光镊原理.docx

1.1 光镣技术简介光银是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是利用强会聚的光场与微粒相互作用时形成的光学势阱来俘获粒子的【4】。1969年，A.Ashkin等首次实现了激光驱动微米粒了的试脸。此后他乂发觉微粒会在横向被吸入光束（微粒的折射率大于四周介质的折射率）。在对这两种现象探讨的基础上，Ashkin提出J'利用光压操纵微粒的思想，并用两束相向照耀的激光，苜次实现了对水溶液中玻璃小球的捕获，建立了第一套利用光压操纵微粒的工具。1986年，A.Ashkin等人又发觉，单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，可以吸引微粒并把它局限在焦点旁边，于是第一台光镣装置就诞生了15,6：也因此，光镶的正式名称为“单光束梯度力势阱"（sing1.e-beamoptica1.gradientforcetrap）*由于运用光镒来捕获操纵样品具有非接触性、无机械质伤等优点，这使得光嫌在生物学领域表现出了突出的优势。这些年来，随着探讨的深化和技术的不断完善，光镒在生物学的应用对象由细胞和细胞器逐步扩展到广大分子和单分子等。目前，光镶常被用来探讨生物过程中的细胞和分子的运动过程【7/0】,也常被用来测量生物过程中的一些力学特征（11-I41.1.2 光镣的原理与特点众所周知，光具有能量和动量，但是在实际应用中人们常常利用r光的能量：,却很少利用光的动量。究其缘由，这主要是因为在生活中我们接触到的自然光和照明光等的力学效应都很小，无法引起人们可以干脆感受到或视察到的宏观效应。而科学家们利用激光所具有的富亮度和优良的方向性，使得光的力学效应在显微镜卜显现了出来，在这里我们要介绍的光诳技术正是以这种光的力学效应为基础发展起来的。121光压与单光束梯度力光阱光与物质相互作用的过程中既有能量的传递，也有动量的传递，动量的传递常常表现为压力，筒称光压。1987年，麦克斯韦依据电磁波理论论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式。1901年，俄国人11H列别捷夫用悬在细丝下的悬体实现了光压的试验测证【15】“此后，美国物理学家尼克尔、霍尔也分别测量了光压【16】20世纪70年头，人们起先探讨激光的辐射压力,并发展了原子束的激光偏转【17、激光冷却【18】、光子粘团【19】等试脸技术。在宏观微粒的光压力探讨方面，由光悬浮发展到光捕获、光致旋转等【20】，1970年，A.Ashkin21首次实现了水溶液中的光悬浮。随后的一些探讨22-25最终导致f光镒的独创.通常光对物体的作用力都是推力。但是，在肯定条件下光也可以对物体产生拉力，或更般的，产生束缚力。这就牵涉到光对物体作用的梯度力。为了阐明梯度力的概念，以透亮介质,小球为例说明。如图1.1所示，一个透亮介痂小球处于一个高斯分布的非匀称会聚xXx光场中，小球的折射率大于四周介质的折射率。当会聚激光束照耀到微粒上时，激光发生折射和反射，也包括一部分汲取.i/j被微粒反射和汲取的光作用就是光辐射压Xjy力,或者称散射力，其方向与光传播方向b一样，它趋向于使小球沿光束传播方向运动。与此同时，光束经过微粒会发生多次、A折射，有些会聚光线折射后传播方向更趋卜向于光轴（即光束传播方向），从而增大了/轴向动3t因而绐与微粒与光传播方向相ra反的作用力，表现为拉力，这就是轴向梯图唯光束梯度力光阱度力的木质，由于此拉力的作用，导致粒子在轴向可以稳定在激光焦点旁边。而微粒在横向的偏离，由于光场的非匀称性，也会受到指向激光隹点的回第力，即横向梯度力。在梯度力和散射力的共同作用下，微粒被稳定束缚在激光焦点旁边。这就是雌光束梯度力光阱。122光慑技术的特点光镒是对单光束梯度力光阱的形象的称呼，因为它与宏观的机械镣子具有相像的操控物体的功能。