期廣告位_202508181709291339.jpg)
_202505112140397671.png)
_202505112155476345.png)
平臺_202505112201361338.png)
_202505112313214920.png)
什么是光鑷？
2024-12-17
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1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\( F_a \)和\( F_b \)，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。
晶萃光學(xué)JCOPTIX目前提供標(biāo)準(zhǔn)光鑷系統(tǒng)，由激光光路、照明光路、成像光路和運動控制共四部分組成，安裝于300 mm × 300 mm標(biāo)準(zhǔn)鋁質(zhì)光學(xué)面包板上，占用空間小。激光通過大NA物鏡聚焦后，可實現(xiàn)對1-10 μm直徑微粒的自由捕獲。單激光束最多可同時捕獲和操控五個直徑為3 μm的石英微球。晶萃光學(xué)JCOPTIX的標(biāo)準(zhǔn)光鑷系統(tǒng)基于同軸系統(tǒng)組件，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)四步之內(nèi)更換系統(tǒng)內(nèi)的任意元件，無需大量拆裝工作即可實現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)及改進(jìn)。模塊化設(shè)計也方便用戶根據(jù)各自獨特需求快速更改光鑷。標(biāo)準(zhǔn)光鑷系統(tǒng)還可以擴(kuò)展其他功能，如接入光譜探測模塊，實現(xiàn)樣品熒光探測等；也可增加渦旋光生成模塊，即可實現(xiàn)渦旋光束操縱粒子，達(dá)到使粒子旋轉(zhuǎn)的目的。
（插入圖片與光路圖）
除此之外，晶萃光學(xué)JCOPTIX還可提供全息光鑷系統(tǒng)，集成了粒子操控、光場調(diào)控和光束偏移功能，能滿足多種實驗需求?；诜瓷涫娇臻g光調(diào)制器、光場調(diào)控算法、高功率激光器、高精度運動控制機(jī)構(gòu)、大數(shù)值孔徑物鏡配合搭建的全息光鑷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于激光器的基本粒子及細(xì)胞抓?。换诳臻g光調(diào)制器的光場調(diào)控、光束模式調(diào)節(jié)及變換；基于空間光調(diào)制器的光束偏移及粒子及細(xì)胞運動引導(dǎo)。
晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的標(biāo)準(zhǔn)版光鑷系統(tǒng)適合本科、研究生教學(xué)、科研使用。系統(tǒng)集成度高、操作簡單。此外，該系統(tǒng)也可滿足基礎(chǔ)實驗需求，在細(xì)胞生物學(xué)、單分子生物學(xué)、膠體科學(xué)、物理學(xué)研究中具有潛在的應(yīng)用價值。
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：
\( F_{R}=6 \pi \eta_{e f f} R v \)
為有效粘度，表示承載液和微粒的結(jié)合程度。每個微粒的\( \eta_{eff} \)
\( m={2 k_{B} T} / 3 \pi \eta_{e f f} R \)
\( F_{H_{\max }}=F_{R}=4 k_{B} T v_{\max } / m \)
晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的標(biāo)準(zhǔn)版光鑷系統(tǒng)適合本科、研究生教學(xué)、科研使用。系統(tǒng)集成度高、操作簡單。此外，該系統(tǒng)也可滿足基礎(chǔ)實驗需求，在細(xì)胞生物學(xué)、單分子生物學(xué)、膠體科學(xué)、物理學(xué)研究中具有潛在的應(yīng)用價值。
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：
\( m={2 k_{B} T} / 3 \pi \eta_{e f f} R \)
1、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。
2、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：
1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 慢慢轉(zhuǎn)動XY軸，拖動石英微球。
8. 至此完成石英微球捕獲。
注意：
1. 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0.2mm。
2. 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。
3. 配制好的石英微球溶液，每次使用前需超聲振蕩5分鐘。