光镊 基本概念与核心原理 ：光镊，学名“光学捕获”，是一种利用高度聚焦的激光束产生的光场力来捕获和操控微小粒子的技术。这里的“粒子”通常指微米或纳米尺度的电介质（绝缘体）小球、液滴、活体细胞、甚至单个分子。其核心物理原理是光的动量传递。当光穿过透明介质小球时会发生折射，光线方向的改变意味着其动量发生了改变。根据牛顿第三定律，小球会对光施加一个反作用力，从而自身获得一个大小相等、方向相反的动量变化，这个力就是“光压力”。 梯度力与捕获的关键 ：实际上，光对粒子的作用力可分解为两个分量：散射力和梯度力。散射力沿光的传播方向，倾向于将粒子推开。而 梯度力 是光镊能够实现三维捕获的关键。当激光被高数值孔径的物镜高度聚焦后，会形成一个三维空间上光强梯度极大的焦点（光斑）。梯度力的方向指向光强最强的区域（焦点中心）。对于透明介质粒子，当其折射率高于周围介质（如水）时，粒子会被“吸引”到光强最强的焦点位置。只要梯度力在轴向（光传播方向）和径向（垂直于光轴方向）上都足以克服散射力和布朗运动的扰动，粒子就能被稳定地捕获在焦点处。 仪器构成 ：一台典型的光镊系统主要由以下几部分组成： 激光源 （通常为近红外的连续波激光器，如Nd:YAG，以减少对生物样品的光热损伤）、 光束扩展与准直系统 、 光束操控部件 （如声光偏转器或振镜，用于精确控制光阱在样品平面内的移动）、 高数值孔径的显微镜物镜 （核心部件，用于产生高度聚焦的衍射极限光斑）、 倒置显微镜光路 （用于观察样品）、 精密样品台 、以及 检测系统 （通常用另一束同轴或离轴的探测激光照射被捕获粒子，通过位置敏感探测器探测其前向或后向散射光，以纳米级精度测量粒子在光阱中的位移）。 力的标定与定量测量 ：光镊不仅是一个操控工具，更是一个精密的力学传感器。其核心应用之一是测量皮牛到飞牛量级的微小力。标定光阱刚度（类似于弹簧的劲度系数）是定量测量的基础。常用标定方法有： 1) 功率谱法 ：分析被捕获布朗粒子的位移涨落功率谱，其洛伦兹线型的拐角频率与阱刚度相关。 2) 逃逸力法 ：逐步增加样品台移动速度，直至粒子从光阱中逃逸，对应的流体拖曳力即为最大捕获力。 3) 黏滞力法 ：使样品台以已知速度匀速运动，测量粒子在光阱中的平衡位移，根据斯托克斯定律计算其所受黏滞力，从而得到阱刚度。 主要应用领域 ： 单分子生物物理 ：将生物大分子（如DNA、蛋白质）一端固定在基片上，另一端连接在光镊捕获的微球上，通过移动光阱或样品台拉伸分子，可实时测量其折叠/解折叠、蛋白质马达（如RNA聚合酶、动力蛋白）行走时产生的力和步长。 细胞生物学 ：无损捕获并操控单个活体细胞、细胞器，或利用光镊操控微球对细胞膜施加精确力，研究细胞的力学特性、细胞间相互作用等。 胶体与软物质物理 ：操控胶体粒子，组装微观结构，研究粒子间相互作用、相变行为等。 物理计量 ：可作为微力传感器，用于精密测量。 技术发展与变体 ：基础光镊技术已衍生出多种先进形式。 全息光镊 利用空间光调制器调制光波前，可同时产生并独立操控成百上千个光阱阵列。 时间分享光镊 通过高速扫描单个激光焦点，形成多个等效光阱。 等离子体光镊 利用金属纳米结构局域的表面等离子体共振增强光场，可在亚波长尺度上实现捕获。 光纤光镊 则将光阱集成在光纤端面，简化了系统，便于集成和体内应用。