2018 年 10 月 2 日,诺贝尔物理学奖揭晓，亚瑟·阿斯金、杰哈·莫罗和唐娜·斯特里克兰共同获奖，以表彰他们“在激光物理领域的突破性发明”。其中阿什金发明的“光镊”是光的力学效应的典型实例，阿什金也被称作是光镊之父。

现代光学显微技术发展迅速，超分辨光学显微成像技术分辨率已达到了纳米级别，为生物医学等领域的发展提供了强有力的工具。但是对于微观尺度的研究来说，除了“看得清”，还需要“摸得着”，而光镊就是那只“摸得着”微观粒子的“手”。

光学镊子的发明可以追溯到 20 世纪，其中，Ernst Abbe 和 Carl Zeiss 对光学镜头和显微镜技术的发展做出了重要贡献。在 19 世纪末 20 世纪初，德国科学家 Ernst Abbe 和蔡司公司（Carl Zeiss）的合作推动了显微镜技术的进步。Abbe 是一位物理学家和光学工程师，他的研究和理论为显微镜的光学设计奠定了基础。随着时间的推移，光学技术和显微镜的改进持续进行，逐渐发展出了更加先进和高精度的光学镜头系统，这些技术的进步都为后来光学镊子的发展提供了基础。

光镊的概念

光学镊子是一种利用光学原理和技术来实现的一种高精度操作工具。它类似于普通的镊子，但使用光学方法来放大、观察和操作微小的物体，尤其是微电子元件、生物样本和其他微观尺度的物体。

光镊的根本原理是基于光的特性之一辐射力基础上的，即光有动量，当光经过物体的折射反射或者吸收等动量发射变化，物体的动量也会发生相应改变（动量守恒）。为了实现稳定的捕获，实验中一般使用一个高数值孔径的物镜实现微小物体的三维捕获。

光学镊子通常由以下组件组成：

1、显微镜系统：光学镊子通常配备显微镜，用于放大目标物体，以便操作者可以更清楚地观察和操作微小的细节。

2、光源：为了照明目标物体，光学镊子通常配备一个光源，确保目标物体在显微镜下得到充分的照明。

3、操作装置：光学镊子可能配备一些微动操作装置，如微调焦点、调整放大倍率、调整镜头角度等，以便更好地操作和观察目标物体。

4、图像记录设备（可选）：有些光学镊子还可以配备图像记录设备，例如数码摄像头或摄像设备，允许操作者记录和保存操作过程或捕捉微小物体的图像。

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光镊的特点

光学镊子是一种利用光学原理和技术的高精度操作工具，它具有许多特点，使得它在各种领域有广泛的应用。以下是光学镊子的一些主要特点：

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光镊在生物领域的应用价值

光学镊子在微电子制造、生物学研究、珠宝加工、精密装配等领域都有广泛的应用。由于它能提供高度放大的视野和精确的操作能力，光学镊子对于处理微小物体或进行高精度的操作任务非常有用，它为生物学家提供了一只“微观手”去操控生物体，像光学显微镜技术一样具有低侵入性，另外，光镊可获得的长度、时间和力学尺度在生物学上从单细胞到单分子水平是具有相关性的。近年来，光学镊子在生物领域的应用也越来越广泛。

1.大分子或单细胞的力学特性研究

1987 年，Ashkin 发表了光镊在生物学中应用的第一篇文章—操控单个病毒和活细菌 (Ashkin and Dziedzic 1987)。通过选择合适的激光功率和波长，使生物样品的光毒性最小化，以捕获和操控单个活细胞 (Ashkin, Dziedzic et al. 1987)

90 年代初期，光镊的使用已扩展到单个生物分子水平。在这些单分子研究中，感兴趣的生物分子本身并不是直接被捕获的，而是被光学捕获的微球所操纵，这些微球起着手柄和力传感器的作用。这种单分子研究的很大一部分包括对单个驱动蛋白活动的研究 (Svoboda,Schmidt et al. 1993；Yin,Wang et al. 1995)。这些蛋白移动产生的力和运动可以通过光镊进行研究和控制，用以揭示它们的动力学和能量学特征。

