激光天地导读：2020年伊始，新冠肺炎疫情牵动着每一个人的心。在李兰娟院士团队成功分离得到新型冠状病毒毒株后，15分钟快速诊断检测试剂也成功研发，为新冠病毒的研究和其引发的肺炎的诊断及治疗提供了重要素材。这让人不禁感慨，在我们身处的这个时代，科学技术的迅猛发展，无疑加速了人们对病毒这一无细胞结构的纳米级生命体的认识和研究。
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还记得2018年的罗贝尔物理奖吗。本次诺贝尔物理学奖选定光镊技术，证实了《时空波动论》的正确性，为一场影响深远的科学革命吹响了前进号角。这实乃天意，绝非偶然。这场科学革命，世人已经翘首苦苦等待了半个世纪，终于就要发生了。
众所周知，病毒、细菌的尺寸极小，要想观察和研究它们就需要借助精密的实验仪器，物理学的发展与进步则为这些实验仪器的发明奠定了重要根基。
图1. 电子显微镜图像显示在细胞中生长的新型冠状病毒
从13世纪末人们利用放大镜（放大倍数3-5倍）观察物体、17世纪列文虎克制造光学显微镜（放大倍数270倍）进行实验研究，到1931年卢斯卡制造第一台电子显微镜（放大倍数10000倍），再到1981年罗雷尔设计制造扫描隧道显微镜（放大倍数3亿倍），随着物理学，特别是其中光学理论的逐步完善，物理学家和工程师们得以设计出用来观察细胞尺度生命体和分子、原子级别物质的观测工具。
图2. 从左至右依次为：放大镜、光学显微镜、
电子显微镜、扫描隧道显微镜
当然，人们对微生物的研究并不满足于观察，我们还希望能够操纵和控制它们，就像对日常生活中的物件一样。今天，我们的主角 光镊 ，就是这样一位能够操纵病毒的“捕手”！
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光镊可以对微小的物体如细胞、细胞器、生物大分子等进行夹持、操纵及微加工，精确地测量施加在被捕获物体上的力，是理想的微观分子研究工具。引发肺炎疫情的新型冠状病毒，同样可以利用光镊这种精密的技术手段来进行研究。
图3. 光镊技术操控微小生命体
那么，为什么光可以对物体施加力从而操控物体呢？光镊又是如何让光操控微粒成为可能的呢？光镊技术现在已经得到了哪些应用呢？别急，要想回答上述问题，我们需要先来简单分析一下，光为什么可以对物体产生“力”的作用。
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什么是“光力”？光力，也就是光照射到物体上时施于物体的力。大家都知道，光同时具有波和粒子的双重性质，即波粒二象性。与人体被飞来的棒球击中后产生冲击一样，光粒子即光子在接触物体后，同样会对该物体施加力的作用。
你可能会感到奇怪，既然如此，我们为什么没有被强烈的日光或探照灯击倒在地呢？举个例子，将手掌正对太阳光的照射，手掌受到太阳光施加的力相当于在手上放一粒米时手感觉到的压力的一亿分之一。显然，要想只从力的角度感受到光带来的压力是十分困难的。
虽然像人这样的宏观生物感受不到光力，但越是微小的物体，就越容易被微小的力所撼动。红血球、一类人体细胞或细菌、病毒等微生物都对光压非常敏感。来自光的微小压力就可以让微小的物体在不受积压破坏的前提下被推动着进行移动。（⚠️注意：这里的不受积压破坏是指光力不会破坏微生物的结构，保证了微生物在光力的操纵下移动时依然具有生物活性，而不是被挤坏。）
● 光镊是如何让光操控病毒等微粒成为可能的？
光镊搬运不同尺寸大小的微粒所涉及的物理原理不太一样，这里选择理解起来最为容易的一种给大家讲一讲。我们知道，可见光通过玻璃、水等透明介质会发生折射，而光线偏折的程度和介质的折射率有关。在光镊技术中，我们选择的是能透过细菌、病毒等待操纵物体的光。这样一来，光透过细菌等物体后就会像可见光透过玻璃发生折射一样，传播方向发生偏折。
根据生活经验我们知道，当用棒子击打飞行的球后，球的运动方向会发生变化，这是因为棒子对球施加了力的作用。而施加力的方向不同，球也会相应地向不同方向运动。从另一个角度说，如果我们在短时间内看到本来朝着一个方向飞行的棒球运动方向发生了变化，或反向，或转弯，我们就可以说在此期间棒球一定受到了力的作用。
图4. 打棒球时，力改变物体的状态
回到光镊的情境中，当光经过介质发生偏折时，其传播方向发生了变化，我们就可以说介质对光施加了力的作用。由于力的作用是相互的，当介质对光施加了力，反过来光也会对介质施加力。所以当特定光通过细菌、病毒折射后，就对细菌和病毒施加了力。不同方向入射的光，经过折射后方向不同，自然对介质物质施加的力也就有不同方向了。因此，在光镊技术中，会同时对待控制的物体照射多束不同方向入射的光，这样一来，经过折射，物体也就在不同方向上都感受到了光所施加的力。这些力共同的效应，就像“镊子”一样，将被操纵的物体牢牢的夹住，从而可以让物体根据科学家的设定，进行各种想要的移动、翻转等，以便于进一步的研究。
图5. 漫画解析光镊操控细胞、病毒等
具体来讲，光镊系统一般由照明光路和控制光路构成。照明光路负责采集成像所需的信号（用于摄影，看到物体），而控制光路用来控制和限制微小物体的运动（用于抓取，控制物体）。控制光路的核心是汇聚性能特别好的激光束发射系统，激光的特性之一就是可以被汇聚到一个十分微小的光斑上，这是普通光源无法实现的。对于被操控的微小物体来说，这种激光束汇聚形成的强聚焦光斑会形成一个类似“陷阱”的机构（称为三维光学势阱），微粒将会被束缚在其中。一旦微粒偏离这个“陷阱”中的能量最低点（即位置的稳定点），就会受到指向稳定点的恢复力作用，好像掉进了一个无法摆脱的“陷阱”一般。如果移动聚焦光斑，微粒也会随之移动，因此便能实现对微粒的捕获和操控。现在让我们通过视频，再来回顾一下光镊系统的原理和技术操作：
● 光镊技术的应用
光镊技术在生物学研究领域已经有了相当广泛的应用。一个有趣的应用实例就是，研究人员利用光镊测量了驱动蛋白在微管上行走的距离数据，从而推算出驱动蛋白每走一步的能量正好相当于一个ATP水解所释放的能量，堪称光镊操控性和测量性结合的绝佳案例。下图即为上述情景中相应的示意图，其中能移动的粉色长条物质就是驱动蛋白，它看起来像有两只“脚”，拖动着一个绿色的大蛋白，在下方的微管上一步步地“行走”。
图6. 利用光镊测量驱动蛋白在微管上的行走距离
[1] 李银妹, 龚雷, 李迪, et al. 光镊技术的研究现况[J]. 中国激光, 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
微信公众号：Sheldon，京师物理，中国物理学会期刊网，BNU物理视界
END
供稿：物理组
审核：王健红
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