0 引 言

20 世 紀初期 , 光輻射壓力得到證實 , 但是直到數十年后光輻射壓力才用來實現對微粒的操縱和捕獲。 光鑷操縱技術是基于光的力學效應原理來實現對微粒的捕獲和操縱的。 光鑷對微粒亞接觸、 無損傷、無污染的操縱克服了傳統機械操作的缺陷，成為細胞生物學、顆粒捕獲、微小力測量、微納米器件加工等眾多領域的研究工具[1].

1986 年 , 美國貝爾實驗室的 A.Ashkin 等人[2]首次利用大數值孔徑（NA=1.25）的顯微物鏡會聚激光束實現了對微粒的三維捕獲。 然而，這種基于單光束梯度力的遠場光鑷操縱技術是通過對入射光高度會聚并在焦點處對微粒進行捕獲的方法， 一方面會使強匯聚的高能量光子流對微粒產生損害； 另一方面大數值孔徑的物鏡限制了物鏡與樣品的工作距離，使操作和觀察系統復雜、昂貴。

最重要的是，由近場光學理論，遠場光鑷受到光學衍射極限的約束， 傳輸光經顯微物鏡高度聚焦后焦斑尺寸不能小于 λ/2,則尺寸小于衍射極限（~250nm）的顆粒很難實現捕獲。 根據海森伯不確定性原理，只有倏逝場才能攜帶超衍射極限分辨的光信息， 要實現超衍射極限分辨，成像必須利用倏逝波。 近場光鑷技術基于近場光學中倏逝場的特性， 其捕獲范圍高度局域在界面表面幾十到幾百納米的范圍內， 所以可以成為單分子操縱的有力工具。 隨著光學器件的小型化和集成化，近場光鑷較遠場光鑷有更大的發展空間。 近場光學理論的不斷發展延伸出了基于倏逝場的棱鏡全反射、探針、微納光纖、微腔耦合等結構的近場光鑷。

1 倏逝場產生的原理

如圖 1 所示，光從光密介質 1 入射到光疏介質2,當滿足入射角 θ 大于臨界角 θc時， 則在分界面處會發生全反射現象。 根據折射定律，滿足：

當在界面交界處發生全反射時， 界面表面有電磁場（倏逝場）的存在。根據電磁場理論，倏逝場的表達式為：

式中：λ1、n1代表介質 1 的波長和折射率；ω 代表圓頻率。 上述電磁場表達式說明，發生全反射時，折射波平行于界面方向具有行波的形式， 垂直于界面的方向振幅以指數形式迅速衰減。 把光的振幅在光疏介質 2 中衰減到初始值的 1/e 時，相應的值定義為倏逝場的有效入射深度：

在界面處發生全反射， 為何光疏介質中有能量的存在？ 因為當光波在界面發生全反射時，實際的入射光是有限寬度的， 因此在入射光的邊緣處必然會發生衍射效應。 介質 1 中的能量會通過入射光邊緣產生的衍射效應從邊緣的一側進入介質 2 中， 形成倏逝場傳播。 能量到達邊緣的另一側時再一次通過衍射效應返回到介質 1 中， 即穿過界面與返回界面的能量的時間平均值為零。 也可以認為，在界面處并不是嚴格意義的全反射， 而是入射到介質 2 中一定深度后逐漸反射[3].

2 近場光鑷

2.1 棱鏡全反射近場光鑷

1992 年 ,Satoshi Kawata 和 Tadao Sugiura 等 人[4]首次利用棱鏡全反射產生的倏逝場實現了對微粒的操縱。當入射光在棱鏡表面發生全反射時，直徑為6.8 μm的微粒在倏逝場的作用下沿著棱鏡表面以 8 μm/s的速度運動。 這個實驗開啟了基于倏逝場近場光學微操縱的深入研究。 但單獨的棱鏡全反射產生的倏逝場強度較弱， 并且很難排除外界環境對顆粒捕獲的影響。

