扫描光镊捕获金属微米颗粒的实验研究(2)
1.2 使用光镊进行光捕获的基本理论
光是由光子组成的，同时具有着能量和动量。因此，当具有着动量的光与物质相互接触作用的时候会产生动量的传递，在表现形式上就表现为光对物体施加了一定程度的力[3]，光镊实际上就是运用了光对物体施加的作用力从而实现对各种粒子的捕获与操控。具体地说，当聚焦的激光光束照射到粒子上的时候，光在粒子的表面就同时会被吸收、反射和折射，这个时候光的传播方向就会发生改变，因此动量也会随之发生一定程度的改变。根据动量守恒定理可知，光的动量会传递到粒子之上，这就使得粒子会受到来自于光的作用力。来自光的作用力一般会有两个，分为梯度力和散射力[4]。其中一个是因为光被折射而产生的施加在粒子上面的力，叫做梯度力，梯度力的方向一般指向光强的方向。在实验中一般表现为对微小粒子的拉力，例如用光镊捕获酵母菌，主要用到的就是光通过折射产生的梯度力。还有一个就是因为光被反射而产生的施加在粒子上面的力，叫做散射力，散射力的方向是总沿着光传播的方向。在实验中一般会表现为对微小粒子的推力，例如用光捕获金属粒子，主要用到的就是光通过反射产生的散射力。不过，为了成功稳定地捕获粒子，就要求光施加在微小粒子的拉力和推力与粒子本身受到的重力相平衡。开始时，光镊主要是用到了光透过微粒产生的梯度力来形成光阱进行对粒子的捕获，这种情况下一般只能用于捕获透明或者半透明的微粒，例如细菌、细胞之类的粒子，这些粒子的折射率要大于周围介质的折射率。当这些粒子被捕获时，粒子会一直处于光阱之中，可以随着光镊移动，换句话说就是在三文空间里实现了对透明或半透明微粒的捕获。但是对于金属粒子来说，情况就明显不同了。金属粒子本身基本不透明，折射率要远远小于周围介质的折射率，粒子的受力不均衡且受力一般指向了光强的最弱处，粒子不但不会被光阱捕获，反而会被以非常快的速度弹出光阱，这样便无法实现对微小粒子的捕获了。
是光镊的原理图[3]，聚焦的激光束会在其焦点处产生一个很大的梯度力，能成功将透明或者半透明粒子捕获到光束焦点处。
光镊的原理图
光镊是通过光子与微粒交换动量产生的，光镊实际上是是一种肉眼无法看到的特殊的工具[5]，它没有我们日常生活中见到的镊子那样夹住物体所具有的特定而集中的受力点，所以光镊对微粒的操作既是非接触的又是基本不会造成明显的物理损伤的，有着非常广阔的应用领域和应用前景[6]。因为光自身的特性，用光镊对微粒进行操控的时候实际上又是不需要接触的，也就是根本上实现了真正意义上的无菌操作，这也是其他工具都实现不了的。同时用光镊来捕获并操纵微粒的的尺度可以是从几十纳米到上百微米之间，这也正是很多生物大分子、细胞、细菌、金属颗粒等的尺度范围，这个尺度范围之内可以说光镊是唯一可以完成捕获并操作的[7-8]，因此，它有着独特而又重大的意义。并且我们还可以通过显示屏和目镜来直接实时观察微粒和光镊的操作，这为科学研究带来了更多的便捷性、可行性和准确性，这又是光镊所具有的唯一性和不可替代性。同时光镊也可以进行力和距离的测量，在实验中既精确又实用。在目前的科学领域内，暂时还没有任何一项技术能够实现深入微粒内部来进行大分子的操控，而光镊可以从外部对其进行捕获并能够实现实时操控，借助显微镜的帮助还可以做到随时观察并且追踪微粒的运动情况，可以说是现在唯一的，并且不可或缺的，具有独立性的一项前沿科学技术。
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