光镊技术在生物细胞及生物大分子中的应用研究_窦红星
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光镊原理及其应用页数:5
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光镊原理教学提纲页数:11
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2013年西安交通大学《生物医学光子学》课件合集页数:103
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光镊技术在生命科学研究中的发展与应用
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第 １ 期
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光镊技术在生物医学中的应用
光镊技术在生物医学中的应用生物医学是一个极其复杂的领域，涉及到许多微观细节和生物过程。
光镊技术是一种重要的研究工具，可以帮助生物学家更好地理解生命的奥秘和开发新的治疗方法。
在这篇文章中，我们将讨论光镊技术在生物医学中的应用，包括单细胞操作、蛋白质相互作用的研究和疾病诊断方法的改进。
光镊技术可以被用于对单细胞进行操作。
在过去，科学家们仅仅可以通过观察整个组织的反应来了解其内在细节。
现在，在光镊技术的帮助下，科学家们可以通过操纵单个细胞来探究其内在运作机制。
这项技术的原理是将激光束聚焦到微小点上，由此产生一个光纤光子的光场。
光镊光源的光功率足以破坏生物分子以达到所需的目的。
同时光镊光的强度足以产生分子的光热效应，从而使分子可以被直接操作。
光镊光可以控制细胞的运动，修剪细胞的形态，或者直接操纵分子组合。
这项技术的实现需要对光学、光器件等多个领域的研发，其中光学设备的稳定与一致性是该技术最主要的挑战。
光镊技术还可以被用于研究蛋白质相互作用。
蛋白质是生命体的重要构成部分，它们对生物体内的各种化学反应起着关键作用。
光镊技术可以将单个蛋白质放置在另一个蛋白质上，并通过光钳的力和位移来操纵它们的关系和作用。
如一个光镊光束的施加可以拉扯两个分子，从而使分子互相顶打会引起一些化学反应，可以通过这种方式来了解分子间的互作用机制。
这种技术对于人类的疾病诊断和治疗方案的设计非常有益。
光镊技术也被用于改进疾病诊断。
传统的疾病诊断方法需要取样及化验，周期长、有侵入性等问题限制其普适性。
而光镊技术通过光激发来激发被检测样品试剂或材料在发光或者荧光，从而可以检测样品内部的生物化学变化。
这项技术可用于实时监测某些疾病，以及诊断人体内部有哪些环境偏差或各类故障。
光镊技术可以通过发射激光束直接照射肿瘤细胞，并通过荧光技术实时检测缺损的部位，从而辅助医生对肿瘤的监测和诊断。
同时，该技术还可以用于病毒检测、药物筛选和生物高分辨成像等方面。
光镊技术在生命科学研究中的应用
光镊技术在生命科学研究中的应用
光镊技术是一种重要的生命科学研究手段，它利用激光束产生的光学势能对生物大分子进行操纵和测量。
光镊技术具有无创、高精度、高效率、高灵敏度等优点，广泛应用于生命科学领域的基础研究、药物研发、生物医学工程等方面。
在基础研究中，光镊技术常常用于研究蛋白质、核酸、细胞等生物分子的结构、功能、相互作用等方面。
通过光镊技术，可以精确地控制生物分子的位置、方向、力度等参数，实现对其单个分子的操作和测量。
例如，利用单分子光镊技术，可以研究蛋白质在生物体内的定位、构象变化和功能调控等问题，进而揭示生物分子的分子机制和生理功能。
在药物研发方面，光镊技术可以用于筛选和优化药物分子的作用机制和效果。
例如，利用蛋白质光镊技术，可以对药物分子与靶蛋白之间的结合作用进行精确测量，从而评估药物的亲和力、特异性和效能等性质。
这对于药物研发的精准化和高效化具有重要的推动作用。
在生物医学工程方面，光镊技术可以用于开发生物成像、细胞操作和组织修复等新技术。
例如，利用光镊技术，可以对细胞和组织进行非侵入式的操作和标记，实现对其内部结构和功能的研究和调控。
这对于生物医学领域的疾病诊断、治疗和康复等方面具有重要的应用价值。
总之，光镊技术在生命科学研究中具有广泛的应用前景和潜力，将为人类健康和生命科学的发展做出重要贡献。
光镊技术在生命科学中的应用前景
光镊技术在生命科学中的应用前景随着科学技术的不断进步，许多新的技术在不断诞生并应用到各个领域中。
其中，光镊技术便是生命科学中应用广泛的一种技术。
光镊技术是一种将光束和微型机械加工技术相结合的新型技术，其作用是利用光束对微米甚至纳米级别的生物分子进行操控。
