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晶萃光學(xué)JCOPTIX上周推出新品模塊化標(biāo)準(zhǔn)光鑷系統(tǒng)后，收到很多老師和同學(xué)的咨詢和反饋，今天給大家演示光鑷系統(tǒng)的安裝和使用，歡迎繼續(xù)給我們提供寶貴的使用反饋和改進(jìn)意見

標(biāo)準(zhǔn)版光鑷系統(tǒng)架構(gòu)

晶萃光學(xué)JCOPTIX的標(biāo)準(zhǔn)版光鑷系統(tǒng)(STS1)由激光光路、照明光路，成像光路和運動控制四個模塊組成：

• 激光光路：780 nm半導(dǎo)體激光器，光斑直徑約3.5 mm，光功率50 mW。激光經(jīng)過兩面銀膜反射鏡反射爬高后，進(jìn)入光鑷系統(tǒng)主光路。利用兩片反射鏡可以很方便地將光束調(diào)整為沿中心光軸豎直入射置物鏡內(nèi)。
• 照明光路：光鑷系統(tǒng)內(nèi)采用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)準(zhǔn)直LED（lem-w1c1），以及配套控制器（lec1-a）作為標(biāo)準(zhǔn)照明光源，光束經(jīng)過45°放置的反射鏡反射從底部照射到樣品后，再經(jīng)過物鏡收集進(jìn)行成像。
• 成像光路：光鑷系統(tǒng)內(nèi)采用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的標(biāo)準(zhǔn)USB3.0 彩色相機(jī)（AIC-502C-USB）作為成像傳感器。成像光路中設(shè)置一片短波通二向色鏡（透過/反射波長：680 nm）。粒子抓取所用780 nm激光經(jīng)二向色鏡反射后進(jìn)入物鏡，再經(jīng)物鏡聚焦后用于粒子抓?。怀上裼霉馐丈涞綐悠分?，再經(jīng)過物鏡收集，透過二向色鏡后抵達(dá)相機(jī)成像。相機(jī)前方還添加了兩片彩色濾光片（截止波長：505 nm），用于消除樣品反射的780 nm激光。成像光路配置兩款物鏡，分別是100X的油浸物鏡，NA=1.25；以及60X的空氣物鏡，NA=0.85。用戶可以根據(jù)使用場景更換合適的物鏡。
• 運動控制：標(biāo)準(zhǔn)光鑷系統(tǒng)選用的是晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的標(biāo)準(zhǔn)三軸不銹鋼手動線性位移臺（DML65S-25LXYZ），配合定制的載物臺，可實現(xiàn)樣品XYZ三個軸向位移，位移行程均為25 mm。三軸位移最小讀數(shù)10 μm。

什么是光鑷

亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin）“由于他所發(fā)明的光鑷及其在生物系統(tǒng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用”獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎，在國際上引起了眾多研究者的興趣，并推動了光鑷技術(shù)及其創(chuàng)新應(yīng)用的出現(xiàn)。

亞瑟·阿什金發(fā)明的光鑷?yán)眉す馊ゲ东@各種粒子。光鑷捕獲微粒的關(guān)鍵在于光的輻射壓力，該壓力可以分解為梯度力和散射力。圖2為光鑷原理示意圖。圖中，a和b分別表示入射激光的兩條邊緣光線，經(jīng)透鏡匯聚后照射到微粒表面，經(jīng)兩次折射后改變傳播方向，其動量改變產(chǎn)生力Fa和Fb，由于光場強(qiáng)度分布不均勻產(chǎn)生的指向光束焦點的力，稱為梯度力，該力的大小正比于光的強(qiáng)度梯度，作用效果使得微粒朝向光強(qiáng)最大處運動。當(dāng)激光入射到微粒表面時，部分光會在微粒表面產(chǎn)生反射，進(jìn)入微粒內(nèi)部的光存在吸收效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生動量轉(zhuǎn)換，合成的力使微粒向遠(yuǎn)處推離，此力稱為散射力，其正比于輻射強(qiáng)度，即散射力隨激光功率的增大而增大，方向指向光束傳播方向。當(dāng)光場梯度足夠大時，焦點附近梯度力大于散射力，其合力指向光束焦點，可以實現(xiàn)三維空間內(nèi)微粒的捕獲和操控。

由于光鑷在操縱微粒時不直接接觸樣品，對樣品損傷小等優(yōu)點，使之成為物理、生物、化學(xué)等研究領(lǐng)域中的重要工具

如何計算光鑷夾持力

微粒在光阱中同時會受到兩個作用力：微粒與液體的摩擦力\( F_R \)，以及光阱的夾持力\( F_H \)。光阱夾持力可以定義為維持微粒剛好能被光鑷捕獲的運動速度\( v_{max} \)所需的力。即：

\( F_{H_{max}}=F_R \)

而微粒在承載液中的摩擦力則與微粒的運動速度\( v \)呈正相關(guān)，即速度越快，摩擦力越大。摩擦力\( F_R \)可以由如下公式計算得出：

\( F_{R}=6 \pi \eta_{e f f} R v \)