2005 年 ,V. Garces 等 人[5]搭建新的實驗系統。利用兩束反向傳輸的線偏振光對稱照明棱鏡表面，得到相干雙光束，來增強全反射的倏逝場效應。 雙光束照明一方面避免了沿著界面方向輻射壓力對捕獲帶來的影響，實現更穩定的軸向捕獲；另一方面擴大了倏逝場的作用范圍（操縱范圍擴展到 150μm）。 實驗中，通過 CCD 的實時監測看到聚苯乙烯小球以及血紅細胞被穩定捕獲，并且沿著光路的方向線性排列。

2011 年 ,Leeuwen 等 人[6]為進一步增強棱鏡表面倏逝場的強度， 把光學諧振腔與棱鏡結合起來，利用低功率激光器實現了對微粒的捕獲， 并且拓寬了倏逝場的操縱范圍（超過 150 μm）。 實驗通過把棱鏡封閉在一個由兩個高反射鏡組成的光學腔中產生多光束干涉來增加倏逝場的強度， 進而提高捕獲幾率。 當滿足穩定的腔模式且激光器的功率超過閾值功率時，直徑 1 μm 的 SiO2微粒被捕獲，并且沿著棱鏡表面形成多條鏈狀結構（如圖 2 所示）。 同年，國內的肖新元等[7]對棱鏡表面的倏逝場強度進行分析，微粒在場中主要受到梯度力的作用（10-12N） 和散射力（10-20N）的 作用 .棱鏡全反射近場光鑷的實驗系統雖簡單， 但是空間光路結構比較固定且穩定性不好， 在應用方面的靈活性會受到一定的限制。

2.2 探針型近場光鑷

1997 年，Lukas 等人[8]基于多重偶極子算法（MultipleMultipole Method） 提 出一種新的計算近場捕獲力的方法， 并用激光照射鍍金屬膜光纖探針尖端獲得局域場增強效應來實現微粒的高精度捕獲。 2000 年，華中科技大學的張國平等[9]基于同樣的算法對錐型光纖探針近場捕獲實驗進行了數值分析， 計算結果證明了錐形光纖光鑷的可行性。

探針尖端在激光照明、通入大功率激光時，產生的熱效應會使顆粒遠離溫度較高的區域（熱泳現象），降低捕獲的效率， 且出射功率超過探針承受的損傷閾值時， 金屬鍍層會破裂。 為減小探針尖端的熱效應，2012 年，Samir 等[10]利用化學刻蝕法制備了直徑為 100 nm 的納米光纖探針，在光纖中通入 35 mW 的激光， 成功捕獲了粒徑分別為 160 nm 和 60 nm 的二氧化硅微球和銀顆粒（如圖 3 所示）。 納米光纖探針不僅可以提高微球捕獲的精度， 而且可以從溶液中挑選顆粒。 同時，還可以與掃描近場顯微鏡結合，提高顯微鏡的分辨率。

2.3 納米孔徑近場光鑷

為克服衍射光學對梯度力的限制， 提高光鑷捕獲的精度，2004 年，Kwak 等人[11]提出利用激光對金屬膜襯底上的納米小孔照明產生迅速衰減的倏逝場來實現對更小尺寸微球的捕獲。

首 先 , 在 理 論 上 利 用 FDTD （Finite DifferenceTime Domain）軟件分析了金屬膜上納 米孔徑的電磁場分布以及微球在孔徑內的受力情況。 結果表明，微粒在靠近金屬邊緣受到的作用力最大， 且孔徑壁可以限制微粒的橫向運動， 證實納米微?？梢员环€定地捕獲到孔徑中。 實驗中，如圖 4 所示，他們在玻璃片上鍍 250 nm 厚的金屬膜，在襯底上刻蝕出直徑為500 nm 的 小孔 ,當激光照射到小孔金屬表面時 ,會在小孔的另一側產生足夠強的倏逝場， 對水溶液中的熒光微球產生一個指向孔徑的梯度力。 通過間接探測孔徑中熒光強度的變化來反映微球的捕獲情況。