在生命科学研究中，光镊技术可以用于分子分离、分析、定位以及微纳制造等方面，目前已成为了生物分子操控的一项重要技术。
一、光镊技术在生物靶点药物研发中的应用光镊技术在生物靶点药物研发中的应用十分广泛。
其作用是通过改变药物分子结构和成分来提高药物的稳定性和成活率。
此外，光镊技术还可以通过光引发的药物控制释放，有效控制药物的剂量和释放时机。
这种技术的应用使得药物的研发效率大大提高，可以更加精准地制订靶点药物研发方案。
二、光镊技术在基因编辑中的应用基因编辑是目前生物学领域中非常热门的研究课题，旨在通过对基因序列的修改来改变生物体的一些特性。
而光镊技术在基因编辑中的应用则是使得基因编辑更加方便和快速。
通过使用光镊技术，研究人员可以精准地改变基因序列，进行高效的基因编辑。
这种技术的应用使得基因编辑的效率得到了大幅提升，可以更加完善地开展基因编辑研究。
三、光镊技术在细胞成像中的应用在生命科学研究中，细胞成像是十分重要的一个环节。
而光镊技术可以通过对细胞进行精确的控制，使得细胞成像更加清晰和准确。
通过使用光镊技术，研究人员可以对细胞的实时动态进行观察和记录，并且可以控制细胞的移动、参与反应等过程。
这种技术的应用让细胞成像在生命科学研究中发挥了更加重要的作用。
四、光镊技术在单细胞组学中的应用在单细胞组学研究中，研究人员需要精确地针对单个细胞进行研究，从而探究基因调控和代谢网络等相关机制。
而光镊技术可以通过对单个细胞的操控和诱导，使得单细胞组学研究更加完善和深入。
通过使用光镊技术，研究人员可以对单个细胞进行操作，包括进行药物的注射、电击、脉冲处理等。
这种技术的应用可以更好地开展单细胞组学研究，实现对单个细胞特性的深入研究。
光镊技术在单细胞分离中的应用
光镊技术在单细胞分离中的应用随着生物技术的飞速发展，单细胞分离成为了分子分析和功能研究的基础。
而光镊技术则成为了实现单细胞分离的重要手段之一。
光镊技术，即利用激光束产生的电磁场对物质进行捕捉或操纵。
本文将探讨光镊技术在单细胞分离中的应用。
一、光镊技术的基本原理光镊技术基于物质与电磁场的相互作用。
激光束在空间中产生电磁场，将物质吸引或排斥，实现对物质的精确捕捉和操纵。
光镊技术中常用的激光是Nd:YAG激光，其波长为1064纳米，能够穿透许多生物材料。
通过控制激光束的强度、位置和形状，可以实现对细胞和分子的高效、精确操控。
二、光镊技术在单细胞分离中的应用1. 单细胞分离单细胞分离是生物医学研究中最基础的研究方法之一。
其重要性在于研究某些细胞群落中的单个细胞，从而识别细胞类型、分离纯化、测量基因表达和蛋白质活性等。
传统的单细胞分离技术主要有化学和力学方法，但这些方法存在不可避免的细胞损伤和操作难度大的问题。
因此，基于光镊技术的单细胞分离方法成为了研究人员的选择。
通过调整激光束的功率、位置和形状，可以实现对单个细胞的高效、精确的抓取和定位，实现单细胞分离。
2. 单细胞修饰在一些研究中，需要对单个细胞进行特定基因的修饰，以研究其对特定疾病或生理现象的影响。
基于光镊技术的单细胞修饰方法，可以实现对单细胞特定基因的定向修饰。
在激光束作用下，通过光致基因转染和CRISPR/Cas9系统的组合，可以将外源基因和定向核酸酶引入单细胞，完成定向修饰。
3. 单细胞检测在分子分析研究中，对单个细胞分子表达水平的检测非常重要。
基于光镊技术的单细胞检测方法，可以实现对单个细胞的高灵敏度检测。
通过激光束的捕捉和操纵，将单个细胞置于检测区域内，再通过基于PCR或质谱分析等检测方法进行分析，实现对单个细胞分子表达水平的检测。
三、光镊技术在单细胞分离中存在的争议虽然光镊技术在单细胞分离中具有许多优势，但也存在一些争议。
首先，其成本较高，需要高端激光器和高精度的显微镜系统。
光纤光镊在生物系统中的应用
光纤光镊在生物系统中的应用刘晓帅;李宇超;辛洪宝;张垚;李宝军【摘要】对生物细胞及大分子进行无接触、无损伤、高精度的捕获及操控,是目前集成光子学、生物光子学及临床医学等交叉学科领域的国际研究热点之一。
本文总结了目前光纤光镊在生物系统中的重要应用,特别是光纤光镊在单细胞操控、多细胞组装及生物细胞成像与探测领域的研究进展。
因其具有制备简单、可操控及体积小等优点,光纤光镊在细胞生长、组织分化、疾病诊断与断层显微术等领域具有潜在的应用价值。
