1、光镊技术及应用,医学实验05级王也 90513112 王学瑛 90513114鲁华菲 90513116 郭佳 90513117,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,2,光镊技术概述和基本原理 光镊系统的组成及操控 光镊在细胞水平的应用 光镊在生物大分子上的应用,光镊技术概述和基本原理,郭佳 90513117,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,4,2008-4-2,4,光的动量是光的一个基本属性,光不但具有能量，还具有动量。光与物质相互作用 交换动量在物体上的力等于光引起的单位时间内物体动量的改变，并由此引起物体的位移和速度的变化，称之为光的力学效应。由
2、于光辐射对物体产生的力通常称之为光的辐射压力，简称光压。,基本概念,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,5,2008-4-2,5,单个光子动量很小，普通光源的力学效应微乎其微，研究光的力学性质受到很大限制。1960年：激光问世 高亮度的新光源 光的力学效应研究进入了一个全新的时代,光力学效应研究发展史,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,6,2008-4-2,6,1986年，美国科学家A.Ashkin等成功地利用一束强会聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获，自此基于激光的光镊技术诞生了。二十年来光镊技术发展迅速，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞
3、和生物大分子行为不可或缺的有效工具。,光力学效应研究发展史,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,7,2008-4-2,7,光镊(Optical tweezers) 又称为单光束梯度力光阱(single-beam optical gradient force trap)，是利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维势阱来捕获和操纵微粒的技术。,定义,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,8,2008-4-2,8,势阱,这种光形成的光学势阱就像是一把镊子，可 以把微粒牢牢“钳住”，因此被形象地称为“光镊”。,电子的势能图类似一个波的形状当电子处于波谷的时候就
4、好像处在一口井里，比较稳定,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,9,散射力(Scattering Force) 正比于辐射强度，方向指向光束传播方向梯度力(Gradient Force) 正比于光的强度梯度，指向光的强度梯度方向在特定强度分布的光场下（如高度会聚光束的光场）梯度力起主导作用，梯度力与光强梯度都指向光束的焦点，形成一个三维势阱。,2008-4-2,9,基本原理,光与物体间的相互作用力,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,10,2008-4-2,光与物体的相互作用 几何光学原理(小球直径D远大于光波长，小球折射率大于周围介质的折射率),单光束
5、梯度力光阱的几何光学原理图,基本原理,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,11,光阱主要是依靠光梯度力形成的，其合力指向光束焦点。,2008-4-2,11,当焦点附近梯度力大于散射力时, 则可以形成三维光学势阱而稳定地捕获微粒。,基本原理,光镊系统的组成及操控,王也 90513112,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,13,光镊系统通常由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测部分和传统的光学显微镜组成。,光镊系统的基本组成,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,14,光镊系统实物,2008-4-2,光镊技术 王也 王学
6、瑛 鲁华菲 郭佳,15,CCD camera,QD,Motion control,一 激光光源,D,Laser,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,16,Laser,CCD camera,QD,Motion control,二 激光扩束滤波光路,D,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,17,Laser,CCD camera,QD,Motion control,三 光镊移动控制环节,D,电子驱动,计算机控制,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,18,Laser,CCD camera,QD,四 位移检测部分,D,Motion contro
7、l,四相限光电探测器,双色分光镜,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,19,Laser,CCD camera,QD,Motion control,五 光学显微镜,D,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,20,Laser,CCD camera,QD,Motion control,光镊系统结构示意图,D,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,21,光镊系统实物,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,22,光镊的校准,光镊的校准对象是光镊技术所探测的位移和力。先对已知尺度如显微镜标尺进行测量,计算出测量量与标准尺度的转换系数
8、,完成位移标定。使用CCD摄像机做位移测量时,被探测小球成像 半径与CCD像素尺寸之比 与探测精度有关。,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,23,光镊的校准,对力的标定分为对水平阱力和轴向阱力的标定。水平阱力的标定通常使用流体力学的方法,认为小球在介质中受到的粘滞力为： F = 6rv （Stokes 公式）此力使小球偏离光阱中心位置,从而产生光阱恢复力。当粘滞力与光阱恢复力相等时小球的位置为平衡位置, 测量此时的位移, 可求出光阱的刚度为： k = 6rv/ x,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,24,光阱力的测量 光镊微小力的探针,光镊不但可以捕
9、获和操控微粒，也可以作为力的探针，用于测量作用在微粒上的力，其精度可达到皮牛(pN)量级。意义：在生物大分子的水平上，生命过程表现为物体的运动，其运动特性与它们的结构和功能密切相关，所以定量地测量分子间的作用力为研究生命活动奠定了基础。,2008-4-2,24,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,25,2008-4-2,25,当光阱中的小球受到外力作用时，同时受到一个与之大小相等，方向相反的光阱力F与之平衡。光阱效率、光功率同光阱力的关系为： F=Q n1 P/ c 其中Q为光阱效率，n1为周围介质折射率，P为激光效率，c为真空中的光速。对于一定的介质与光功率，光阱力与光阱
10、效率成正比。,光阱力的测量,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,26,2008-4-2,光阱效率与小球位移的理论关系曲线,光阱效率与以小球位移成正比（在小球半径范围内）,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,27,2008-4-2,27,因光阱力正比于光阱效率，故在小球半径范围内，光阱恢复力与小球位移成正比 F = - kx 其中，x 为小球的位移，k 为光阱的刚度。因而在知道光阱刚度后，通过测出粒子偏离光阱中心的距离x，即可得出粒子在不同位置所受光阱力的大小。,光阱力的测量,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,28,光镊的操控技术,光
11、镊的基本操作功能是对微小粒子的捕获和操控。捕获即夹持物体；所谓操控，就是使目标物体与所在环境实现相对运动，将捕获的目标物体挪动到新的目的地。,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,29,光镊在横向（X-Y）操控微粒,被捕获的粒子不动,背景粒子跟随样品台移动。（箭头表示背景的运动方向）,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,30,光镊在纵向（Z）操控微粒,左侧粒子被光阱捕获，微调物镜，被捕获粒子也随物镜移动；右侧粒子没有受到光阱的控制，不随物镜一起运动，其图像逐渐变得模糊。,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,31,光陷阱效应和阱域,阱域R
12、：粒子开始自动滑入至光镊中心的受力范围。,光镊技术的应用,鲁华菲 王学瑛,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,33,细胞水平,应用,分子水平,纳米光镊技术,光镊技术在细胞水平上的应用,鲁华菲 90513116,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,35,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,36,功能一：细胞的捕获与分离,正常状态下的人红细胞,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,37,1：被捕获 2：未被捕获,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,38,样品池移动方向,1：固定不动2：移动,2008-