但与宏观的机械镒子相比，或衣与传统的操控微纳米粒子的显微微针或原子力显微镜等相比，光镒具有不行比拟的优越性.光镣对微粒的操控是非接触的遥控方式，不会给对象造成机械损伤。这使得光殴在生物学探讨特殊是单细胞单分子探讨领域应用特别合适。首先，光镒捕获微粒的尺度在儿十纳米到儿卜微米，正好是生物细胞、细胞器以及生物大分子的尺度位围。其次，光镀的温柔操控不会损失细胞，虽然激光会产生热，但可以通过选择合适的波长,避开细胞对光的汲取波长，将热效应降到最低“另外，由丁大部分细胞膜是透亮的，光可以穿过细胞腺操控细胞内部微粒，这是其他操控手段无法做到的。光摄不仅可以操控微粒，还可以进行微小力的测量，粒子偏离捕获中心的距离和其受到的回夏力成正比，类似与弹黄，在操控过程中能实时惬应俘获粒子的微小负荷。因此，光镣是极其灵敏的力传感蹲，其作为微小力的探针，可以进行细胞和生物大分子之间的相互作用的定量测显，进步揭示细胞的功能以及活动规律。3.2单个光镣的光路设计在我们设计的纳米光被系统中将配备多个光被。而每个光锚的光路设计都遵循相同的设计要求。即激光束从光源出射起先，到通过物镜形成光摄,中间所经过的耦合光路，要保证物优输出的光束会聚度最大、像差最小，形成的光镒捕获效果最好。为此要求物镜后瞳能被光束完全充溢，以便提高光镀捕获性能。本节以HeNC激光光镶为例，具体探讨单个光镒的光路设计。UU图3.2：HeNe光领光路示懑图图3.2为HeNe激光光镣的光路简图.我们采纳的倒置显微镜的光路为无穷远系统，因此激光进入物镜后瞳时应是平行光束,显微镜中有个固定在镜体内的透镜一焦距15Omm的协助透使T.它必需作为光镜系统中的一部分参加到光路设计中。为得到球可能大的激光束会聚度，即油浸物镀数值孔径NA所许可的最大会聚角度，激光器输出的光束必需被扩束，以满意耦合光路对光束直径的要求。当物镜像恻的孔径（后瞳）被高斯光束恰当地照明时，光束将会被聚焦为衍射极限的焦斑.物镜出射光束的志向会聚角度4为126度，由&=巨=1.274可得叫SQ志向束股5为363nm.本装置中运用了一个IOX（如图3.2,由透镜1.1.和1.2组成）扩束器。HeNe激光器发出的激光束直径为065mm,经过扩束后光束直径为6.5mm。该光束被焦距250mm的透镜1.3会聚到物平面的共匏面C（该平面的位置为显微镜左侧的CCD接收靶面的位置）上，然后通过CCD通道进入显微镜，被45度二向色反射镜反射，再经过协助透镜T后，变换为合适直径的平行光束进入物镜。的后瞳，在物境的物平面形成会聚点，在该点旁边形成了光梃。在实际光路的设计中，除了要保证物镜后瞳被光束充溢，我们还须要考虑下列状况：阱位与焦点位置并不一样.为保证被捕获的微粒能够清楚成像到观测平面上,激光束经过物镜后的会聚点应适当偏离物平面，而使阱位落在物平面上。通常被捕获微粒的比重大于四周液体，因此要求阱位也即物平而在焦点之内。上面描述的光路和元件参数就是基于这样的考虑，经过试救测量确定的。我们变更了光路中HeNe光束的扩束状况，使激光束经过扩束镜后并不是平行光束，而透镀1.3和协助透镀T之间的距离也被变更，并不严格等丁该两枚透镜的焦距之和。最终到达物镜后腼处的激光束并不平行，光斑直径约为6mm,梢大于物镜后瞳（5mm）。光束的隹点落在物平面之外.保证了被捕获样品的清楚成像。保证J'被捕获样品的成像状态和光镒的捕获性能，并且由丁进入物镜后瞳的光斑稍大,这就使得当入射激光束有少许偏转的时候,物镜后瞳依旧能保持充溢，光锻性能受到的影响较小。出于光镶光路调整的须要，也是为了在必要时对阱位作横向调整，光路中还插入了两个可进行俯仰、左右二维询整的反射镜。同样，必要时可通过对扩束镜中透镜位置的纵向（激光传播方向）调整实现光银阱位在纵向的移动，这些将在后文中进行具体介绍。3.3 多光镜的光路设计在多光镀系统的设计中，耦合光路要能地将多个光镶有机地耦合在一起，而不影响它们的独立操控。