射光線對散射力的貢獻大于反射光線的散射力，則沿 z 軸也會產生恢復力，從而產生穩定的陷阱。磁珠的圖像可以投射到象限光電二極管上，以測量納米級位移。

現代光鑷

在實踐中，光鑷是非常昂貴的定制儀器。這些儀器通常從商用光學顯微鏡開始，但會進行大量修改。此外，將多個激光器耦合到顯微鏡中的能力也帶來了另一個挑戰。高功率紅外激光束通常用于實現高捕獲剛度，同時將對生物樣品的光損傷降至最低。光學陷阱的精確轉向是通過透鏡、反射鏡和聲/光電設備完成的，這些設備可以通過計算機進行控制。下圖旨在說明此類系統中的元素數量。簡而言之，這些是非常復雜的儀器，需要顯微鏡、光學和激光技術的工作知識。

審核編輯：劉清