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图片来源：JPK撰稿
石头
导读
光学力源于光与物体相互作用时产生的动量交换，可用于非接触操作微纳尺度的颗粒和生物材料。其物理机制包括梯度力和辐射压力。梯度力是物体在不均匀电场中发生极化，将物体吸引到电场最强的位置。辐射压力是由散射引起，光子携带动量，沿着光的传播方向推动路径上的物体。当梯度力与辐射压力平衡时，就可实现稳定的光学捕获（opticaltrapping）。
光镊技术已经成为在生物领域最强有力的工具之一。主要是采用高度聚焦的激光来引导，操控微米甚至纳米尺度的目标对象。光镊技术可以达到细胞内部，对其液体含量和结构进行力学特性的研究。由于实验是在没有物理接触的情况下进行，所以避免了组织损伤的情况发生。从操作荧光纳米尺度物质到染色体，细胞和细菌等一类病原体，光镊技术在生物系统领域有极佳的应用潜力。
本篇综述主要介绍了光镊技术在分子到组织范围的应用，如何解决生物学面临的问题和先进的光镊技术。
研究背景
分子，细胞和生物组织对光有一定的吸收能力，这会引起局域或潜在的热伤害。一个可行的解决方案是确定这些生物组织的最小吸收波长，也就是所谓的透明窗口。通过研究表明，波长在-nm区间的近红外波对生物组织伤害最小，成为光镊技术的首选光源。
对于捕获较大的目标（超过10μm），有两个方法：1.采用反射阱。2.采用结构光。
光镊技术目前被广泛应用在生物学，用来探测，操纵和定位生物系统，或者测量微纳尺度细胞的机械性能。尺寸一般在nm-10μm。
例如：这种光学力的数量级多在皮牛以下，可以有效操控细菌，精子或微藻；它可以控制血液细胞在体内的流动速度，可以弯曲或拉伸RNA,DNA或一些有机大分子；也可以测量复杂表面和膜壁结构的弹性和粘滞性。优势在于非接触模式避免了伤害和污染，力的精准施加和检测。
近年来，纳米光学和等离激元学的研究促进了光学力和光镊技术的发展。金属纳米结构支持表面共振并且将光控制到纳米级别，利用等离激元纳米结构，光可以超越衍射极限并且通过提高光阱深度来提高自身的约束力。这为在纳米尺度下实现光学捕获提供新的思路。
全文内容
01光如何操纵目标物体
光镊技术的操控原理：通过激光汇聚形成光学势阱，可以在焦点附近产生强度梯度。根据对象与周围介质的折射率差异实现对其排斥和吸引。
如图1A所示，单独一束激光的光学势阱捕获取决于入射光波长与对象尺寸之间的关系，对象的折射率和周围介质的一些特性。对于粒子尺寸远大于激光波长时，光学梯度力可以根据几何光学模型计算，也是分析折射率与动量守恒之间的关系。对于粒子尺寸远小于激光波长时，粒子被视为不均匀电磁场中的点偶极子，根据瑞利散射机制进行分析。当粒子尺寸在0.1-10λ范围内时，一般采用中间机制。
之前介绍过，粒子在光阱中会同时受到梯度力和辐射压力作用，平衡二者关系可实现对粒子的操控。如果想将粒子吸引过来，就需要梯度力大于辐射压力。这可以通过高数值孔径的物镜实现，它可以高度聚焦激光束形成衍射场，增强场强梯度，由于梯度力正比于场强梯度，所以可以产生几百皮牛的力。
光同样可以携带角动量。
如图1B所示：一个双折射物体有可能将圆偏振光转换成线偏振或者椭圆偏振，根据系统的总动量守恒定律，这也会使物体产生扭矩。因此，粒子在圆偏振光入射下会以恒定角速度旋转，角速度受激光与周围介质粘性阻力所影响。运用该技术，可以在微观尺度上确定生物液体的粘性阻力。
图1C展示了光镊技术的基本设备：一般激光是线性偏振，为了使捕获对象具有角动量，会增加一个四分之一玻片将线偏振转换成圆偏振。高数值孔径的显微物镜可以提高激光的聚焦能力。
图1光操控高折射率透明粒子
02光学力的测量方法
