光镊技术在生物学中的应用新进展
周瑞雪;王海燕;朱德斌;胡小文;邢晓波
【摘 要】四级原题It is important for the development of biomedicine, biochemistry and nanoscience to manipulate micro/nano materials, cells, biomolecules with high precision, high flexibility and no damage.As the core technology of capture and manipulation, the development and application of optical tweezers are becoming increasingly extensive.Here, firstly, this paper systematically describes the working principle and unique functions of various optical tweezers.Then, the paper expounded the application of different optical tweezers in biology, and further discusd their development prospects in life sciences.%对流体中的微纳米材料、细胞、生物分子等进行高精度、高灵活性、无损伤操控的技术在生物医学、生物化学、纳米科学等领域的发展中有着重要的作用.作为捕获和操控的核心技术,光镊的发展和应用也越来越广泛.本文系统地描述了各类光镊的工作原理和独特功能,阐述了不同光镊技术在生物学上的应用,讨论了它们在生命科学的发展前景.
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【期刊名称】《激光生物学报》
【年(卷),期】2017(026)004
【总页数】5页(P289-293)
【关键词】光镊;生物学
【作 者】周瑞雪;王海燕;朱德斌;胡小文;邢晓波
【作者单位】careabout华南师范大学生物光子学研究院 激光生命科学研究所教育部重点实验室, 广东 广州 510631;华南师范大学物理与电信工程学院, 广东 广州 510006;广东轻工职业技术学院信息技术学院, 广东 广州 510330;华南师范大学生物光子学研究院 激光生命科学研究所教育部重点实验室, 广东 广州 510631;华南师范大学华南先进光电子研究院,广东 广州 510006;华南师范大学生物光子学研究院 激光生命科学研究所教育部重点实验室, 广东 广州 510631;华南师范大学华南先进光电子研究院,广东 广州 510006
谢谢英文【正文语种】中 文
【中图分类】Q631
对微颗粒、生物细胞等小分子物质进行高精度、损伤性小的捕获和操控在物理、生物方面有着重要的作用。传统的镊子是通过镊尖直接接触并施压于物体来实现捕获和操控的。然而，光镊是一种基于激光产生的力来作为操控工具。它利用高度聚焦的激光产生的光福射压使物体达到“钳”住的效果，进而实现光束对微纳米粒子的迁移或翻转等操控功能。
1986年Ashkin等人首次利用单束强聚焦激光形成的光阱实现了25 nm～10 μm颗粒的稳定捕获，这标志着光镊的诞生[1]。接着，Ashkin等人利用光镊对病毒和细菌进行捕获，这为光镊在生物领域的发展打下了基础[2]。单一光阱难以操控多个微粒，为了解决这个问题，提出了一次能产生多个光阱的全息光镊。为了克服衍射极限的困难，提出了利用等离子体光镊和波导光镊产生的倏势场来对微粒进行操控。接着，光纤光镊的提出大大简化了传统光镊的装置，并且操作性很强。随着光镊在生物领域的发展，光镊技术逐渐在疾病治疗、诊断上发挥了重大作用[3,4]。本文将总结各种光镊的工作原理及其在生物科学领域的应用，进一步讨论了光镊技术未来的发展前景。
