光镊夺诺奖:利用光之力操控细胞
发布时间:2018-10-02
出品:科普中国
制作:大阪大学 张昊
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  2018年诺贝尔物理学奖于北京时间10月2日17点50分正式揭晓,发明光镊技术的美国物理学家,阿瑟•阿什金(Arthur Ashkin),以及开创了啁啾脉冲放大技术的唐娜•斯特里克兰(Donna Strickland)、 热拉尔•穆鲁(Gérard Mourou)共同分享了该奖项。值得一提的是,唐娜•斯特里克兰是诺贝尔物理学奖历史上第三位女性获奖者。

斩获诺奖的三位科学家肖像,来源:诺奖官网https://www.nobelprize.org 

  本次物理诺奖结果揭晓之后,各路观察家都表示没有想到,绝对堪称“黑马”“大冷门”,很多科研界人士甚至压根没听说过这几种技术。不过,在各自的专业领域,它们都已经是科学家们非常仰赖的工具了。

  这两项成果虽然都归属于激光研究领域,但彼此仍然有着较大的区别。其中的光镊虽然内涵深奥,但其实稍加简介就能让普通人建立概念。今天,我们就先试着让大家了解一下这个能够以光的力量来操纵细胞的诺奖成就。

  光镊诞生的发想——光之力

  伴随着上世纪60年代以来激光束流相关的产生、控制技术的进展,利用光来操作微小物体的“光镊”随之登上了历史舞台。阿瑟•阿什金教授曾在贝尔实验室和朗讯科技公司任职,他很早就开始进行光操控微粒的研究工作,并最终于1986年公开了他的第一代光镊。

  光镊利用了“光的力”(Photon force/ radiation pressure,可以译为光压、辐射压等等),这是普通民众并不熟悉的领域。我们已经知道光可以协助动物产生视觉,可以为植物提供能量来源,可以加热物体。如今,在光的力学领域也诞生了令世界瞩目的成果。

  中学物理中,我们已经了解了光同时具有波和粒子的双重性质,所谓波粒二象性。与人体被飞来的棒球击中后产生冲击一样,光的粒子即光子在接触物体后,同样会对该物体施加力的作用。

  当然,我们没有被强烈的日光或者探照灯击倒在地是有原因的,光的压力大概仅仅在10亿分之一到100亿分之一牛这个数量级,所以说能用肉身感受到光压的人显然是不存在的。

  然而,越是微小的物体,就越容易被微小的力所撼动。例如,红血球、细菌一类人体细胞或者微生物等等都对光压非常敏感。来自光的微小压力可以让微小的物体在不受到积压破坏的前提下进行移动。

  光镊是如何让光操控微粒成为可能的

  具体来说,光镊系统一般由照明光路和控制光路构成,照明光路负责采集成像所需的信号,而控制光路用来控制和限制微小物体的运动。控制光路的核心是汇聚性能特别好的激光束发射系统。

光镊系统示意图,红色代表控制光路,蓝色代表照明光路,操纵室位于中间,最右侧代表位置测量装置,来源:公有领域

  我们知道激光的特性之一就是可以被汇聚到一个十分微小的光斑上,这是普通光源所无法实现的。对于所要操控的微小物体来说,这种激光束汇聚形成的强聚焦光斑会形成一个类似“陷阱”的机构(称为三维光学势阱),微粒将会被束缚在其中。

  一旦微粒偏离这个“陷阱”中的能量最低点(即位置的稳定点),就会受到指向稳定点的恢复力作用,好像掉进了一个无法摆脱的“陷阱”一般。如果移动聚焦光斑,微粒也会随之移动,因此便能实现对微粒的捕获和操控。

激光汇聚在束流最细处(称为“光腰”),微粒将在此处被俘获于三维光学势阱,来源:公有领域

  光镊技术早已大显神通

  光镊技术在生物学研究领域已经有了相当广泛的应用,例如将不同细胞挤压在一起,或者向细胞中注入微量物质或者微小物体一类场合,都是光镊大显身手的时机。又如在环境科学领域,经常会有区分水中数种微小物体的需求,利用光镊可以将各种物质在无损条件下容易地分离,给之后的精密分析创造良好的条件。

  此外,在操控的同时,鉴于激光波长良好的稳定性和高精度,光镊还可以同时获得大量空间测量数据。有研究人员利用光镊测量了驱动蛋白在微管上行走的距离数据,从而推算出驱动蛋白每走一步的能量正好相当于一个ATP水解所释放的能量,堪称光镊操控性和测量性结合的绝好案例。

驱动蛋白在细胞支架上搬运囊泡的示意图,来源:百度百科“驱动蛋白”条目

  直到笔者打出“光镊”两个字的时候,搜狗输入法还没有录入这个词组……相信对于绝大多数人来说,光镊都是一个相当陌生的概念。光镊技术所代表的一系列微操控技术,的的确确为人类在诸多领域带来了极为便利的工具。此番斩获诺奖,虽然出乎大多预测所料,确也名副其实。相信随着诺贝尔奖的颁发,光镊技术必然会在世界范围内掀起一股科普风潮。

  参考文献:

  1. https://www.nobelprize.org 

  2. http://www.ils.uec.ac.jp/yellow/2011y/yellow/YB/miuraY.pdf 

  3. http://www.elec.chubu.ac.jp/kuzuya-Lab/LMT-j.htm 

  4. https://www.thorlabs.co.jp/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=6913 

  5. https://yumenavi.info/lecture.aspx?GNKCD=g007097 

  6. https://www.zhihu.com/question/42635037 

  7. http://www.opt.cas.cn/kpyd/gxqy/gxjz/201801/t20180104_4928485.html 

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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