【材制 | 视角】让光成为奇迹的工具—光学镊子

初原载于 爱学习的 青春材制

2023-05-19

未经授权禁止转载 

让光成为奇迹的工具

光学镊子

01  什么是光学镊子

　　在日常生活中，镊子是用于夹取块状药品、金属颗粒、毛发、细刺及其他细小东西的取用的一种工具；相同地，光学镊子也是可以通过使用聚焦激光在其焦点附近捕获并移动微小物体的设备。从“细”，到“微”，象征的正是我们能精细操纵的事物从宏观到微观的一个巨大进步。

　　光学镊子的实现关键在于激光。激光的出现提供了普通光源无法提供的辐射压力，使光的辐射压力得到充分体现。建立在光辐射压原理上，光学镊子利用激光与物质间进行动量传递时产生力学效应形成的一种三维光学势阱亦称单光束粒子阱。当一束激光作用于透明粒子时，如果粒子的折射率大于周围介质的折射率，梯度力会把粒子推向光场的最强处(轴心)，从而实现对目标物的捕获。

　　简单来说，若是粒子处于轴心之外的地方，由于光场（类似与电场）而产生的梯度力，其所受的合力就会把它向轴心方向“拽”，从而实现抓捕。

02  光学镊子在生物学上的应用

　　如其发明者兼2018年诺贝尔物理学奖获得者Arthur Ashkin所说，光镊“将细胞从它们的正常位置移去的能力，为我们打开了精确研究其功能的大门”。光学镊子的出现对生物学研究产生了重大的影响，传统微生物筛选方法的主要思路为先培养后筛选，而新的微生物筛选技术方法的思路主要为先筛选后培养，可以有效规避传统方法的劣势。比如光学镊子结合拉曼光谱的细胞分选技术，拉曼光谱则是1928年被印度物理学家Raman所发现，它蕴含着细胞在特定生理状态下丰富的生化信息，如核酸、蛋白质、脂质等，可作为“化学指纹”用于描述细胞的分子组成、生理状态和生态功能。其与光学镊子相结合则可实现无标记检测、区分及分选单细胞。

03  未来的奇迹

　　诚然，在实际应用中光学镊子会遇见各种各样的问题，比如捕获的物体暴露在高光强度区域即轴心处进而不可避免地引起热效应和光毒性特别是对活细胞等光敏性目标。但是，我们可以展望，在未来利用它可以从受感染的细胞中分类健康细胞，可以识别可能是癌症的细胞，为癌症患者们带去福音；也可以利用它可以高精度测量材料的距离，生产一根头发直径的千分之一的芯片，制造类似《三体》中智子的微型机器人。其实上述实验如今已经有科学家在尝试了，毕竟光学镊子已经是一个奇迹了，而作为工具的它理应为我们创造更多的奇迹！

参考文献：

[1]长光所Light中心 中国光学《传送门：纳米光镊隔空取物》

[2]荣楠，李备，唐昊冶，林先贵，冯有智，《微生物菌种筛选技术方法研究进展》

[3]部分图片来自网络

来源：材料与制造学部科技协会

编辑：新媒体编辑部    张哲华

总编：一一一一一一    李晓萌

审核：一一一一一一    白   洁

投稿请发送至：fmmsat@163.com