利用光之力操控細胞，光鑷＂爆冷＂奪下諾貝爾物理學(xué)獎

來源：中國科普博覽

2018年諾貝爾物理學(xué)獎于北京時間10月2日17點50分正式揭曉，發(fā)明光鑷技術(shù)的美國物理學(xué)家，阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），以及開創(chuàng)了啁啾脈沖放大技術(shù)的唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）、 熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）共同分享了該獎項。值得一提的是，唐娜·斯特里克蘭是諾貝爾物理學(xué)獎歷史上第三位女性獲獎?wù)摺?/p>

來源：諾獎官網(wǎng)△斬獲諾獎的三位科學(xué)家肖像

本次物理諾獎結(jié)果揭曉之后，各路觀察家都表示沒有想到，絕對堪稱“黑馬”“大冷門”，很多科研界人士甚至壓根沒聽說過這幾種技術(shù)。不過，在各自的專業(yè)領(lǐng)域，它們都已經(jīng)是科學(xué)家們非常仰賴的工具了。

這兩項成果雖然都歸屬于激光研究領(lǐng)域，但彼此仍然有著較大的區(qū)別。其中的光鑷雖然內(nèi)涵深奧，但其實稍加簡介就能讓普通人建立概念。今天，我們就先試著讓大家了解一下這個能夠以光的力量來操縱細胞的諾獎成就。

光鑷誕生的發(fā)想——光之力

伴隨著上世紀60年代以來激光束流相關(guān)的產(chǎn)生、控制技術(shù)的進展，利用光來操作微小物體的“光鑷”隨之登上了歷史舞臺。阿瑟·阿什金教授曾在貝爾實驗室和朗訊科技公司任職，他很早就開始進行光操控微粒的研究工作，并最終于1986年公開了他的第一代光鑷。

光鑷利用了“光的力”（Photon force/ radiation pressure，可以譯為光壓、輻射壓等等），這是普通民眾并不熟悉的領(lǐng)域。我們已經(jīng)知道光可以協(xié)助動物產(chǎn)生視覺，可以為植物提供能量來源，可以加熱物體。如今，在光的力學(xué)領(lǐng)域也誕生了令世界矚目的成果。

中學(xué)物理中，我們已經(jīng)了解了光同時具有波和粒子的雙重性質(zhì)，所謂波粒二象性。與人體被飛來的棒球擊中后產(chǎn)生沖擊一樣，光的粒子即光子在接觸物體后，同樣會對該物體施加力的作用。

當然，我們沒有被強烈的日光或者探照燈擊倒在地是有原因的，光的壓力大概僅僅在10億分之一到100億分之一牛這個數(shù)量級，所以說能用肉身感受到光壓的人顯然是不存在的。

然而，越是微小的物體，就越容易被微小的力所撼動。例如，紅血球、細菌一類人體細胞或者微生物等等都對光壓非常敏感。來自光的微小壓力可以讓微小的物體在不受到積壓破壞的前提下進行移動。

光鑷是如何讓光操控微粒成為可能的

具體來說，光鑷系統(tǒng)一般由照明光路和控制光路構(gòu)成，照明光路負責(zé)采集成像所需的信號，而控制光路用來控制和限制微小物體的運動?？刂乒饴返暮诵氖菂R聚性能特別好的激光束發(fā)射系統(tǒng)。

來源：公有領(lǐng)域 △光鑷系統(tǒng)示意圖，紅色代表控制光路，藍色代表照明光路，操縱室位于中間，最右側(cè)代表位置測量裝置

我們知道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，這是普通光源所無法實現(xiàn)的。對于所要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(gòu)（稱為三維光學(xué)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(wěn)定點），就會受到指向穩(wěn)定點的恢復(fù)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(xiàn)對微粒的捕獲和操控。

來源：公有領(lǐng)域 △激光匯聚在束流最細處（稱為“光腰”），微粒將在此處被俘獲于三維光學(xué)勢阱

光鑷技術(shù)早已大顯神通

光鑷技術(shù)在生物學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)有了相當廣泛的應(yīng)用，例如將不同細胞擠壓在一起，或者向細胞中注入微量物質(zhì)或者微小物體一類場合，都是光鑷大顯身手的時機。又如在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)常會有區(qū)分水中數(shù)種微小物體的需求，利用光鑷可以將各種物質(zhì)在無損條件下容易地分離，給之后的精密分析創(chuàng)造良好的條件。

此外，在操控的同時，鑒于激光波長良好的穩(wěn)定性和高精度，光鑷還可以同時獲得大量空間測量數(shù)據(jù)。有研究人員利用光鑷測量了驅(qū)動蛋白在微管上行走的距離數(shù)據(jù)，從而推算出驅(qū)動蛋白每走一步的能量正好相當于一個ATP水解所釋放的能量，堪稱光鑷操控性和測量性結(jié)合的絕好案例。

來源：百度百科“驅(qū)動蛋白”條目 △驅(qū)動蛋白在細胞支架上搬運囊泡的示意圖

直到筆者打出“光鑷”兩個字的時候，搜狗輸入法還沒有錄入這個詞組……相信對于絕大多數(shù)人來說，光鑷都是一個相當陌生的概念。光鑷技術(shù)所代表的一系列微操控技術(shù)，的的確確為人類在諸多領(lǐng)域帶來了極為便利的工具。此番斬獲諾獎，雖然出乎大多預(yù)測所料，確也名副其實。相信隨著諾貝爾獎的頒發(fā)，光鑷技術(shù)必然會在世界范圍內(nèi)掀起一股科普風(fēng)潮。