13、4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,39,圆圈：Woronin body十字：光镊陷阱的方向,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,40,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,41,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,42,红细胞测量红细胞膜的弹性,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,43,红细胞,细胞膜的弹性跟溶液的浓度有关将小球附着于血红细胞膜上一点，拉起这一点 暴露血影蛋白，对其研究,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,44,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,4
14、5,聚苯乙烯小球抗体,脂酶体抗原,抗原抗体结合强度,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,46,抗原抗体结合强度,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,47,细胞的捕获与分离,研究细胞的应变能力,促进细胞融合,细胞水平,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,48,功能三：促进细胞融合,光镊技术牵引和固定细胞辅助技术,纯度高、目的性强,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,49,纳米光镊技术,光镊技术在生物大分子中的应用,王学瑛 90513114,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,51,纳米光镊的装置,
15、根据具体应用要求在配置上会有所变化如：双光镊或多光镊,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,52,纳米光镊的特点,微米粒子手柄,生物分子,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,53,纳米光镊的特点,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,54,光镊技术在生物大分子中的应用,一 光镊技术的优点二 简单原理三 举例四 医学应用五 展望,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,55,一 光镊技术的优点,1 捕获操纵的微粒小2 没有机械损伤3 遥控4 穿透，无菌5 非刚性，测微小作用力,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲
16、 郭佳,56,光镊技术在生物大分子中的应用,一 光镊技术的优点二 简单原理三 举例四 医学应用五 展望,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,57,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,57,二 简单原理,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,58,光镊技术在生物大分子中的应用,一 光镊技术的优点二 简单原理三 举例四 医学应用五 展望,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,59,三 举例,1 分子马达力学特性的研究2 蛋白质折叠与去折叠动力学过程3细胞骨架力学性质的研究4 核糖核酸的H折叠与去折叠,2008-4-2,光镊
17、技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,59,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,60,1 分子马达力学特性的研究,驱动蛋白和微管的相互作用,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,60,三 举例,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,61,1 分子马达力学特性的研究,肌球蛋白和微丝的相互作用,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,61,三 举例,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,62,1 分子马达力学特性的研究,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,62,RNA聚合酶的转录,三 举例,2
18、008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,63,2 蛋白质折叠与去折叠动力学过程,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,63,三 举例,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,64,3细胞骨架力学性质的研究,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,64,三 举例,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,65,4 核糖核酸酶H折叠与去折叠,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,65,三 举例,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,66,光镊技术在生物大分子中的应用,一 光镊技术的优点
19、二 简单原理三 举例四 医学应用五 展望,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,67,四 医学应用,基因治疗,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,67,物理方法生物化学方法,显微注射法穿孔法颗粒轰击技术等等,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,68,四 医学应用,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,68,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,69,光镊技术在生物大分子中的应用,一 光镊技术的优点二 简单原理三 举例四 医学应用五 展望,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,70,五
20、 展望,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,70,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,71,参考文献,1 光镊技术在生命科学研究中的应用 李刚，齐跃峰 光学与光电技术2普通方法光镊在基因治疗中的实现 杨 黠 四川理工学院物理系3近十年来光镊研究的进展 李银妹 操传顺 科学通报4激光光镊技术在单细胞单分子科学中的应用研究 朱杰 孙润广 激光杂志2005 年第26 卷第6 期5 周辉,李先锋等.单光镊技术测量红细胞膜弹性新方法的建立.生物化学与生物物理进展2001，28(6)6 朱杰,孙润广.激光光镊技术在单细胞、单分子科学中的应用研究.激光杂志2005 ,
21、6(6)7李银妹,楼立人.纳米光镊技术新兴的纳米生物技术.激光与光电子学进展2003，1(40)8王瑞丽,张加春.激光光镊对生物体的光操纵研究.中国激光2000,10(27)9Graham D. Wright, Jochen Arlt. Optical tweezer micromanipulation of Wlamentous fungi.Fungal Genetics and Biology 44 (2007) 11310Fang-lin Mao, Qi-rong Xing.Optical trapping of red blood cells and two-photonexcitation-based photodynamic study using a femtosecond laser.Optics Communications 256 (2005) 35836311Jennifer E. Curtis, Brian A. Koss, David G. Grier.Dynamic holographic optical tweezers.Optics Communications 207 (2002) 169175,2008-4-2,光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,71,THANKS,王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳,