式中，\( R \)為微粒半徑；\( \eta_{eff} \)為有效粘度，表示承載液和微粒的結(jié)合程度。每個微粒的\( \eta_{eff} \)都不同，需要根據(jù)每個微粒在承載液中布朗運動時的位移值計算：

\( m={2 k_{B} T} / 3 \pi \eta_{e f f} R \)

式中，\( m \)為微粒位移均方值的直線斜率；\( \eta_{eff} \)為有效粘度；\( T \)是單位為開爾文的樣品溫度；\( k_B \)是玻爾茲曼常數(shù)。

因此可以直接計算出光鑷中光阱最大夾持力為：

\( F_{H_{\max }}=F_{R}=4 k_{B} T v_{\max } / m \)

晶萃光學(xué)JCOPTIX標(biāo)準(zhǔn)版光鑷系統(tǒng)STS1能提供的最大夾持力為\( pN \)量級。具體數(shù)值取決于所使用的承載液以及微粒的性質(zhì)。

光鑷樣品制備

樣品制備主要分為兩步，制備樣品溶液和制備觀察樣品池。這里以石英微球為例簡單介紹如何制備測試樣品，所需物料見下表

制備樣品溶液

a)    打開電子天平，在天平上先放一張稱量紙，然后將免洗試劑瓶瓶蓋擰下，瓶身放置于稱量紙上。電子天平上去皮。

b)   用藥匙從石英微球盛放瓶內(nèi)取出0.01 g粉末倒入免洗試劑瓶內(nèi)。

c)    用洗瓶向免洗試劑樣品瓶中倒入80 g去離子水。

d)   從電子天平上取下試劑瓶，并蓋緊瓶蓋。

e)   將配制好的樣品放入超聲波清洗機(jī)內(nèi)，開啟超聲，使微球在去離子水內(nèi)部均勻分布。

制備樣品池

a)    取出配制好的微粒溶液。

b)   取出一片載玻片，一片蓋玻片。用蘸取酒精的無塵布將其擦拭干凈。

c)    取出一片切好的雙面膠，用尖頭鑷子將膠帶一邊的保護(hù)紙撕開，將其貼在載玻片中心位置。雙面膠為中空的方框，方框內(nèi)部為樣品空間。

d)   用移液槍從玻璃微球溶液瓶內(nèi)提取溶液，并滴到雙面膠中間的樣品池位置。

e)   拿起蓋玻片，從左至右刮樣品池一次，將多余溶液推出樣品池。

f)    用尖頭鑷子將雙面膠頂端保護(hù)紙撕掉，將蓋玻片放置于雙面膠帶上。

g)   至此，觀察樣品池制備完成。

石英微球捕獲

• 將制備好樣品放置于光鑷樣品載物臺夾具上夾緊后，即可以開始進(jìn)行粒子捕獲。粒子捕獲操作主要分為以下幾個步驟：
• 將標(biāo)準(zhǔn)版光鑷系統(tǒng)中的相機(jī)通過USB線連接至電腦上。
• 在電腦端打開JCOPTIX相機(jī)程序，選擇對應(yīng)相機(jī)，開始實時監(jiān)控。
• 緩慢移動載物臺X、Y軸將載玻片上的樣品池置于物鏡正下方。
• 將激光器和照明LED打開。調(diào)節(jié)旋鈕保證照明光強(qiáng)處于合適強(qiáng)度，保證相機(jī)可以高效監(jiān)控。
• 緩慢擰動Z軸調(diào)節(jié)，抬升樣品。當(dāng)顯示器上第一次看到紅色激光散斑，說明載玻片上表面已到達(dá)物鏡焦平面。繼續(xù)抬升樣品，直至激光光斑消失，此時激光到達(dá)溶液層。繼續(xù)微調(diào)Z軸直至相機(jī)可以清晰觀測到石英微球。注意，使用100X油浸物鏡時，需要在樣品池上滴一滴物鏡觀察清油。
• 微調(diào)X、Y軸，使石英微球靠近激光阱中心位置。顯示器上可以清楚看到微球落入“陷阱”，即石英微球位于光阱的聚焦處，微粒被成功捕獲。這時關(guān)閉激光器或快速旋擰XY線性位移臺微分頭，以釋放石英微球。由于樣品池深度為20 μm，而石英微球直徑僅3 μm。所以樣品溶液內(nèi)石英微球呈多層分布。當(dāng)激光聚焦束腰處于樣品池中間或底部位置時，樣品池上方運動微球被光阱抓住后，會被光阱向下推入束腰處。在顯示器上即顯示為微球尺寸的急劇變化。
• 慢慢轉(zhuǎn)動XY軸，拖動石英微球。
• 至此完成石英微球捕獲。

注意：

由于兩款物鏡均為高數(shù)值孔徑，且工作距離分別為0.21 mm和0.3 mm。選用蓋玻片厚度不能超過0.2 mm。

使用100X物鏡做光鑷實驗后，需清潔物鏡。即用干凈無塵布輕輕擦拭物鏡觀察面，清除殘留油漬。

配制好的石英微球溶液，每次使用前需超聲振蕩5分鐘。