激光打開， 當微球在梯度力的作用下被捕獲到孔徑中時，探測到孔徑中熒光強度很大；關閉激光時，微球與已官能團化的孔徑脫離， 孔徑中只有微弱的熒光。 他們從理論和實驗上都證實了納米孔徑近場光鑷的可行性。

納米孔徑近場光鑷可以實現納米量級微球的捕獲， 為亞波長結構的生物光子傳感器以及密閉環境中顆粒動態特性的超高靈敏測量提供了平臺， 但不能實現對單個納米微粒的捕獲， 因為通光后所有孔徑會同時捕獲微粒。

2.4 聚焦倏逝場近場光鑷

2004 年 ,Min Gu 等 人[12]利用高數值孔徑的顯微物鏡對環形中空光束進行會聚后，在玻璃-溶液的界面上產生全反射，實現了對直徑為 2 μm 聚苯乙烯微球的捕獲。 如圖 5 所示，利用與物鏡同軸不透明的遮光片將會聚后入射角小于全反射臨界角的光束全部擋住，從而滿足條件的光束在界面表面發生全反射形成聚焦倏逝場。 由于多光束在焦點處發生干涉，一方面增強了倏逝場的強度， 另一方面降低了軸向捕獲的尺寸。 界面表面的電場包括傳輸場分量和倏逝場分量。 在焦點區域，傳輸場產生一個吸引力；倏逝場由于其快速衰減的特性會產生一個向下的梯度力。 兩個力的合力可以克服微球的自身重力（10-20N），使微球移動到焦點位置。 聚焦倏逝場光鑷可以解決由于倏逝場作用范圍小導致探針與樣品距離難以控制的問題， 同時還可以克服金屬探針型光鑷等離子體共振熱效應帶來的捕獲不穩定的缺陷。

2007 年 ,Min Gu 等 人[13]把倏逝場光鑷成功應用到生物領域，實現了對紅細胞的拉伸、折疊和旋轉。聚焦倏逝場光鑷不僅實現細胞的折疊、拉伸、壓縮，同時還能夠在水平面和垂直面上都可以實現紅細胞的捕獲。 但是聚焦倏逝場光鑷，捕獲微粒的尺寸目前還僅限于微米量級， 若要捕獲納米量級的微粒還需要更強的倏逝場。

2.5 微 納光纖光鑷

根據近場光學理論， 微納光纖光鑷是利用光纖表面的倏逝場來實現對微粒的捕獲的。2007 年 ,Brambilla 等 人[14]用亞波長的光纖結構實現了對微粒的捕獲和操縱， 他們把普通的單模光纖制備成錐腰直徑 0.95 μm 的錐形光纖。 在輸出功率為 500 mW 的光源下，直徑為 3 μm 的聚苯乙烯微球被俘獲到光纖表面并且沿著光束的傳播方向運動。

如圖 6 所示， 聚苯乙烯微球沿錐區表面運動的最大速度為 15.4 μm/s. 在倏逝場中，微粒主要受到縱向的梯度力和橫向的散射力的作用。 梯度力指向光場強度的最大處， 使微球沿著光功率密度大的方向運動。 同時，光子與微球相互作用，微球受到指向光的傳播方向散射力的作用， 使微粒沿著光束的傳播方向運動。