微粒在光阱中受到的光阱力与目标大小有关，分为几何光学模型（尺寸大于波长）和电磁模型（所有尺寸）。
几何模型研究光束发散特性对光学捕获的影响，结合高斯光束标量理论计算激光束对粒子的捕获力。
电磁模型分析光学力有三个方面：1.描述激光束的电磁场。2.微粒对电磁场的散射求解。3.电磁场对粒子的辐射压力计算。
其中，对于辐射压力计算，一般采用远场麦克斯韦应力张量法和近场极近似法。对于球形粒子，可以采用广义洛伦兹力散射理论，角谱理论和T矩阵分析法计算光学力，也可以采用时域有限差分对各种形状的目标粒子进行数值分析。
在生物组织中，光镊操纵的对象多部分存在液体介质中，根据液体的粘滞阻力和布朗力可以测量光阱力和光阱参数。图2描述的是光学捕获粒子的布朗运动，利用两束正交偏振相向传播的光束形成光阱将3μm小球捕获，结合快速位置探测器均等分开两束探测光的信号，来获取小球位置信息。
图2被光学捕获粒子的布朗运动
光学力可以由粒子的光发射和光学势阱的校准计算，但是由于目标大小的差异很难实现，通过快速成像和局域探针测量可以解决这类问题。在进行势阱校准之前，要测量一些物理参数，包括粒子的速度，粘度光阱的刚度等。
逃逸力估计法可以实现不用对势阱校准进行细菌鞭毛的力矩测量，在微生物学当中有广泛应用。
光具有线性动量和角动量。
简单理解，线性动量使目标发生位移，角动量使目标发生旋转，但是要满足该力矩大于大于物体受到的其他阻力矩。角动量分为轨道角动量和自旋角动量，轨道角动量空间介质有关，自旋角动量与光束偏振态有关。
例如，将激光照射在几微米厚的碳酸钙晶体上，可以实现粒子悬挂于空中。由于该晶体的双折射特性，光束的自旋角动量发生变换，根据动量守恒原理，晶体获得光束角动量改变而产生的扭转。扭转力矩根据入射光的角频率以及偏振度；粒子光轴与空间轴夹角计算。该原理可应用在研究石斑鱼前庭刺激，将在后文介绍。
03光学捕获在生物学的应用
相比以往对生物材料的物理化学研究都是成批量进行，通过取平均值的方法得到个体数据。光镊技术的出现可以让我们正确理解力对活细胞的影响，实现单个分子的精准测量。
3.1单分子操纵对于纳米尺度分子水平，光镊技术在分子马达和胞内运输方面取得重要进展。分子马达由生物大分子构成，是将化学能转换成机械能的纳米系统，负责DNA复制，RNA转录和蛋白质的合成。可以驱动细胞分裂，诱导细胞运动和胞内运输等。
为了获得分子高的空间时间分辨率，可以在其附着微小粒子，当分子马达工作时，采用光镊技术对其进行观察，操纵和力的测量。
对于旋转马达，光镊技术可以间接操控细菌鞭毛并且对鞭毛的弹性特性，几何结构和刚度进行分析。另一种分子马达，线性马达由肌球蛋白和驱动蛋白等组成，沿一条线型轨道反方向运动，将化学能转换为机械能。光镊技术可以通过力测量研究线性轨道长度，刚性和驱动蛋白的结合机制。而且和双光束干涉结合可以研究驱动蛋白运动时的位移和力变化，具有极高的灵敏度，使人对胞内运输情况有更深入的了解。
光镊技术也可用于研究马达包装的DNA旋转和位移情况，由于光镊可以操控驱动部分，所以在封装前可以获得DNA的旋转信息。在另一项研究中，DNA链被附着在微小粒子上，通过光镊拉伸可以揭示DNA弹性，转录包装时力的大小以及螺旋形状的变化，在纳米机器人和人工DNA设计上有很大应用价值。
3.2单细胞操纵囊泡是一种脂质双分子层膜，含有多种载体，普遍存在各类细胞中。细胞膜是一个复杂的系统，因为它起到调节信号，信息转运和物质交换多个功能。囊泡提供一个简易版的细胞膜，通过光镊技术可以对囊泡膜的力学进行建模和测量，结果表明：囊泡膜的力变化情况和流通性能对温度有很高的依赖。
在单细胞操纵方面，光镊技术主要是在流动的环境下对细胞实现限制和定位。