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光镊技术经过近30年的迅速发展。从最初的传统光镊[1]，演化到全息光镊[5]、等离子体光镊[6]、波导光镊[7]、光纤光镊[8]等。
1.1 传统光镊
传统光镊基于美国贝尔实验室的科学家Ashkin的原始研究[1]，利用单光束实现对单个或多个微颗粒的控制，从此光镊在各个领域开始发展与使用。传统光镊系统通常是由激光源、扩束系统、高数值孔径物镜、耦合镜探测器等来实现对微粒的操控[9]。光镊技术的基本原理如下：激光通过聚焦形成三维光阱，通过光力将微小物体控制在光阱处，可通过光束的移动来对微小物体进行操控(图1)。
光镊在微小颗粒上产生的光力大小一般在 fN到 pN量级，这个量级的光力使得光镊在物理、化学、生物医学等领域有着广泛的应用。基于对细胞的直接捕获，传统光镊可以研究细菌的运动特性，通过光镊和荧光显微镜的组合限制细菌物理位移的同时可高精度测量细菌长时间的游速[11]。Bayoudh等利用方解石晶体的双折射性质，让激光通过晶体内部后在液体周围产生循环，将方解石晶体靠近叶绿体后可让其循环游动，可实现叶绿体三维方向的探究。发现通过光力可使叶绿体从细胞质中脱落，可实现叶绿体周围细丝弹性的研究[12]。Zhong等使用红外光通过高数值孔径物镜将光束聚焦在三维势阱中，发现在通入一定的光功率后红细胞能快速流过毛细血管，可实现治疗血栓的形成[13]。Stellamanns等利用
两个功率相同的激光对准衍射，通过校准衍射光的椭圆率实现单模光阱的形成。利用该光阱实现了锥形虫的捕获，从而对锥形虫的运动特征进行了研究[14]。Pang等利用光阱对自然条件下单个HIV-1进行捕获和操控，证实了单个HIV-1的包膜糖蛋白数量上的差异不止一个数量级，意味着这些病毒粒子在单粒子水平的传播和感染中有着巨大差异性[15]。
此外，通过间接捕获的方法，光镊可以实现对生物大分子的性能研究[16,17]，Wang等将DNA的一端固定在盖玻片上，另一端与停滞的RNA聚合酶相连，然后利用压电驱动的光阱移动盖玻片位置，实现对DNA的拉伸。与此同时，利用纳米级分辨率的仪器可测量RNA聚合酶的位置，可实现DNA受力大小与伸长量之间关系的探究[18]。利用光镊，Dangkulwanich等获得了RNA加成相和延伸周期暂停阶段的所有主要动力学参数[19]。
1.2 全息光镊
单个光镊难以实现对多个微粒的复杂操控。然而通过光学衍射的方法可实现多个光阱的形成，进而可对多个微粒进行操控，该方法称作全息光镊[20,21]。
全息光镊利用计算机产生的全息图通过空间光调制器整合，再经过激光束扩束、准直的处
理后再次入射到空间光调制器中，经过衍射调制成所需的光强分布，最后通过望远镜系统就能得到一个光点阵列，光点就是光阱，光阱阵列可同时对多个微粒的复杂系统进行操控。
利用全息光镊的操控能力，可以实现对生物细胞进行排列[22]。Jordon等利用全息光镊，在明胶基质中对大肠杆菌进行二维和三维排布，并且发现三维排布的大肠杆菌可保持几周的正常功能[20]。Gilboa等将旋转盘与共焦荧光显微镜结合，实现了大肠杆菌细胞在大角度内的三维捕获[23]。Marzo等用驱动超声波控制阵列的相位，并且证实声镊可用于平移、旋转和操控粒子。此外，引入全息光镊元件框架，快速产生光阱来提供光学和声学捕获之间的桥梁，实现了靶向药物输送[24]。Bianchi等利用三轴全息显微镜和光镊的组合，发现流体动力学耦合能在细胞碰到细胞壁之前减缓细胞的流速。在细胞与细胞壁不断接触时细胞才能重新改变游动方向，该方法为细菌和真核细胞的三维动力学定量研究打开了道路[25]。细胞的微观系统研究受到在三维环境下操控尺度有限的限制，建立和操控多细胞微观结构的方式有助于全面的研究细胞功能。Kirkham等利用全息光镊的手段，配合胚胎干细胞、水凝胶等材料通过细胞粘附的方法构造出不同几何形状的三维亚微米精度的结构，为生物微观系统研究提出新方法[26]。