【期刊名称】《安庆师范大学学报：自然科学版》【年(卷),期】2019(025)001【总页数】6页(P4-9)【关键词】光纤光镊;生物光波导;光流操控【作者】刘晓帅;李宇超;辛洪宝;张垚;李宝军【作者单位】[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443;[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443;[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443;[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443;[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443【正文语种】中文【中图分类】O439早在4个世纪以前，著名天文学家开普勒就指出，彗星尾巴偏离太阳是由于太阳辐射压的作用。
1970年，美国贝尔实验室科学家Askin等采用514.5 nm的连续激光实现了对直径为2.68µm的微球进行加速、迁移和分离等操作[1]，进而制备了单聚焦光束的三维势肼，并应用于微粒及细菌的稳定三维操控[2]。
光操控如同微观世界的一把镊子，被形象地称为“光镊”。
基于对光操控的开创性工作，Askin教授被称为“光镊之父”，也因“光学镊子及其在生物系统中的应用”而荣获2018年的诺贝尔物理学奖。
鉴于光操控具有操控范围广、精度高、灵活性好、无损伤及无接触等优点，其一经发明，便引起了研究人员的广泛关注，并被应用于生物、医药及化学等领域的研究。
但传统光镊系统使用高数值孔径的透镜实现光束强聚焦，这导致其工作距离较短，因而它难以深入到生物样品内部进行物体操控。
光镊系统及其在生物学中的应用的开题报告
光镊系统及其在生物学中的应用的开题报告摘要：光镊系统是一种基于光学原理的微小操作工具，可以实现对单个细胞或分子的操作。
本文阐述了光镊系统的原理、组成和工作方式，并介绍了在生物学中广泛运用的光镊技术，包括光镊拔出法、光镊注射法和光镊割断法。
最后，本文总结了光镊技术在生物学研究中的应用前景和潜力。
关键词：光镊系统；光镊拔出法；光镊注射法；光镊割断法；生物学应用引言：生物学研究中，微小操作对于探索分子和细胞级别的生物过程具有重要意义。
传统的微小操作工具，如微管、荧光显微镜等，具有操作精度低、操作难度大等缺点。
近年来，光镊系统作为一种新兴的微小操作工具，具有操作精度高、操作难度小等优点，逐渐成为生物学研究中的一个热门领域。
正文：一、光镊系统的组成和工作方式光镊系统通常由激光、显微镜、光学镊子和图像处理系统等组成。
主要原理是利用激光束的高能量打穿目标物质并将其固定，再利用光学镊子进行操作。
光镊系统的工作方式包括三个步骤：第一步是激光束的打穿。
激光经过物质时能够使其发生光热效应，使物质局部温度升高，进而发生膨胀，形成微小气泡。
同时，激光还会使物质形成等离子体，使物质被电离，从而产生电荷和场强。
这些效应对细胞和分子物质非常敏感，可以用来对细胞和分子物质进行定点打穿。
第二步是利用光学镊子进行操作。
光学镊子采用光学原理，通过束缚、偏转或吸附等方式将物质固定在一个特定位置，同时还可以通过调整激光束的焦距等参数来精确控制移动方向。
一般情况下，光镊的尺寸在几个微米到几个纳米不等。
第三步是图像处理。
图像处理是光镊系统的一个重要环节，可以对采集到的图像进行处理和分析，从而获得定量的结果。
通常采用计算机进行图像处理分析。
二、光镊技术在生物学中的应用1.光镊拔出法光镊拔出法是利用光学镊子对细胞或分子物质进行定点抛出的过程。
在细胞和分子水平上，光镊技术可以用于解剖、分离和重组细胞器和分子；在生物医学和遗传学方面，光镊可以用于修补DNA、调节基因表达等方面。
光镊技术在单细胞操作与分析中的应用
光镊技术在单细胞操作与分析中的应用近年来，随着单细胞研究的发展和进展，光镊技术作为一种强大的工具，被广泛应用于单细胞的操作与分析中。
光镊技术通过利用激光束对细胞进行非接触性操作，可以精确地捕捉、移动和操纵单个细胞，为研究者提供了一种独特的实验手段。
本文将重点介绍光镊技术在单细胞操作与分析中的应用领域，并对其在细胞生物学、医学和生物制造等方面的进展进行阐述。
在细胞生物学领域，光镊技术被广泛用于单个细胞研究、细胞分裂和细胞移动等方面。
通过操纵和定位单个细胞，研究人员可以研究细胞的结构和功能以及各种生理过程。
例如，在细胞生物学中，人们可以利用光镊技术精确地操纵细胞器（如线粒体、高尔基体等）的位置，以研究其对细胞功能的影响。
此外，光镊技术还可以用于探索细胞与其周围环境之间的相互作用，例如细胞和细胞之间的黏附力和力的测量。
这些研究为我们深入了解细胞行为以及细胞间相互作用的机理提供了重要的手段。
在医学方面，光镊技术在单细胞操作与分析中的应用也日益受到关注。
通过光镊技术可以对单个细胞中的生物分子进行操纵和检测，从而有助于早期疾病的诊断和治疗。
例如，科学家们可以利用光镊技术将荧光探针引入单个细胞，以检测病原体感染或异常细胞的存在。
此外，光镊技术还可以用于单细胞的基因编辑，如CRISPR-Cas9技术的应用。
