激光天地導讀：2020年伊始，新冠肺炎疫情牽動著每一個人的心。在李蘭娟院士團隊成功分離得到新型冠狀病毒毒株後，15分鐘快速診斷檢測試劑也成功研發，為新冠病毒的研究和其引發的肺炎的診斷及治療提供了重要素材。這讓人不禁感慨，在我們身處的這個時代，科學技術的迅猛發展，無疑加速了人們對病毒這一無細胞結構的納米級生命體的認識和研究。
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還記得2018年的羅貝爾物理獎嗎。本次諾貝爾物理學獎選定光鑷技術，證實了《時空波動論》的正確性，為一場影響深遠的科學革命吹響了前進號角。這實乃天意，絕非偶然。這場科學革命，世人已經翹首苦苦等待了半個世紀，終於就要發生了。
眾所周知，病毒、細菌的尺寸極小，要想觀察和研究它們就需要藉助精密的實驗儀器，物理學的發展與進步則為這些實驗儀器的發明奠定了重要根基。
圖1. 電子顯微鏡圖像顯示在細胞中生長的新型冠狀病毒
從13世紀末人們利用放大鏡（放大倍數3-5倍）觀察物體、17世紀列文虎克製造光學顯微鏡（放大倍數270倍）進行實驗研究，到1931年盧斯卡製造第一臺電子顯微鏡（放大倍數10000倍），再到1981年羅雷爾設計製造掃描隧道顯微鏡（放大倍數3億倍），隨著物理學，特別是其中光學理論的逐步完善，物理學家和工程師們得以設計出用來觀察細胞尺度生命體和分子、原子級別物質的觀測工具。
圖2. 從左至右依次為：放大鏡、光學顯微鏡、
電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡
當然，人們對微生物的研究並不滿足於觀察，我們還希望能夠操縱和控制它們，就像對日常生活中的物件一樣。今天，我們的主角 光鑷 ，就是這樣一位能夠操縱病毒的“捕手”！
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光鑷可以對微小的物體如細胞、細胞器、生物大分子等進行夾持、操縱及微加工，精確地測量施加在被捕獲物體上的力，是理想的微觀分子研究工具。引發肺炎疫情的新型冠狀病毒，同樣可以利用光鑷這種精密的技術手段來進行研究。
圖3. 光鑷技術操控微小生命體
那麼，為什麼光可以對物體施加力從而操控物體呢？光鑷又是如何讓光操控微粒成為可能的呢？光鑷技術現在已經得到了哪些應用呢？別急，要想回答上述問題，我們需要先來簡單分析一下，光為什麼可以對物體產生“力”的作用。
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什麼是“光力”？光力，也就是光照射到物體上時施於物體的力。大家都知道，光同時具有波和粒子的雙重性質，即波粒二象性。與人體被飛來的棒球擊中後產生衝擊一樣，光粒子即光子在接觸物體後，同樣會對該物體施加力的作用。
你可能會感到奇怪，既然如此，我們為什麼沒有被強烈的日光或探照燈擊倒在地呢？舉個例子，將手掌正對太陽光的照射，手掌受到太陽光施加的力相當於在手上放一粒米時手感覺到的壓力的一億分之一。顯然，要想只從力的角度感受到光帶來的壓力是十分困難的。
雖然像人這樣的宏觀生物感受不到光力，但越是微小的物體，就越容易被微小的力所撼動。紅血球、一類人體細胞或細菌、病毒等微生物都對光壓非常敏感。來自光的微小壓力就可以讓微小的物體在不受積壓破壞的前提下被推動著進行移動。（⚠️注意：這裡的不受積壓破壞是指光力不會破壞微生物的結構，保證了微生物在光力的操縱下移動時依然具有生物活性，而不是被擠壞。）
● 光鑷是如何讓光操控病毒等微粒成為可能的？
光鑷搬運不同尺寸大小的微粒所涉及的物理原理不太一樣，這裡選擇理解起來最為容易的一種給大家講一講。我們知道，可見光通過玻璃、水等透明介質會發生折射，而光線偏折的程度和介質的折射率有關。在光鑷技術中，我們選擇的是能透過細菌、病毒等待操縱物體的光。這樣一來，光透過細菌等物體後就會像可見光透過玻璃發生折射一樣，傳播方向發生偏折。
根據生活經驗我們知道，當用棒子擊打飛行的球后，球的運動方向會發生變化，這是因為棒子對球施加了力的作用。而施加力的方向不同，球也會相應地向不同方向運動。從另一個角度說，如果我們在短時間內看到本來朝著一個方向飛行的棒球運動方向發生了變化，或反向，或轉彎，我們就可以說在此期間棒球一定受到了力的作用。
圖4. 打棒球時，力改變物體的狀態
回到光鑷的情境中，當光經過介質發生偏折時，其傳播方向發生了變化，我們就可以說介質對光施加了力的作用。由於力的作用是相互的，當介質對光施加了力，反過來光也會對介質施加力。所以當特定光通過細菌、病毒折射後，就對細菌和病毒施加了力。不同方向入射的光，經過折射後方向不同，自然對介質物質施加的力也就有不同方向了。因此，在光鑷技術中，會同時對待控制的物體照射多束不同方向入射的光，這樣一來，經過折射，物體也就在不同方向上都感受到了光所施加的力。這些力共同的效應，就像“鑷子”一樣，將被操縱的物體牢牢的夾住，從而可以讓物體根據科學家的設定，進行各種想要的移動、翻轉等，以便於進一步的研究。
圖5. 漫畫解析光鑷操控細胞、病毒等
具體來講，光鑷系統一般由照明光路和控制光路構成。照明光路負責採集成像所需的信號（用於攝影，看到物體），而控制光路用來控制和限制微小物體的運動（用於抓取，控制物體）。控制光路的核心是匯聚性能特別好的激光束髮射系統，激光的特性之一就是可以被匯聚到一個十分微小的光斑上，這是普通光源無法實現的。對於被操控的微小物體來說，這種激光束匯聚形成的強聚焦光斑會形成一個類似“陷阱”的機構（稱為三維光學勢阱），微粒將會被束縛在其中。一旦微粒偏離這個“陷阱”中的能量最低點（即位置的穩定點），就會受到指向穩定點的恢復力作用，好像掉進了一個無法擺脫的“陷阱”一般。如果移動聚焦光斑，微粒也會隨之移動，因此便能實現對微粒的捕獲和操控。現在讓我們通過視頻，再來回顧一下光鑷系統的原理和技術操作：
● 光鑷技術的應用
光鑷技術在生物學研究領域已經有了相當廣泛的應用。一個有趣的應用實例就是，研究人員利用光鑷測量了驅動蛋白在微管上行走的距離數據，從而推算出驅動蛋白每走一步的能量正好相當於一個ATP水解所釋放的能量，堪稱光鑷操控性和測量性結合的絕佳案例。下圖即為上述情景中相應的示意圖，其中能移動的粉色長條物質就是驅動蛋白，它看起來像有兩隻“腳”，拖動著一個綠色的大蛋白，在下方的微管上一步步地“行走”。
圖6. 利用光鑷測量驅動蛋白在微管上的行走距離
[1] 李銀妹, 龔雷, 李迪, et al. 光鑷技術的研究現況[J]. 中國激光, 2014, 42(1).
[2] https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/press-physics2018.pdf
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Ashkin
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers
微信公眾號：Sheldon，京師物理，中國物理學會期刊網，BNU物理視界
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供稿：物理組
審核：王健紅
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