次年，他們[15]又基于相同的實驗系統，在錐腰處實現了對直徑為 10 μm 的聚苯乙烯微球和直徑約為20 μm 聚苯乙烯微球團簇的捕獲 , 相應的傳輸速度分別為 12 μm/s 和 8 μm/s.此后，Feng 等人[16]利用更簡單的方法實現了對微粒的操縱。 他們用錐腰直徑為 50 μm 的錐體光纖，在輸出功率小于 100 mW 的光源下， 實現了對直徑為 10 μm 的單個聚苯乙烯微球的捕獲。 上述微納光纖光鑷只是對微米量級的顆粒進行捕獲。 2012 年，Skelton 等 人[17]對錐區倏逝場與金屬納米顆粒的相互作用進行了理論分析。 金屬納米顆粒獨特的等離子共振效應可以增強捕獲力， 克服捕獲空間太小難以實現捕獲納米量級粒子的問題。 他們分別計算了光纖中單頻光束和雙頻光束對直徑為 40 nm 的銀顆粒的作用， 發現顆粒沿光纖的運動狀態取決于光纖的偏振模態和波長， 激光的波長越靠近金屬顆粒的共振波長，捕獲力就越大。 因此，納米顆粒等離子體共振特性以及光纖偏振態的相互關系可以作為分類捕獲、整理及挑選顆粒的有效工具。

隨后，Chong Xu 等人[18]把微納光纖光鑷與微流體相結合，研究在流體中光鑷對顆粒的捕獲情況。 實驗原理如圖 7 所示，直徑為 710 nm 的光纖置于微流通道中，光束的方向與液體的流動方向相反，液體中顆粒的粒徑為 713 nm.當流體的速度、光功率滿足一定條件時， 顆粒會被捕獲到光纖的表面并且沿著光束的傳播方向運動。 顆粒在流體中的背向傳輸特性為研究醫學和生物學中藥物在血液和組織液中的靶向傳輸提供有效途徑。 同年，Li 等[19]利用直徑更細的光纖實現了對金顆粒的捕獲。 當直徑為 550 nm 光纖的輸入功率為 10 mW 時，粒徑為 250 nm 的金顆?？梢员环€定捕獲到光纖的表面， 并且沿著光束的傳播方向運動。 當輸入功率為 80 mW 時，顆粒的運動速度可達 132 μm/s. 光纖越細，其周圍的倏逝場強度越大，梯度力就越大，捕獲顆粒所需要的功率就越小，則可以減小對生物活細胞的光學損傷。 但是為保持光纖的穩定性，需要更嚴格的實驗條件。

2.6 微諧振腔耦合結構光鑷

近場光學操縱還包括基于微諧振腔耦合結構的光鑷。 腔中高度局域的場可以對顆粒產生足夠強的作用力， 使顆粒被捕獲到微腔表面并沿著環形腔運動， 同時顆粒對腔的干擾可以作為高靈敏的探針來分析物體的物理特性（尺寸、折射率等）。 2010 年，哈佛大學的 Shi 等[20]詳細分析了平面環形微腔與顆粒的相互作用、捕獲力的剛度以及勢阱的深度。 實驗中測得，耦合進入直波導的功率為 0.67 mW 時，環形微腔就可以實現對顆粒的穩定捕獲。 一旦粒子被捕獲，就被局限在勢阱深度為 25 KBT 的微腔環境沿著微腔運動，如圖 8 所示。

微環諧振腔是單一模式的結構， 顆粒只能實現單軌跡運動， 而微盤諧振腔支持多種回廊模式，因此， 微粒在倏逝場的作用下可以沿著微盤諧振腔多軌跡運動。 2011 年，香港大學的 Hong 等人[21]基于氮化硅微盤諧振腔的高階回廊模式實現了對顆粒的多軌跡操縱。 在實驗中，通過激發諧振腔的高階模式拓寬了單一波長的捕獲范圍， 并且通過激發不同的諧振模式來設置顆粒的捕獲軌跡。

如圖 9 所示，在六種不同的諧振模式下，顆粒被捕獲到不同徑向位置。 同時，還可以通過調諧激光器的波長來改變顆粒的運動軌跡。 微盤諧振腔對顆粒軌跡的靈活操縱將在粒子電路中有潛在的應用。

2013 年 ,Shi 等 人[22]把波導耦合微諧振腔捕獲方法用到生物探測領域。 這種新的生物探測方法克服了以往需要把目標顆粒與官能化的探測設備結合導致設備不可重復使用的缺陷，同時它還可以實現低濃度樣品的探測。