通过操纵单个细胞的基因组，研究人员可以研究基因功能以及基因与疾病之间的关系。
这些应用为个性化医学和精准治疗提供了重要的工具和理论基础。
除了在细胞生物学和医学领域的应用之外，光镊技术在生物制造中也有着重要的应用价值。
生物制造是一种利用生物技术来生产新材料、药物和能源的方法。
通过光镊技术，研究人员可以在单细胞水平上操作微生物，如细菌和酵母等，以改变其代谢产物的合成和分泌。
这种精细的细胞操作可以提高生物制造的效率和产品质量，并为生物医药、能源和环境领域的应用提供技术支持。
例如，在生物制药领域，光镊技术可以用于单细胞的药物筛选和高通量菌株的优化，从而加速新药的发现和开发过程。
基于光镊技术的细胞操作及其应用
基于光镊技术的细胞操作及其应用光镊技术是一种利用激光束束焦点对物体进行操作的技术，它可以在亚微米尺度上操作物体，因此在生命科学领域得到了广泛的应用。
其中，基于光镊技术的细胞操作是一种非常重要的应用，可以帮助科学家们更深入地研究生命体系的各个方面。
一、光镊技术的基本原理光镊技术的基本原理是利用激光束的聚焦效应，将激光束在一个非常小的区域内集中，形成光学镊。
通过控制激光束的强度和位置，可以在这个区域内对物体进行吸附、推动、切割、粘连等各种操作。
二、基于光镊技术的细胞操作在生命科学领域，细胞是一个非常重要的研究对象。
而基于光镊技术的细胞操作可以为研究者们提供一个非常好的手段，使他们能够对细胞内部结构和活动进行更加精细的控制和观察。
1. 细胞位置精确定位利用光镊技术，可以对细胞进行非常精确的定位和移动。
科学家们可以利用激光束将细胞吸附到设置的位置上，或者将细胞推动到指定的位置，进而研究细胞的形态变化和结构。
2. 细胞内部结构操作利用光镊技术，可以对细胞内部的结构进行操作。
例如，可以将某些细胞器或分子从细胞内部移动到指定的位置上，或者将某些细胞器或分子从细胞内部移除，进而了解其在细胞活动中的作用。
3. 细胞活动控制通过光镊技术，可以对细胞的活动进行控制。
例如可以利用激光束激励细胞内部某些分子的活动，或者抑制某些分子的活动，从而研究细胞活动中的机制和过程。
三、基于光镊技术的细胞操作的应用基于光镊技术的细胞操作已经被应用在许多领域，包括细胞生物学、生物医学、生物化学等。
其主要应用包括：1. 细胞研究基于光镊技术的细胞操作可以帮助科学家们更深入地研究细胞的结构和功能，如细胞内部运作机制，细胞间相互作用机制等。
2. 细胞治疗通过使用光镊技术，可以对细胞进行某种形式的治疗。
例如，利用激光束对细胞进行定位或移动，可以帮助细胞在某些治疗中达到最佳状态。
3. 内窥镜手术利用内窥镜手术可以帮助医生们更加精准地进行手术操作，减小手术创伤。
激光光镊对生物细胞操纵的研究
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收稿 日期 ：０ ２—０ ２０ ６～１ 作 者 简 介 ： 天 淳 （９ ４～ ）女 ， 苏常 州人 ， 师 ， 要 从 事 生 物 物 理 教 学 与 研 究 。 ２ 朱 １６ ， 江 讲 主
利 用 光 镊 实 现 对 生 物 微 粒 的 操 纵 。 方 法 利用激光 陷阱技术 ， 用激 光器 、 生物 显微 镜 、 Ｃ Ｃ Ｄ传感器
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图3 细胞在2天、7天时的作用力-拉伸长度关系曲线
在光镊测量红细胞膜弹性新方法的建立一文中报道了利用单光束光镊测量 红细胞膜弹性，并且测量了不同浓度氧化苯砷(PAO)处理过的红细胞膜弹性，测 量结果表明浓度与膜弹性之间有明显的线性关系，即随着PAO浓度的增加，膜弹 性模量增加，膜弹性下降[14]。 实验中计算细胞膜的剪切弹性模量公式[4,15]为：
F 6 r
(2)
式中 为液体相对于捕获小球的速度，r 为小球的半径， 为流体的粘滞系数。 理论上，在给出了小球半径和可测量的 后，当小球被稳定的捕获时，作用
2
在微球上的作用力根据上述公式(2)可计算出[4]。 小球在光阱中服从 Boltzman 分布，定标系统的空间分辨率为纳米量级，结 论可用于分析实际的生物细胞在光阱中的运动[5]，把生物细胞看做理想小球给实 验计算带来了很大的方便。
4.2 光镊在生物大分子上的应用研究