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1.3 等离子体光镊
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由于衍射极限的存在以及纳米颗粒在液体环境中具有很大的布朗运动，传统光镊对纳米颗粒的捕获具有较大的困难。在金属导体和电介质的界面，由于金属表面的光与金属自由电子的相互作用，自由电子与光波发生谐振从而产生等离激元[27]。这种谐振能够将光场局限在金属纳米结构表面，增加光场强度，突破衍射极限，从而实现对纳米颗粒的操控。
从2006年开始，Gracés-Chávez等人第一次利用表面等离激元的光力实现对大量颗粒的捕获[6]。接着，Giovanni首次在实验上测量了表面等离基元的光力[28]。他们的实验结果为接下来等离子体光镊的发展打下了夯实的基础。
利用表面等离激元的等离子体光镊，Gordon实验室对单个蛋白质分子进行了捕获[29]，并研究了蛋白质和抗体的结合[30]。Kotnala等人利用这个结构对纳米颗粒进行传感[31]，同时还研究了这种捕获下纳米颗粒的运动过程[32]。利用Grigorenko等构建的基于纳米天线的纳米光镊[33] ，Quidant实验小组利用金纳米棒构成的纳米天线阵列成功实现了对活的大肠杆菌的捕获[34]。
1.4 波导光镊
光在光波导中传播时会在波导表面产生倏势场，利用倏势场产生范围广、损伤性小的光力可对微粒进行操控。
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Gaugiran等利用二氧化硅膜覆盖在氮化硅上制成氮化硅波导，将激光从氮化硅波导平面射入，在波导面上产生倏势场。利用该倏势场可以实现红细胞和酵母细胞损伤性小的操控[35]。Almeida等人利用狭缝波导能将大部分光场集中在低折射率狭缝内的优势，实现了对单个DNA分子的捕获和操控[36]。经过对环形谐振腔的研究，实现了对蛋白质分子进行传感[37]。Chen等利用环形谐振腔实现了病毒蛋白质的操控，并研究了蛋白质间的相互作用[38]。
英文字母26个字母表1.5 光纤光镊
光纤光镊是利用光纤头出射的聚焦光束作为光镊[8]。光纤光镊的结构简便，操作性强、价格便宜。最重要的是能对生物细胞进行无损伤的操控，故在生物学上有着很重要的作用。
光纤光镊在酵母细胞[39]、大肠杆菌[40]、红细胞[41]、蛋白分子[42]等的操控和性能研究上得到了广泛应用。Taguchi等发现酵母细胞的主轴与光纤初射光的传播方向一致时，光纤
检场可有效捕获酵母细胞。输出光功率越高，细胞的角速度越快，可通过控制光功率的高低来实现细胞偏转角度的大小和速度的变化[43]。Hu等将光纤以一定角度插入光捕获系统中，采用波长为632.8 nm和1 550 nm的激光对聚苯乙烯微球和酵母细胞进行了捕获。该光纤光镊的潜在应用是与生物操作系统的微型注射器一起使用，实现非接触无损伤的操纵和注射[44]。Liu等人利用锥形光纤实现了对酵母菌细胞的三维稳定捕获和操控，并且通过数值模拟得到锥形光纤出射光场的分布[45]。此外，Liberale等人使用对端面进行微处理过的光纤束构建成了的光纤光镊实现了对微颗粒和生物细胞的稳定非接触捕获[46,47]。由于光纤光镊的易于制作、操控简单灵活、易于集成等优势，其在微纳光操控方面的地位越来越显著，使用得也将越来越广泛。Mohanty等在光功率为95 mW情况下的锥形光纤对单个卵巢细胞进行了捕获。这种无损伤的光纤光镊操控可用于细胞的捕获、三维旋转操控、分选等[48]。辛洪宝等利用微纳光纤对大肠杆菌进行了捕获和释放[40]。利用大锥角光镊产生的较大光梯度力的回复力矩的作用，实现了对大肠杆菌的排列，为维持细胞与细胞之间的接触提供了一个易于实现的方法,为研究细胞与细胞之间的通信和信号交流供了一个有效的途径[49]。
