利用光之力操控细胞 光镊＂爆冷＂夺下诺贝尔物理学奖

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北京时间10月2日17: 50，2018年诺贝尔物理学奖正式揭晓。发明光镊技术的美国物理学家阿瑟·阿什·阿什金(arthur ashe Ashkin)和啁啾脉冲放大技术的先驱唐娜·思特里克兰德(donna strickland)和热拉尔·穆鲁(gérard mourou)分享了这一奖项。值得一提的是，唐娜·思特里克兰德是诺贝尔物理学奖历史上的第三位女性获奖者。

来源:诺贝尔奖官方网站△三位诺贝尔奖获得者的肖像

诺贝尔物理学奖的结果公布后，各行各业的观察家都说他们没有想到这一点。它被明确地称为“黑马”和“大麻烦”，许多科学研究界的人甚至从未听说过这些技术。然而，在他们各自的专业领域，他们已经是科学家非常依赖的工具。

虽然这两项成果属于激光研究领域，但它们之间仍有很大的不同。虽然光镊的内涵很深刻，但实际上，一点介绍就能帮助普通人建立概念。今天，我们将努力让每个人都知道这个诺贝尔奖的成果，它可以用光的力量操纵细胞。

关于光镊诞生的思考——光的力量

20世纪60年代以来，随着激光束电流产生和控制技术的发展，利用光来操作微小物体的“光镊”登上了历史舞台。阿瑟·阿什·金教授在贝尔实验室和朗讯科技公司工作。他很早就开始了光学操纵粒子的研究工作，最终在1986年出版了他的第一代光镊。

光镊使用“光压力/辐射压力”(可以翻译为光压力、辐射压力等)。)，这对于普通人来说是一个陌生的领域。我们已经知道，光可以帮助动物产生视觉，为植物提供能量，加热物体。如今，光力学领域已经诞生了举世闻名的成就。

在中学物理中，我们已经了解到光同时具有波和粒子的双重性质，称为波粒二象性。正如人体在被飞行的棒球击中后受到撞击一样，光粒子(即光子)在接触物体后会对其施加力。

当然，我们没有被强烈的阳光或探照灯击倒在地是有原因的。光压力只有牛的十亿分之一到十亿分之一的数量级。因此，能够用肉体感受到光的压力的人显然不存在。

然而，物体越小，就越容易被微小的力摇动。例如，红细胞、细菌或微生物等人类细胞对光压力非常敏感。来自光的微小压力可以使微小物体移动而不会被积压损坏。

光镊如何让光操纵粒子成为可能

具体地，光镊系统通常由照明光路和控制光路组成。照明光路负责采集成像所需的信号，而控制光路用于控制和限制微小物体的运动。控制光路的核心是具有良好会聚性能的激光束发射系统。

来源:公共域△光镊系统示意图，红色代表控制光路，蓝色代表照明光路，控制室位于中间，最右侧代表位置测量装置

我们知道激光的一个特点是它可以会聚在一个非常小的点上，这是普通光源无法实现的。对于要操纵的微小物体，由激光束会聚形成的强聚焦点将形成类似于“陷阱”(称为三维光学势阱)的机制，粒子将被束缚在其中。

一旦粒子偏离这个“陷阱”中的最低能量点(即位置的稳定点)，它将受到指向稳定点的恢复力的作用，就好像它落入了一个无法逃脱的“陷阱”。如果您移动聚焦点，粒子将随之移动，因此您可以捕捉和控制粒子。

来源:公共域△激光会聚在光束的最薄部分(称为“光腰”)，在那里粒子将被捕获在三维光学势阱中

光镊技术已经显示出巨大的魔力

光镊技术已经广泛应用于生物研究领域。例如，将不同的细胞挤压在一起，或将微量物质或微小物体注入细胞，这是光镊展示其才能的机会。例如，在环境科学领域，经常需要区分水中的几种微小物体。使用光镊，各种物质可以在无损条件下容易地分离，为以后的精确分析创造了有利条件。

此外，鉴于激光波长的良好稳定性和高精度，光镊还可以同时获得空之间的大量测量数据。一些研究人员使用光镊测量驱动蛋白在微管上行走的距离数据，从而计算出驱动蛋白每一步的能量正好等于atp水解释放的能量，这是光镊和测量相结合的一个很好的例子。

直到作者输入了“光镊”这个词，这个短语才被输入到搜狗输入法中……我相信光镊对大多数人来说是一个相当奇怪的概念。以光镊为代表的一系列微操作技术确实在许多领域给人类带来了极其方便的工具。这次获得诺贝尔奖，虽然超出了大多数人的预期，但确实名副其实。人们相信，随着诺贝尔奖的颁发，光镊技术将在世界范围内掀起一股科普浪潮。

来源：搜狐微门户