为了操纵一个生物大分子， 往往将两个涂有肌浆球蛋白的聚苯乙烯小球黏在 生物大分子的两端，称其为“手柄” ，通过光镊捕获和操纵小球来达到操控生物 大分子的目的。 日本学者[16]将0.02um宽、16um长的单链DNA分子成功扭转、打结，打结的 DNA分子比肌动蛋白还强壮，这一技术可用于缝合细胞或神经的细微手术。庄 晓薇[17]用光镊解开了DNA分子的缠绕，对生物大分子的折叠构想进行了深入的 研究。Mihardja等人利用光镊系统拉伸单根核小体，研究了DNA与组蛋白之间的 相互作用。K Svoboda、J T finer等人[18,19]利用光镊技术对动力原蛋白运动机制进 行了研究。 T T Perkins等人[20]对DNA聚合链特征性运动对生物材料的粘弹性影响 及DNA凝聚过程进行了探索。Bustmante等[21]研究了单个DNA分子的非线性弹性 拉伸应变的静力学特性。 M.Manosas等人[22]通过光镊在小范围的作用力对RNA 分子的伸展进行了研究。 同时，沈为民、李银妹等人[23]已经建立了用光镊直接测量生物大分子间结 合强度的方法，并结合脂酶体重重建技术对抗体与抗原的结合力进行了实验测 量， 在单分子水平上提供了一种可行的直接测量手段，该方法有望推广到其他的 生物大分子体系的力的测定。 染色体是生物体重最重要的遗传载体，它是由DNA、RNA、组蛋白和非组 蛋白以特殊且复杂的方式构成的， 对大分子的操纵为解开遗传物质和细胞骨架带 来了希望, 同时在分子水平找到了揭开生命基本现象的新路径。 同时光镊技术应
H
1 F 125 aB
(3)
在血液流变学中， 红细胞的形变能力是一个很重要的因素，红细胞的形变能 力是结合了红细胞的力学和几何特征的结果。 红细胞膜的弹性反映了红细胞变形 通过毛细血管的能力和向组织器官输送氧气的能力， 同时红细胞的形变能力可作 为一个标准去测试血液是否适合输送给病人，因此成为生物学、医学考察血液输 氧能力的重要指标。
4
用于生物大分子的研究，为人类探寻生命现象的核心物质的结构、功能、生理过 程打开了新的一扇门，展示了他的美好前景。
5.光镊结合其他技术在生物上的应用研究
光镊由于其可对多个微小粒子进行复杂操控的特点以及飞速的发展， 在其本 身的技术研究受到越来越多关注的同时， 也在不断开拓与其他领域技术结合的应 [24] 用 。 5.1 光镊与高空间分辨率技术的结合 光镊与具有高空间分辨率本领的技术结合， 使之具备了更精细的结构分辨能 力和动态操控能力，目前，国际上Coirault. C等人[25]已成功地将原子力显微镜和 光镊技术相结合，为研究生物分子提供了更准确、更可靠的方法。 5.2 光镊与光刀的结合 光镊与光刀的配合装置， 可以进行高选择性的细胞融合。光镊用来挑选待融 合的特定细胞，并把它们拖到一起相互接触，再用光刀作用于二者的接触面，诱 发细胞融合，这种方法的融合产物具有高的纯度[26]。Seeger 等人[27]利用光镊和 光刀偶联实现了染色体的精细切割和高效收集及植物原生质的融合。 同时还可实 现细胞的切割，是生物微粒进行微操控和微加工的理想手段。此外，激光操纵细 胞技术是当前最先进的转基因技术，利用光镊和光刀将 DNA 导入细胞而实现基 因转移，可大量节约资源，缩短转基因时间，提高成功率。光镊与光刀的结合在 免疫学、分子遗传学中的研究发挥着巨大的作用。 5.3 光镊与测量技术的结合 光镊可以作为一种操控技术与其他测量技术如微弱荧光探测技术、 拉曼光谱 [28] 测量技术结合。赖钧灼等人 利用光镊拉曼光谱系统单个细胞的成分和生化过 程进行了有效的分析。梁裕芬等人[29]应用光镊拉曼光谱技术比较分析阴道毛滴 虫和口腔毛滴虫的拉曼吸收峰， 寻找具有分类学鉴别价值的特征拉曼峰，该方法 是简便、快捷、有效地鉴别了两种人体毛滴虫的新方法。光镊与测量技术的结合 可以获得生物样本更充分的信息。 5.4 光镊与强聚焦激光的结合 利用单束强聚焦激光产生的光学力可以驱动微型器 件，具有无机械接触和无需导线等优点，为微型机电系统 提供了一种新型的驱动方式。Higurashi利用表面微加工工 微转子的形状如图 艺加工出特定外形结构的微型转子[30]， 4所示的万字形结构，并且利用光镊装置实现了对微转子 的俘获，并在激光功率50mW时实现了转速为200rpm的光 致旋转。微型转子的光致旋转为实现微机械马达提供了一 种有效手段
2.光镊的基本装置
光镊系统通常是由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移 检测传感部分和传统光学显微镜组成,再配上CCD和计算机,用来观察、 监测和记 录实验过程[3]。光镊的简易结构如图1所示。
基金项目:国家自然科学基金项目(No. 50875232)资助。
1
图1 光镊实验装置简易图
