細胞、DNA可以「夾起來」嗎？有了光鑷就能辦到！

作者|何卓銘，中國激光雜誌社，《光學學報》責任編輯

菜可以用筷子夾起，頭髮也可以用鑷子夾起，那麼細胞或者DNA可以「夾起來」嗎？

答案是可以，用光鑷就能做到！

光鑷是用高度會聚的激光束形成的三維勢阱來俘獲、操縱和控制微小顆粒的一項技術。

光鑷無需接觸物體，就可以對細胞進行精確的操作。還可以選用適當波長的激光，對細胞產生很小的損傷。因此在生命科學研究中，幾乎所有的單細胞操作都採用光鑷的方式來進行。

在光與物質相互作用過程中，既有光子能量的傳遞，也伴隨著光子動量和角動量的轉移。光鑷正是利用了光子與物質交換能量時發生的力學效應——光輻射力。正如前面提到，光鑷是對物體進行捕獲和固定，如果只是往光傳播方向推的話，那不叫光鑷，那叫光「踹」。

1970年，美國科學家Ashkin就率先做了這件事情，他利用兩束相向傳播的聚焦激光束成功地束縛住了在水裡的電介質微粒。

十幾年後（1986年），Ashkin及其合作者又利用單束強聚焦的激光實現了對水中電介質微粒的穩定捕獲，這標誌著光鑷的正式誕生。

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光鑷何以如此厲害？

前面提到，光鑷利用的是光輻射力，其實光輻射力分為二種：一種是推動目標沿光傳播方向的散射力（這就是光「踹」）；另一種是往光強密度高方向拉動目標的梯度力。

這「梯度力」又是什麼意思？

梯度力就是激光聚焦後形成光阱，當微粒涉足這個禁區就會被迅速地拉向光阱正中心的作用力。如果把它近似成引力場的話，就如同小球在漏斗中，快速墜落至中心最低處一樣。

只有當梯度力大於散射力時，才能形成光阱，否則顆粒就被光「踹」走了。

早期的光鑷只能產生一個光阱，即只能控制一個顆粒，而且操控能力也非常有限。隨著科學技術的發展，從單光阱捕獲向著多光阱捕獲，這是光鑷技術發展的必然趨勢。

首先，我們想到利用多個激光器輸出的光束耦合到同一個聚焦物鏡，這樣產生多光阱的方法最直接，但缺點也很明顯，產生光阱數目有限，而且裝置比較複雜。

於是我們又用多光束干涉技術和時分復用技術來提高光阱數量。目的達到了，但目標卻又更換了，這樣不能實現實時動態操縱。

現在，我們再通過光束偏轉器（如聲光調製器、機械式掃描振鏡等器件）來掃描入射光束，從而產生時間上的「多光阱」，也算初步實現了目標，雖然只能靜態捕獲多個微粒或者是動態操縱少數幾個微粒。

終於，通過空間光調製器（SLM）調製光束相位來產生特定目標光場的全息光鑷，實現了實時、動態、三維空間獨立控制多微粒等技術，甚至包括微粒旋轉、分選和輸運等功能！

另外，其他諸如特殊模式光束，特別是具有渦旋相位的拉蓋爾-高斯光束和具有無衍射和自彎曲特性的艾里光束，在光學微操縱中的應用也日益廣泛與深入。矢量光場，特別是柱矢量光束，近年來在光學微操縱中的應用也取得了大量成果。

相信隨著光鑷技術的進一步發展，將會為納米光電子學、納米生物學和醫藥學的研究和發展帶來深遠的影響。

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