目前所运用的多光镣装置，可以分为两大类。第一，单光镣的分时更用：这种方式是在单光钳的基础上，在光镶中加入一个光学扫描部件，使单光镶依次反第在多个位置间进行快速的切换”,力每一个位置都按次序运用激光光源的一个时间片段。例如：光镜在初始位置捕获一个微粒，然后快速地切换位置,在另个位置抓住其次个微粒。按这种方式，当光镒经过若干位置后，重又回到原来的位置，只耍切换速度足够快，第一个微粒还没有来得及脱离光镣捕获区域，因此又会被重新稳定在捕获位置。如此反豆即实现了光镀的分时发用。这种方式的机械困难度较高，运用的时候在光饿扫描的路途上都可以实现捕获，即可以实现多个微粒的捕获：微粒间的距离不易精确限制，不易实现光镶间相对的困难操作。第二，多光束实现多光镶：这种方法思路简洁，每个光悔都由独立的光束形成。实现方法主要有如下几种：1.对某一激光束进行分束，可以是能量分束或偏振分束。能量分束是将激光束依据能量比例分成多束。不过由于它们来源于同一激光束，分束后的激光具有好的相干性，简洁发生干涉，对光捕获不利。偏振分束是将激光束分成偏振方向相瓦垂直的二束光I”这种方法简洁易行、能量损耗低，得到的二束偏振光之间无干涉效应，并I1.也可以通过光学器件对分束后两束偏振光的能量比进行连续调整。该方法形成的双光镶稔定，但最多只能形成两个光钳：2.对同一激光束作位相变换，使激光束波前形成所须要的分布，最终可以在光场内形成多个光镣U网.目前已有科研人员采纳液晶位相变换器实现了多光错EM,光镣数域可以达到上百个。这种方法适应范围广，但代价较高：3.用多个激光器形成多个光微，即采纳不同波长的激光罂。这对光学器件镀膜的耍求较高，而且增大/光路的困难度，因此不宜采纳过多的不同波长激光。我们采纳偏振分束和不同波长激光两种方法相结合来实现三光镀装置。图3.3为设计简图.作为基本设置，三个光镒既可以协同实现单个刚性微粒在空间的精确定位与定向；也可以用二个光镀操控一线形大分子、第三个光镣操控单个微粒，探讨它们间的相互作用：也可以独立操控三个微粒，探讨它们的相互作用。三个光镣可以同时操作，也可以相对操作，它们的相互协作能够实现各种困难的操作组合，足以满意实际应用中的不同需求。（在设计上也为今后扩展为具备更多个光镀的系统作了考虑。）VZPHe我们研制的纳米光镣装置运用了波长632.8nm的IIeNe激光和波长为81Onm的半导体激光二种不同波长的激光源。HeNe激光形成的光镣主要用于定量测量,通常是固定不动的。其光路已在前小节探讨，这里不再赘述。另二个光摄由同一个半导体激光器输出的激光经偏振分束后的双光束分别形成。激光束先经过个可连续旋转的810nm的半波片，以调整光束中两个相互垂直的线偏振揖量的相对强弱，即可通过旋转该半波片变更分束后双光束的功率比。然后激光束被偏振分束棱优（PBSD分成水平偏振和垂直偏振两束线偏振激光。这两个光束经过各自的光路，在其次个偏振分束棱镜（PBS2）处汇合为束光。将其次块偏振分束梭镀用作光束的合成器的好处是，可以将这两束偏振方向相瓦垂直的线偏振激光几乎无能量损失（除了在一些界面上的反射损失）的汇合进一个光路之中。然后双光束在二向色镜处与HeNC激光束汇合。二向色镜反射81Onm的激光，透射632.8nm的激光。上述三束激光一起经过协助透镜T后，变换为平行光束进入物镜。的后瞳，由同一物镜分别形成三个光镣。每个光镀都可以实现对微米尺度粒子的捕获与操纵.3.4 三维操控光镇最基本的操控是对被捕获微粒的定位和沿肯定轨迹以肯定速度的拖动，事实上就是对光锻阱位的操控。作为光镣操控系统的设计，首先要解决的问题就是依据实际应用的须要，选择合适的操控方式和驱动方法，实现对光银阱位的敬捷限制。对于我们研制的多光镣装置，还要考虑各光钳操控的独立性和相互协作的问题，即实现它们相对盛个装置的运动和它们之间的相对运动，以便完成各种困难的操作动作。操控方式和动方法通常有二种不同的操控方式来实现粒子与四周环埴之间的相