生命科学研究中的光镊技术

　　1 前言

　　生命科学与人类的生存和发展有着最直接的关系，历来受到人们的特别关注。20世纪，生命科技有了重大的发展，研究日益向微观层次深入，从细胞、细胞器直到生物大分子，这与各种新仪器的发明紧密相关。在生物大分子个体行为研究的基础上，又需要从它们间的联系和相互作用去更深入的理解生物微粒群体的行为，实现从研究单个基因和蛋白质的分子生物学向系统生物学转变。从方法学的角度，生命科学的实验研究正在从现驱动向假设驱动过渡。为验证假设，就必须设计新的实验方法，发明新的实验仪器。由于生物对象的复杂性和对活的生命过程研究的需求，对生命科学仪器提出了越来越高的要求。光镊(Optical tweezer)技术正是在这样的背景下应运而生的。

　　光是一种特殊的物质，它与人类生活的关系非常密切，伴随着人类文明的发展，人们对光的认识也越来越深入。光携带有能量和动量,光与物质相互作用时彼此交换能量和动量，产生各种效应。人们由日常的经验很容易认识到光携带有能量，光与物质相互作用使物体的温度升高, 称之为光的热学效应，比如最重要的天然光源太阳，它的辐射带给地球热能;通过光合作用太阳光给农作物生长提供能量来源等。但是与光的能量相比，光具有动量和角动量这一性质，却超越了人们的日常经验。实际上，光与物质相互作用的过程中，光与物质间可以交换动量，使受光照射的物体受到一个力或力矩，也即产生光的力学效应。

　　由于通常光源发出的光产生的力学效应太微弱，这一效应在激光发明之后才引起人们的关注，并取得了突破性进展。在光与微观粒子相互作用中，光被用来使原子偏转，减速和冷却。朱棣文等人正是由于在这方面的成就而荣获1997年度诺贝尔物理奖。与此同时，激光对于宏观微粒的辐射压力或力学效应的研究也引起了人们的关注。早在1969年，A. Ashkin首次实现了激光驱动微米粒子的实验。此后他又发现微粒会在横向被吸入光束(微粒折射率大于周围介质)，并利用相对传播的二束激光实现了双光束光阱。他在这方面的系列研究最终导致光镊的发明^[1] 。

　　光镊的发明是光的力学效应走向实际应用的一个重要进展，它捕获和操控微小粒子的功能，使它成为深入研究微小宏观粒子的特有手段，特别是在生命科学领域。光镊诞生不久，光镊发明人A. Ashkin就曾预言“将细胞器从它的正常位置移去的能力为我们打开了精确研究细胞功能的大门”。近20年的发展，已远远超越了A. Ashkin当初的预言。光镊用于操控和研究单个细胞，细胞器和生物大分子的行为，在一些生命科学的基本问题上，取得了开创性的成果，展现了广阔的应用前景[2]。光镊技术已经成为微观生物学研究的重要手段。