利用光之力操控細(xì)胞，光鑷＂爆冷＂奪下諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

來源：中國科普博覽

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)于北京時(shí)間10月2日17點(diǎn)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(jiǎng)項(xiàng)。值得一提的是，唐娜·斯特里克蘭是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歷史上第三位女性獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

來源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)△斬獲諾獎(jiǎng)的三位科學(xué)家肖像

本次物理諾獎(jiǎng)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(xiàng)成果雖然都?xì)w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?yuàn)W，但其實(shí)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(gè)能夠以光的力量來操縱細(xì)胞的諾獎(jiǎng)成就。

光鑷誕生的發(fā)想——光之力

伴隨著上世紀(jì)60年代以來激光束流相關(guān)的產(chǎn)生、控制技術(shù)的進(jìn)展，利用光來操作微小物體的“光鑷”隨之登上了歷史舞臺(tái)。阿瑟·阿什金教授曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室和朗訊科技公司任職，他很早就開始進(jìn)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?yán)昧恕肮獾牧Α保≒hoton 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(dòng)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(shí)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(huì)對該物體施加力的作用。

當(dāng)然，我們沒有被強(qiáng)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(gè)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(dòng)。例如，紅血球、細(xì)菌一類人體細(xì)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(jìn)行移動(dòng)。

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(fù)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(yùn)動(dòng)?？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(lán)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(gè)十分微小的光斑上，這是普通光源所無法實(shí)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(qiáng)聚焦光斑會(huì)形成一個(gè)類似“陷阱”的機(jī)構(gòu)（稱為三維光學(xué)勢阱），微粒將會(huì)被束縛在其中。

一旦微粒偏離這個(gè)“陷阱”中的能量最低點(diǎn)（即位置的穩(wěn)定點(diǎn)），就會(huì)受到指向穩(wěn)定點(diǎn)的恢復(fù)力作用，好像掉進(jìn)了一個(gè)無法擺脫的“陷阱”一般。如果移動(dòng)聚焦光斑，微粒也會(huì)隨之移動(dòng)，因此便能實(shí)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(xì)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(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如將不同細(xì)胞擠壓在一起，或者向細(xì)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(shí)機(jī)。又如在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)常會(huì)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(shí)，鑒于激光波長良好的穩(wěn)定性和高精度，光鑷還可以同時(shí)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(dòng)蛋白在微管上行走的距離數(shù)據(jù)，從而推算出驅(qū)動(dòng)蛋白每走一步的能量正好相當(dāng)于一個(gè)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(dòng)蛋白”條目 △驅(qū)動(dòng)蛋白在細(xì)胞支架上搬運(yùn)囊泡的示意圖

直到筆者打出“光鑷”兩個(gè)字的時(shí)候，搜狗輸入法還沒有錄入這個(gè)詞組……相信對于絕大多數(shù)人來說，光鑷都是一個(gè)相當(dāng)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(jiǎng)，雖然出乎大多預(yù)測所料，確也名副其實(shí)。相信隨著諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)，光鑷技術(shù)必然會(huì)在世界范圍內(nèi)掀起一股科普風(fēng)潮。