4.1.1 对细胞操控的研究 光镊能够操控细胞使其稳定地停留在样品池中，以供研 究者观察。1987年，A.Ashkin和J.M.Dziedzic[6] 用光镊对细菌 进行了捕获和操作。燕山大学吕巍等人[7]在毛细管中对生物 细胞进行了光微操纵实验，如图2所示，实现了光镊沿光束纵 向和横向操作毛细管中的生物细胞，同时也体现了光镊可间 接操纵微粒。 光镊操控细胞，可以高选择性的分选细胞或细胞器[8]。 目前，研究者已经建立了一套分选单条染色体的实验方法， 为基因测序提供了更有效、更准确的方法。 同时光镊还可用来测量细胞表面的电荷[9]，因为细胞表 图 2 光镊操纵毛面电 与荷细胞的生长和细胞的凋亡有着非常密切的关系。 细管中的酵母菌细胞 4.1.2 对细胞应变能力的研究 细胞内部的应变能力在通常情况下是很难用显微镜观察到的, 单一的生理 学或者形态学参数很难定义细胞的生存能力。 光镊是对活体细胞进行非侵入微观 操纵的有利工具, 能够诱导细胞产生应变。 其发出的近红外连续激光能够诱导线 虫类C.elegans发生应变。根据C.elegans 特殊的应变能力,发现在不同的激发波 长、激发功率和照射时间内,C.elegans的应变也各不相同。这种方法可在其他动 植物细胞中进一步推广应用[10]。 4.1.3 对细胞横向光阱力的研究 对红细胞横向光阱力方面的研究[11]，在该研究中以射线光学计算模型为基 础，同时运用类似于求解轴向力的方法[12]，得出了横向力计算公式，对几何尺 寸远大于光波长的米氏球状粒子所受激光微束横向光阱力进行了计算， 计算结果 表明， 粒子只有在小于粒子半径的区域内才能被捕获，而不是在整个粒子半径区 域，实验中还可以测量作用在粒子上力的大小和粒子的运动速度。微粒大小、相 对折射率等对光阱力也产生一定的影响， 适当选取各实验参数可增强微粒的捕获 稳定性。细胞横向力的研究对光镊的理论有进一步的指导意义。 4.1.4 对细胞膜弹性的研究 对红细胞膜弹性方面的研究，细胞贮藏在 40 C 的Alsever的溶液中，光镊捕获 依附在细胞上的聚苯乙烯，通过移动样品台拉伸细胞，获得了分别贮藏2天，5 天，7天和14天的红细胞的作用力—拉伸长度相关曲线，如图3所示给出了2天跟7 天的曲线图，从图中可知红细胞的形变会随着贮藏时间而降低[13]。
激光光源为半导体激光器， 激光光束经显微镜内的一片双向分束器反射，进 入100倍油浸物镜，再会聚到观测点上形成光镊；一个极敏感的CCD摄像机，图 像被CCD摄像机准确的时间记录及电脑显示。样度运动，通过控制自动平 台使被捕获粒子相对于样品池移动，从而实现对粒子的操控，所有的观察和测量 都是在实验室的室温下进行的。 由光镊的基本装置可看出，光镊可“遥控”地捕获和操作微米量级的微粒， 不会对其产生机械损伤、 干扰其周围环境及它的正常活动，是生物微粒静态和动 态力学特性的理想研究手段，对生物分子行为的研究具有重要的意义。
3.生物分子中光阱力的一般标定法
由于光镊可以捕获、移动细胞或细胞器，而对它们的损伤极其微小，所以光 镊是研究生物样品力学特性的方便工具。 下面简介光镊在生物分子上光阱力的一 般标定法。
3.1 当被捕获的小球中心和光学势阱中心的距离接近瑞利范围内时， 光镊作用在
捕获物体上的作用力跟距离成比例，即：
F k x
1.引言
1986 年 Ashkin 等人[1]提出了利用光压操纵微小粒子的概念，把单光束激光 引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱， 并证明在不影响周围环境的条件下可 对捕获物进行亚接触、无损伤操作，这种微操纵手段称为光镊。 光镊的出现为生物学领域中细胞及大分子的研究带来了前所未有的操纵手 段。 由于光具有穿透性， 可以无损伤地穿过封闭系统的透明表层来操控内部微粒， 也可穿过封闭的样品池的透明外壁，操控池内微粒，实现无菌操作。此外，光镊 对微粒的操控不是刚性的，它可以在操作过程中实时测量微粒间pN量级的微小 作用力， 而且光镊具有微米量级的精确定位, 这样, 光镊可用于生物分子的精确 控制,非常适合于生物细胞和亚细胞层次结构的研究。 目前， 光镊已经在生物分子的操控和生物分子的动力学研究方面发挥了巨大 的作用。 面对生命科学的重大需求，光镊技术正逐步成为研究活体生物功能内在 机制和疾病诊断、治疗的重要工具[2]。因此，本文将光镊的基本装置及在生物分 子中的应用作简单介绍与系统地综述，希望起到抛砖引玉的作用。
图3 细胞在2天、7天时的作用力-拉伸长度关系曲线
在光镊测量红细胞膜弹性新方法的建立一文中报道了利用单光束光镊测量 红细胞膜弹性，并且测量了不同浓度氧化苯砷(PAO)处理过的红细胞膜弹性，测 量结果表明浓度与膜弹性之间有明显的线性关系，即随着PAO浓度的增加，膜弹 性模量增加，膜弹性下降[14]。 实验中计算细胞膜的剪切弹性模量公式[4,15]为：
F 6 r
(2)
式中 为液体相对于捕获小球的速度，r 为小球的半径， 为流体的粘滞系数。 理论上，在给出了小球半径和可测量的 后，当小球被稳定的捕获时，作用
2
在微球上的作用力根据上述公式(2)可计算出[4]。 小球在光阱中服从 Boltzman 分布，定标系统的空间分辨率为纳米量级，结 论可用于分析实际的生物细胞在光阱中的运动[5]，把生物细胞看做理想小球给实 验计算带来了很大的方便。