2.DNA 与蛋白质分子的相互作用

许多 DNA 与蛋白之间的相互作用影响 DNA 的结构，从而影响 DNA 分子的长度（力学依赖性）。利用光镊，这些长度变化可以通过测量微球的位移来观察。例如 DNA- 结合蛋白以及 DNA 和 RNA 聚合酶活性的研究。(Davenport,Wuite et al. 2000；Dame,Noom et al. 2006；Neupane,Foster et al. 2016)

A. 过渡态路径（transition paths）代表蛋白质折叠过程中跨越能量障碍的短暂过程 ( 红线 )；与之形成对比的是大部分时间在势阱中波动的过程 ( 灰色线 )

B. DNA 发夹连接在两段“手链”结构上，分别附着在光捕获的两个微球上

C. 恒力状态下，发夹结构在折叠和去折叠状态间维持着动态变化

D.过渡路径（红线）：在 U（unfolding）和 F(folding) 之间移动的轨迹

3.光镊在生物领域中的先进技术

光镊通常采用高度聚焦的高斯光束进行对象捕获，多个对象就需要多个独立可控的激光器配合使用。将光学系统和多粒子捕获的设备相结合叫做全息光镊。目前，全息光镊可以实现动态光学操控。

生物系统的研究要求光镊实现动态控制，这可以通过快速扫描设备（声光偏转装置，扫描振镜），空间光调制器（数字微镜）来实现，通过提高扫描速度可以分时产生多个光学势阱。

在生物领域，先进的光镊技术有：拉曼镊，将拉曼光谱与光镊结合用来诊断和捕获单细胞。另外一种方式，是将拉曼光谱仪与外部光镊相结合，实现单一功能细胞的共振拉曼光谱分析。优势：两束激光分别用于捕获和拉曼光谱成像，互不干涉。可以应用于癌细胞，微生物和细胞器的分析。

光镊 - 荧光共振能量转移光谱技术，用于研究机械环境如何影响细胞功能。工作原理：光镊刺激细胞产生粘附力，然后采用荧光共振能量转移光谱测量力传导。

表面增强拉曼光谱技术，采用光镊移动单个银纳米粒子到一个固定纳米粒子上，形成一个表面增强拉曼光谱活性银二聚体。优点：光谱信号强度可以提高约 20 倍。

光镊技术的产业发展

光镊技术专利主要分布在美、日、欧等地区，领先的企业专利权人为美国的 Arryx、Arcturus，德国的 PAML Microlaser、莱卡公司。光镊领域发展了 20 年左右，专利总数量不大。

光镊系统存在价格昂贵，功能固定、不便改进等问题。国外公司推出的产品价格一般在 20 万美元左右。一般实验室自行搭建简单的单光束光镊，但大多存在着系统设计冗余、光路松散、占用空间大和系统稳定性差的缺点。

光镊产品主要面向的是大学和研究所中从事理论基础和应用基础研究的研究人员。除了光学或物理方向的研究人员可以自行搭建，还有更多的从事生物、化学和材料等方向的研究人员对光镊系统并不了解。

产品的改进已经提上日程，一些研究小组正在努力降低光镊的成本，提升性能。例如加州大学伯克利分校 Ming Wu 领导的研究小组就开发了用光电子元件而非激光器作为光源的光电镊系统。

西安光机所姚保利研究小组研制了激光光镊系统，2017 年升级为紧凑的全息光镊系统，大小约为 45cm*45cm*40cm。模块化的设计使得系统稳定性高，兼容性好，可以很好地与荧光显微成像等技术结合。

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结语

光镊是一项非常伟大的发明，为人们研究微纳物体提供了前所未有的便利，推动了生物、纳米科技，光子学以及量子物理等众多学科的发展，因此阿什金获得诺奖也是实至名归。可以预见，光力必将给我们带来更多的惊喜，在越来越广泛的领域给我们带来巨大的价值。

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