如圖 10 所示，利用已用抗體包覆的納米顆粒在微腔中探測綠色熒光蛋白質分子。 通過微腔諧振波長的偏移量來反映捕獲分子的個數和尺寸。 這種無標記的生物探測器體積小，集成度高，可重復使用，在生物探測領域有廣泛的應用。

光鑷可以減小操縱空間，提高顆粒捕獲的精度，并實現生物活細胞的操縱和捕獲， 但由于近場光學理論發展的不完善，近場光鑷的相關分析還不深入。 多數是在實驗層面上實現捕獲功能， 通過算法仿真建立理論模型來進行理想狀態的分析， 但是具體的梯度場與微粒（特別是尺寸介于 1~10 μm 之間的微粒）的作用機制以及相關的力學分析比較缺乏， 并且對顆粒的分析也僅限于對理想球形顆粒。 所以，近場光鑷在理論和實驗上的研究都需要進一步完善。

3 應用前景（生物醫學方面）

光鑷以其獨特的非接觸、無損傷的特性在生物、物理和化學領域已經得到廣泛的應用， 特別是在生物領域，已經實現了對細胞、病毒、細菌和 DNA 分子的研究[23].從分辨率和靈敏度的角度來看， 光鑷是最有前景的操縱方法。在細胞、肌球蛋白分子、單鏈 DNA 分子和雙鏈 DNA 分子的力學研究中，光鑷可以探測和產生 pN 范圍的力。 同時光鑷可以從時間和空間動力學角度來研究細胞的特性， 這在細胞特性的研究中是必不可少的[24]. 例 如 :當紅細胞瘧疾寄生蟲時 ,寄生蟲產生的蛋白質使紅細胞膜與血漿相互作用，使細胞的彈性模量較正常細胞發生明顯的改變。 探測細胞結構和機械性能的改變可以作為疾病進展的早期評估[25]. 同時 , 光鑷還可以與其他高靈敏的位移測量系統相結合，作為一個理想的微機械力傳感器[26]. 例 如 : 光鑷與定制的微管相結合能夠在動態微管的生長錐上追蹤微管蛋白的增加和損耗，測得 在 100 ms 的 時 間 間 隔 內 , 微 管 蛋 白 生 長 約 為6.60±0.81 nm, 得 到前所未有的納米尺度的測量精度[27]. 此 外 , 光鑷還可以實現無損傳輸 , 這種非接觸性的操作在靶向給藥方面有潛在的應用價值[28].

目前的生物操縱技術呈現多元化的發展趨勢。光鑷可以與光刀技術相結合實現細胞的移動、 旋轉等復雜的操作，還可以分選單條水稻染色體，用于水稻基因測序工作[29]. 探針型近場光鑷用于近場光學顯微鏡， 解決了傳統光纖探針在全局照明背景下難以對樣品微弱信號檢測的問題， 使顯微鏡的掃描分辨率提高到 10 nm 量級[30]. 并且光鑷還可以與拉曼技術相結合， 避免直接對懸浮溶液中顆粒和活細胞固定帶來的機械損傷， 方便研究單個細胞的成分和結構，確定細胞的病理狀態[31]. 此 外 , 光鑷微操縱技術還可以進行生物無標記探測，在生命科學領域、納米技術及環境監測中有廣泛的應用。（圖表略）

參考文獻：

[1] Li Yinmei, Gong Lei, Li Di, et al. Progress in opticaltweezers technology [J]. Chinese Journal of Lasers, 2015,42（1）： 0101001. （in Chinese）李 銀 妹， 龔 雷， 李 迪， 等。 光 鑷 技 術 的 研 究 現 況。 中 國 激光，2015, 42（1）： 0101001.

[2] Ashkin A, J. Dziedzic M, Bjorkholm J E, et al. Observationof a single-beam gradient force optical trap for dielectricparticles [J]. Optics Letters, 1986, 11（5）： 288-290.