4.2 光镊在生物大分子上的应用研究
为了操纵一个生物大分子， 往往将两个涂有肌浆球蛋白的聚苯乙烯小球黏在 生物大分子的两端，称其为“手柄” ，通过光镊捕获和操纵小球来达到操控生物 大分子的目的。 日本学者[16]将0.02um宽、16um长的单链DNA分子成功扭转、打结，打结的 DNA分子比肌动蛋白还强壮，这一技术可用于缝合细胞或神经的细微手术。庄 晓薇[17]用光镊解开了DNA分子的缠绕，对生物大分子的折叠构想进行了深入的 研究。Mihardja等人利用光镊系统拉伸单根核小体，研究了DNA与组蛋白之间的 相互作用。K Svoboda、J T finer等人[18,19]利用光镊技术对动力原蛋白运动机制进 行了研究。 T T Perkins等人[20]对DNA聚合链特征性运动对生物材料的粘弹性影响 及DNA凝聚过程进行了探索。Bustmante等[21]研究了单个DNA分子的非线性弹性 拉伸应变的静力学特性。 M.Manosas等人[22]通过光镊在小范围的作用力对RNA 分子的伸展进行了研究。 同时，沈为民、李银妹等人[23]已经建立了用光镊直接测量生物大分子间结 合强度的方法，并结合脂酶体重重建技术对抗体与抗原的结合力进行了实验测 量， 在单分子水平上提供了一种可行的直接测量手段，该方法有望推广到其他的 生物大分子体系的力的测定。 染色体是生物体重最重要的遗传载体，它是由DNA、RNA、组蛋白和非组 蛋白以特殊且复杂的方式构成的， 对大分子的操纵为解开遗传物质和细胞骨架带 来了希望, 同时在分子水平找到了揭开生命基本现象的新路径。 同时光镊技术应
H
1 F 125 aB
(3)
在血液流变学中， 红细胞的形变能力是一个很重要的因素，红细胞的形变能 力是结合了红细胞的力学和几何特征的结果。 红细胞膜的弹性反映了红细胞变形 通过毛细血管的能力和向组织器官输送氧气的能力， 同时红细胞的形变能力可作 为一个标准去测试血液是否适合输送给病人，因此成为生物学、医学考察血液输 氧能力的重要指标。
4
用于生物大分子的研究，为人类探寻生命现象的核心物质的结构、功能、生理过 程打开了新的一扇门，展示了他的美好前景。
5.光镊结合其他技术在生物上的应用研究
光镊由于其可对多个微小粒子进行复杂操控的特点以及飞速的发展， 在其本 身的技术研究受到越来越多关注的同时， 也在不断开拓与其他领域技术结合的应 [24] 用 。 5.1 光镊与高空间分辨率技术的结合 光镊与具有高空间分辨率本领的技术结合， 使之具备了更精细的结构分辨能 力和动态操控能力，目前，国际上Coirault. C等人[25]已成功地将原子力显微镜和 光镊技术相结合，为研究生物分子提供了更准确、更可靠的方法。 5.2 光镊与光刀的结合 光镊与光刀的配合装置， 可以进行高选择性的细胞融合。光镊用来挑选待融 合的特定细胞，并把它们拖到一起相互接触，再用光刀作用于二者的接触面，诱 发细胞融合，这种方法的融合产物具有高的纯度[26]。Seeger 等人[27]利用光镊和 光刀偶联实现了染色体的精细切割和高效收集及植物原生质的融合。 同时还可实 现细胞的切割，是生物微粒进行微操控和微加工的理想手段。此外，激光操纵细 胞技术是当前最先进的转基因技术，利用光镊和光刀将 DNA 导入细胞而实现基 因转移，可大量节约资源，缩短转基因时间，提高成功率。光镊与光刀的结合在 免疫学、分子遗传学中的研究发挥着巨大的作用。 5.3 光镊与测量技术的结合 光镊可以作为一种操控技术与其他测量技术如微弱荧光探测技术、 拉曼光谱 [28] 测量技术结合。赖钧灼等人 利用光镊拉曼光谱系统单个细胞的成分和生化过 程进行了有效的分析。梁裕芬等人[29]应用光镊拉曼光谱技术比较分析阴道毛滴 虫和口腔毛滴虫的拉曼吸收峰， 寻找具有分类学鉴别价值的特征拉曼峰，该方法 是简便、快捷、有效地鉴别了两种人体毛滴虫的新方法。光镊与测量技术的结合 可以获得生物样本更充分的信息。 5.4 光镊与强聚焦激光的结合 利用单束强聚焦激光产生的光学力可以驱动微型器 件，具有无机械接触和无需导线等优点，为微型机电系统 提供了一种新型的驱动方式。Higurashi利用表面微加工工 微转子的形状如图 艺加工出特定外形结构的微型转子[30]， 4所示的万字形结构，并且利用光镊装置实现了对微转子 的俘获，并在激光功率50mW时实现了转速为200rpm的光 致旋转。微型转子的光致旋转为实现微机械马达提供了一 种有效手段
2.光镊的基本装置
光镊系统通常是由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移 检测传感部分和传统光学显微镜组成,再配上CCD和计算机,用来观察、 监测和记 录实验过程[3]。光镊的简易结构如图1所示。
