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光学镊子,你需要知道的二三事

作者:上海尤谱光电科技有限公司 来源:本站 发布日期:2019-1-27 14:53:21 点击次数:877

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2018年的诺贝尔物理学奖获得者Arthur Ashkin发明的一个重量级的武器——光镊(Optical tweezer),为人类科技的发展带来了巨大的贡献。"光镊之父" Arthur Ashkin早在1986年就发明了光镊,他的工作核心是利用光学梯度力进行光学捕获和操控小型介质粒子。Ashkin是许多研究的"第一人"——他第一个观察到作用于原子的光学梯度力、第一个实现激光冷却原子的"光学粘胶",同时也是第一个观察到光对原子的捕获现象的人。并且他将光学捕获技术发展到了捕获并操控活体材料——例如细菌、病毒和细胞。将材料"夹"在一定的位置的激光技术被称为"光镊". 通过这项研究,Ashkin 探索了细胞的内部,操控细胞的内部结构,并且奠定了发现更好地了解人体健康/疾病状态方法的基础。可以冷却并捕获原子的技术引领了基础科学里程碑式的进步,例如原子蒸气中玻色爱因斯坦冷凝物(Bose-Einstein condensates)的创造。


"单光束粒子阱实质上是光辐射压梯度力阱,是基于散射力和辐射压梯度力相互作用而形成的能够网罗住整个米氏和瑞利散射范围粒子的势阱。它是由高度汇聚的单束激光形成的,可弹性地捕获从几nm 到几十μm 的生物或其他大分子微粒(球) 、细胞器等,并在基本不影响周围环境的情况下对捕获物进行亚接触性、无损活体操作。这使得在单个生物大分子及其复合体层面上对生命活动进行研究成为可能,事实上光镊很快成为这方面研究的有力工具。"——天津大学姚建铨院士《光镊技术的发展与应用》


滨松在光镊领域也有诸多产品可供用户选择。

# 可以同时产生多个光镊的空间光调制器(LCOS-SLM)

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通过小小的液晶屏,就可以将一束普通高斯光编程许多个"高级镊子",例如携带轨道角动量可以让粒子旋转起来的"涡旋光",无衍射的"贝塞尔光"等等,由于其可编程的特性,还可以同时产生多个三维空间分布的光阱。

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# 可以观察光镊工作的科研级sCMOS相机

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对于光镊应用中的相机来说,有两个关键参数需要注意——分辨率和帧速

1.分辨率

由于光镊所操控的粒子都是细胞器级别的非常微小的粒子,所以在光学系统(显微镜)分辨率一定的情况下,相机的分辨率越高,就越能看清楚捕获微观粒子的细节。关于相机分辨率的详细科普,请阅读→相机像素尺寸(像元大小)和成像系统分辨率之间的关系。

2.帧速

为了保持被操控粒子的活性,光镊对微观粒子操控的速度是非常快的,因此就需要相机有足够高的帧速来捕获微观粒子的运动。可以说高速是光镊的核心需求。"光镊是一种非接触式3D定位方法,适用于微米/纳米级别的操纵和组装等领域。在这些应用中,在高速下相对长距离操纵粒子的能力对于确定整体工艺效率和产量至关重要。"——https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b07914?src=recsys&journalCode=ancac3

而对于相机来说,帧速越高,意味着曝光时间越短,曝光时间短会导致相机接收到的信号弱,这样为了保证图像足够清晰,就需要相机有足够高的信噪比,也就是相机的噪声要足够小才能达到这样的高帧速。

例如在Matti Kinnunen, Adjunct Professor of University of Oulu 的例子" OPTICAL TWEEZERS: PRINCIPLES AND SELECTED APPLICATIONS"中,就使用了1000帧/秒的帧速来拍摄2.54μm的二氧化硅小球。

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