细胞分选：最早是通过两束弱聚焦反向激光束叠加形成一个光学势阱，根据细胞的尺度，折射率差异，光场分布和溶液折射率等因素进行细胞分离，相比传统标记式分离，这种无接触式方法可以保证细胞的原始状态。
光镊技术可以测量大肠杆菌，精子，寄生虫和海藻游动时，推力和力矩的改变。推力可以根据微生物在光学势阱位置分布计算。因为推力与激光最小功率呈正比关系，也可根据保持微生物在光学势阱中，所需入射激光最小功率计算。
活细胞的机械形变对机体的正常运作有很重要的影响，例如，血红细胞需要改变自身形状以适应不同尺寸的毛细血管。通过光镊技术可以实现：在血红细胞表面附着两个纳米尺度硅球，用两个光学势阱控制两个硅球向相反方向运动，实验测得可以产生pN的光学力，通过数学建模可以获得细胞膜的弹性特性及变形特征。通过测量红细胞的变形模量，也可以筛选出最适合储存的血红细胞，为输血做准备。
3.3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。
04捕获限制
4.1光的散射光镊应用于生物组织有两大困难：1.生物组织对光的吸收。2.光在不同组织界面处，由于折射率差异发生散射。
图3A所示，空间光透过生物组织会发生扭曲，形成随机散斑。但是在浅层组织区域和透明区域，光学捕获还是可以实现的。
图3组织结构中的散射
目前，一种基于光学捕获的微流变学可以实现μm以下的体内细胞物理特性测量。通过一种特定的弹性矩阵可以确定癌细胞的早期特征和发展情况。
4.2克服高散射介质实现光学捕获精准预测光在复杂介质中的散射是光准确达到目标的必要条件，但是，分子，细胞器等结构复杂，相互作用也千变万化，所以，生物组织的散射特性建模是一个很热的研究领域。如图3B所示，选择要操纵的细胞器，采用空间光调制器对激光进行波前调制。
全息光镊可以克服这一问题，通过空间光调制器给入射光加载特定的相位分布，使入射光经过傅里叶变换后形成期望的光场分布。为了提高光能利用率与光学捕获效率，通常采用迭代算法来寻求一个优化的相位全息图，Gerchberg-Saxton算法为计算再现产生光阱阵列最常用的相位全息图算法，主要基于全息平面与再现平面之间的傅里叶关系，在遗传和神经科学方面广泛应用。
原位波前矫正光学捕获技术也可实现透过高度浑浊的介质。
工作原理：采用空间光调制器优化入射光束的模式相位，从而在势阱位置形成有效的干涉。这种方法对样品像差和光学系统都有很好的矫正作用。
还有一种波前矫正是在组织内进行，根据组织深处形成的焦斑，通过反馈回路，快速检测器和调制器可对动态聚焦的光束进行修正，在深度组织成像中有很大应用潜力。
4.3复杂生物体结构的光学捕获作者用光镊给静止的斑马鱼耳石施加压力来模拟前庭刺激，观察斑马鱼的行为变化。耳石，是一种在受精后6天形成的55微米碳酸钙晶体，图4A所示。前庭行为用于检测运动和重力之间关系，关系个体生存。
实验结果表明，如图4B所示，光镊对斑马鱼耳石的内测施加力时，会导致尾巴向外侧摆动；向耳石外侧施加力时，会导致尾巴向内侧摆动。而且力的大小与摆动幅度有关。
为了更好理解神经系统如何处理前庭运动信息的，采用光镊对脑活动进行成像，获取神经元强度在大脑中分布，如图4C所示。通过模拟加速度振幅和方向，来获取由感知引起的大脑活动信息。
图4用光镊技术操控斑马鱼内耳总结
综述所述，通过光学捕获和精准操纵可以实现对分子间相互作用和组织器官功能的深入分析。利用光镊的非接触模式，测量分子细胞的力和力矩，并结合光线改变，有望实现在体组织，器官的研究。该论文题目是Opticaltrappinginvivo:theory,practice,andapplications，发表在Nanophotonics。
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