《光鑷技術(shù)》
九旬美國(guó)物理學(xué)家阿瑟·阿什金因?yàn)榘l(fā)明“光鑷技術(shù)”,獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。很多科研界人士甚至壓根沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)“光鑷”這種技術(shù)。“光鑷”雖然內(nèi)涵深?yuàn)W,但其實(shí)稍加簡(jiǎn)介就能讓普通人建立概念。今天,我們就先試著讓大家了解一下這個(gè)能夠以光的力量來(lái)操縱細(xì)胞的諾貝爾獎(jiǎng)成就。
“光鑷”誕生的發(fā)想——光之力
伴隨著上世紀(jì)60年代以來(lái)激光束流相關(guān)的產(chǎn)生、控制技術(shù)的進(jìn)展,利用光來(lái)操作微小物體的“光鑷”隨之登上了歷史舞臺(tái)。阿瑟·阿什金教授曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室和朗訊科技公司任職,他很早就開(kāi)始進(jìn)行光操控微粒的研究工作,并最終于1986年公開(kāi)了他的第一代“光鑷”。
大家都知道光可以協(xié)助動(dòng)物產(chǎn)生視覺(jué),可以為植物提供能量來(lái)源,可以加熱物體,但是對(duì)“光的力學(xué)領(lǐng)域”可能并不熟悉。實(shí)際上,光鑷正是利用了“光的力”(也譯為光壓、輻射壓等等),并誕生了舉世矚目的成果。
什么是“光的力”?
中學(xué)物理中,我們已經(jīng)了解了光同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì),所謂波粒二象性。與人體被飛來(lái)的棒球擊中后產(chǎn)生沖擊一樣,光的粒子即光子在接觸物體后,同樣會(huì)對(duì)該物體施加力的作用。
你可能會(huì)感到奇怪,既然如此,我們?yōu)槭裁礇](méi)有被強(qiáng)烈的日光或者探照燈擊倒在地呢?
這是因?yàn)?,光的壓力大概僅僅在10億分之一到100億分之一N這個(gè)數(shù)量級(jí),所以說(shuō)能用肉身感受到光壓的人顯然是不存在的。
然而,越是微小的物體,就越容易被微小的力所撼動(dòng)。例如,紅血球、細(xì)菌一類人體細(xì)胞或者微生物等等都對(duì)光壓非常敏感。來(lái)自光的微小壓力可以讓微小的物體在不受到積壓破壞的前提下進(jìn)行移動(dòng)。
光鑷是如何讓光操控微粒成為可能的
具體來(lái)說(shuō),光鑷系統(tǒng)一般由照明光路和控制光路構(gòu)成。
照明光路負(fù)責(zé)采集成像所需的信號(hào),而控制光路用來(lái)控制和限制微小物體的運(yùn)動(dòng)??刂乒饴返暮诵氖菂R聚性能特別好的激光束發(fā)射系統(tǒng)。
激光的特性之一就是可以被匯聚到一個(gè)十分微小的光斑上,這是普通光源所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)于所要操控的微小物體來(lái)說(shuō),這種激光束匯聚形成的強(qiáng)聚焦光斑會(huì)形成一個(gè)類似“陷阱”的機(jī)構(gòu)(稱為三維光學(xué)勢(shì)阱),微粒將會(huì)被束縛在其中。
一旦微粒偏離這個(gè)“陷阱”中的能量最低點(diǎn)(即位置的穩(wěn)定點(diǎn)),就會(huì)受到指向穩(wěn)定點(diǎn)的恢復(fù)力作用,好像掉進(jìn)了一個(gè)無(wú)法擺脫的“陷阱”一般。如果移動(dòng)聚焦光斑,微粒也會(huì)隨之移動(dòng),因此便能實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲和操控。
光鑷技術(shù)早已大顯神通
光鑷技術(shù)在生物學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用,例如將不同細(xì)胞擠壓在一起,或者向細(xì)胞中注入微量物質(zhì)或者微小物體一類場(chǎng)合,都是光鑷大顯身手的時(shí)機(jī)。
又比如,在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域,經(jīng)常會(huì)有區(qū)分水中數(shù)種微小物體的需求,利用光鑷可以將各種物質(zhì)在無(wú)損條件下容易地分離,給之后的精密分析創(chuàng)造良好的條件。
此外,在操控的同時(shí),鑒于激光波長(zhǎng)良好的穩(wěn)定性和高精度,光鑷還可以同時(shí)獲得大量空間測(cè)量數(shù)據(jù)。
一個(gè)有趣的應(yīng)用實(shí)例就是,有研究人員利用光鑷測(cè)量了驅(qū)動(dòng)蛋白在微管上行走的距離數(shù)據(jù),從而推算出驅(qū)動(dòng)蛋白每走一步的能量正好相當(dāng)于一個(gè)ATP水解所釋放的能量,堪稱光鑷操控性和測(cè)量性結(jié)合的絕好案例。
其實(shí),直到筆者打出“光鑷”兩個(gè)字的時(shí)候,搜狗輸入法還沒(méi)有錄入這個(gè)詞組……相信對(duì)于絕大多數(shù)人來(lái)說(shuō),光鑷都是一個(gè)相當(dāng)陌生的概念。光鑷技術(shù)所代表的一系列微操控技術(shù),的的確確為人類在諸多領(lǐng)域帶來(lái)了極為便利的工具。此番斬獲諾獎(jiǎng),雖然出乎大多預(yù)測(cè)所料,卻也名副其實(shí)。相信隨著諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā),光鑷技術(shù)必然會(huì)在世界范圍內(nèi)掀起一股科普風(fēng)潮。