• 光學鑷子

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    光學鑷子

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    光學鑷子(Optical鑷子)是可以通過使用聚焦激光在其焦點附近捕獲并移動微小物體(主要是包含細胞等的透明介電材料)的設備。技術。捕獲力是由折射率的差異引起的,通常約為皮尼頓。近年來,這項技術取得了成功,特別是在生物微加工研究方面。

    歷史與發展

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    通過光學方法的微對象的操作理論是貝爾實驗室阿瑟·阿什金最初是在20世紀70年代由報道。幾年后,Ashkin已經進行最初的實驗中被成功三維地拍攝通過光照射所述微粒的顯微鏡

    光學鑷子

    1986年史蒂芬楚激光冷卻在紙張光鑷提到(1997年,儲通過冷卻研究在激光物理學諾貝爾獎被授予)。在一次采訪中,Chu將Ashkin描述為“原子捕獲和光學鑷子的先驅”。阿什金(Ashkin)使捕獲直徑為10-10,000 nm的細顆粒成為可能,但Chu對此進行了進一步開發,使捕獲直徑為0.1 nm的顆粒成為可能。

    在1980年代,Ashkin等人率先通過操縱煙草花葉病毒大腸桿菌將光鑷應用于生物學。在1990年代,Carlos Basmante,James Spditch,Steven Brock等人進入了這一領域,為光鑷,激光光譜學分子細胞生物學的發展做出了貢獻。

    在此過程中,進行了突破性的發現,例如發現分子馬達并且生物物理等領域得到了巨大發展。

    2003年,使用光鑷成功地對齊了細胞。這利用了每個單元的光學特性。2004年,科羅拉多礦業學院英文通過,到目前為止DLBT旨在小型化和光鑷降低成本是昂貴和復雜的(二極管激光吧俘獲)已經發展。如今,光鑷用于細胞骨架操縱,生物聚合物粘彈性測量,細胞操縱等。

    2018年,Ashkin通過與光學鑷子的發明成果獲得諾貝爾物理學獎

    物理解釋

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    通過使用強聚焦激光束,光鑷可以將納米級的介電微粒移動。在許多情況下,使用顯微鏡物鏡收集激光(通常使用照明熒光顯微鏡作為光學鑷子裝置的底座)。在聚集的光的焦點附近會出現強電場梯度。此時,介電微粒被吸引到電場的xxx部分。除此之外,力還作用在激光束的傳播方向上。

    光學鑷子具有極其精確的結構。可以處理的微粒約為納米到微米,可以在一個單元中處理諸如DNA蛋白質酶之類的大分子。

    待處理的細顆粒并不總是被捕獲在中心。這是因為,實際上,微粒的形狀是不規則的,或者介電常數存在偏差。

    被捕獲的微粒的行為的解釋很大程度上取決于被捕獲的顆粒的粒徑。當粒徑大于所用激光束的波長時,簡單的光學(幾何)光處理就足夠了。相反,如果粒子與波長相比較小,則必須將粒子作為電磁場中的小偶極子來處理。

    光電解釋

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    當被捕獲的微粒的直徑足夠大于波長時,可以通過光學器件來解釋捕獲現象。如圖所示,來自激光器的各個光線在進入和離開介電球體時會發生折射。結果,光束以與入射方向不同的方向發射。由于光具有動量,所以當行進方向改變時,動量也會改變。根據作用/反作用定律,細顆粒中的動量變化具有相同的xxx值和相反的方向。

    在許多情況下,高斯光束(TEM00模式)的激光被用作光源。此時,如果細粒位于如圖(a)所示偏離光軸中心的位置,則合力沿將細粒吸引到光軸中心的方向起作用。這是因為在高斯光束的中心處的強光束(圖1(a)中的光束2)在偏離中心軸的方向上折射,并且使細顆粒的動量變化小。該動量變化大于由高斯光束的周圍的光線(圖1(a)中的光線1)給出的動量向外變化。如圖(b)所示,如果微粒在光軸上,則各光線相對于光軸呈圓形對稱地折射,因此在垂直于光軸的方向上沒有力作用。在這種情況下,由折射引起的力沿光軸方向起作用并與散射平衡。由于與散射力的平衡,微粒的穩定捕獲位置位于光束焦點的稍下游。

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    詞條目錄
    1. 光學鑷子
    2. 歷史與發展
    3. 物理解釋
    4. 光電解釋

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