基金项目:国家自然科学基金项目(No. 50875232)资助。
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图1 光镊实验装置简易图
4.1.1 对细胞操控的研究 光镊能够操控细胞使其稳定地停留在样品池中，以供研 究者观察。1987年，A.Ashkin和J.M.Dziedzic[6] 用光镊对细菌 进行了捕获和操作。燕山大学吕巍等人[7]在毛细管中对生物 细胞进行了光微操纵实验，如图2所示，实现了光镊沿光束纵 向和横向操作毛细管中的生物细胞，同时也体现了光镊可间 接操纵微粒。 光镊操控细胞，可以高选择性的分选细胞或细胞器[8]。 目前，研究者已经建立了一套分选单条染色体的实验方法， 为基因测序提供了更有效、更准确的方法。 同时光镊还可用来测量细胞表面的电荷[9]，因为细胞表 图 2 光镊操纵毛面电 与荷细胞的生长和细胞的凋亡有着非常密切的关系。 细管中的酵母菌细胞 4.1.2 对细胞应变能力的研究 细胞内部的应变能力在通常情况下是很难用显微镜观察到的, 单一的生理 学或者形态学参数很难定义细胞的生存能力。 光镊是对活体细胞进行非侵入微观 操纵的有利工具, 能够诱导细胞产生应变。 其发出的近红外连续激光能够诱导线 虫类C.elegans发生应变。根据C.elegans 特殊的应变能力,发现在不同的激发波 长、激发功率和照射时间内,C.elegans的应变也各不相同。这种方法可在其他动 植物细胞中进一步推广应用[10]。 4.1.3 对细胞横向光阱力的研究 对红细胞横向光阱力方面的研究[11]，在该研究中以射线光学计算模型为基 础，同时运用类似于求解轴向力的方法[12]，得出了横向力计算公式，对几何尺 寸远大于光波长的米氏球状粒子所受激光微束横向光阱力进行了计算， 计算结果 表明， 粒子只有在小于粒子半径的区域内才能被捕获，而不是在整个粒子半径区 域，实验中还可以测量作用在粒子上力的大小和粒子的运动速度。微粒大小、相 对折射率等对光阱力也产生一定的影响， 适当选取各实验参数可增强微粒的捕获 稳定性。细胞横向力的研究对光镊的理论有进一步的指导意义。 4.1.4 对细胞膜弹性的研究 对红细胞膜弹性方面的研究，细胞贮藏在 40 C 的Alsever的溶液中，光镊捕获 依附在细胞上的聚苯乙烯，通过移动样品台拉伸细胞，获得了分别贮藏2天，5 天，7天和14天的红细胞的作用力—拉伸长度相关曲线，如图3所示给出了2天跟7 天的曲线图，从图中可知红细胞的形变会随着贮藏时间而降低[13]。
激光光源为半导体激光器， 激光光束经显微镜内的一片双向分束器反射，进 入100倍油浸物镜，再会聚到观测点上形成光镊；一个极敏感的CCD摄像机，图 像被CCD摄像机准确的时间记录及电脑显示。样度运动，通过控制自动平 台使被捕获粒子相对于样品池移动，从而实现对粒子的操控，所有的观察和测量 都是在实验室的室温下进行的。 由光镊的基本装置可看出，光镊可“遥控”地捕获和操作微米量级的微粒， 不会对其产生机械损伤、 干扰其周围环境及它的正常活动，是生物微粒静态和动 态力学特性的理想研究手段，对生物分子行为的研究具有重要的意义。
3.生物分子中光阱力的一般标定法
由于光镊可以捕获、移动细胞或细胞器，而对它们的损伤极其微小，所以光 镊是研究生物样品力学特性的方便工具。 下面简介光镊在生物分子上光阱力的一 般标定法。
3.1 当被捕获的小球中心和光学势阱中心的距离接近瑞利范围内时， 光镊作用在
捕获物体上的作用力跟距离成比例，即：
F k x
1.引言
1986 年 Ashkin 等人[1]提出了利用光压操纵微小粒子的概念，把单光束激光 引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱， 并证明在不影响周围环境的条件下可 对捕获物进行亚接触、无损伤操作，这种微操纵手段称为光镊。 光镊的出现为生物学领域中细胞及大分子的研究带来了前所未有的操纵手 段。 由于光具有穿透性， 可以无损伤地穿过封闭系统的透明表层来操控内部微粒， 也可穿过封闭的样品池的透明外壁，操控池内微粒，实现无菌操作。此外，光镊 对微粒的操控不是刚性的，它可以在操作过程中实时测量微粒间pN量级的微小 作用力， 而且光镊具有微米量级的精确定位, 这样, 光镊可用于生物分子的精确 控制,非常适合于生物细胞和亚细胞层次结构的研究。 目前， 光镊已经在生物分子的操控和生物分子的动力学研究方面发挥了巨大 的作用。 面对生命科学的重大需求，光镊技术正逐步成为研究活体生物功能内在 机制和疾病诊断、治疗的重要工具[2]。因此，本文将光镊的基本装置及在生物分 子中的应用作简单介绍与系统地综述，希望起到抛砖引玉的作用。