亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin）“由于他所发明的光镊及其在生物系统领域的广泛应用”获得2018年诺贝尔物理学奖，在国际上引起了众多研究者的兴趣，并推动了光镊技术及其创新应用的出现。

亚瑟·阿什金发明的光镊利用激光去捕获各种粒子。光镊捕获微粒的关键在于光的辐射压力，该压力可以分解为梯度力和散射力。图1为光镊原理示意图。图中，\( a \)和\( b \)分别表示入射激光的两条边缘光线，经透镜汇聚后照射到微粒表面，经两次折射后改变传播方向，其动量改变产生力\( F_a \)和\( F_b \)，由于光场强度分布不均匀产生的指向光束焦点的力，称为梯度力，该力的大小正比于光的强度梯度，作用效果使得微粒朝向光强最大处运动。当激光入射到微粒表面时，部分光会在微粒表面产生反射，进入微粒内部的光存在吸收效应，进而产生动量转换，合成的力使微粒向远处推离，此力称为散射力，其正比于辐射强度，即散射力随激光功率的增大而增大，方向指向光束传播方向。当光场梯度足够大时，焦点附近梯度力大于散射力，其合力指向光束焦点，可以实现三维空间内微粒的捕获和操控。

由于光镊在操纵微粒时不直接接触样品，对样品损伤小等优点，使之成为物理、生物、化学等研究领域中的重要工具。

晶萃光学JCOPTIX目前提供标准光镊系统，由激光光路、照明光路、成像光路和运动控制共四部分组成，安装于300 mm × 300 mm标准铝质光学面包板上，占用空间小。激光通过大NA物镜聚焦后，可实现对1-10 μm直径微粒的自由捕获。单激光束最多可同时捕获和操控五个直径为3 μm的石英微球。晶萃光学JCOPTIX的标准光镊系统基于同轴系统组件，采用模块化结构设计，可以实现四步之内更换系统内的任意元件，无需大量拆装工作即可实现系统维护及改进。模块化设计也方便用户根据各自独特需求快速更改光镊。标准光镊系统还可以扩展其他功能，如接入光谱探测模块，实现样品荧光探测等；也可增加涡旋光生成模块，即可实现涡旋光束操纵粒子，达到使粒子旋转的目的。

（插入图片与光路图）

除此之外，晶萃光学JCOPTIX还可提供全息光镊系统，集成了粒子操控、光场调控和光束偏移功能，能满足多种实验需求。基于反射式空间光调制器、光场调控算法、高功率激光器、高精度运动控制机构、大数值孔径物镜配合搭建的全息光镊系统，能够实现基于激光器的基本粒子及细胞抓取；基于空间光调制器的光场调控、光束模式调节及变换；基于空间光调制器的光束偏移及粒子及细胞运动引导。

晶萃光学JCOPTIX提供的标准版光镊系统适合本科、研究生教学、科研使用。系统集成度高、操作简单。此外，该系统也可满足基础实验需求，在细胞生物学、单分子生物学、胶体科学、物理学研究中具有潜在的应用价值。

如何计算光镊夹持力

微粒在光阱中同时会受到两个作用力：微粒与液体的摩擦力\( F_R \)，以及光阱的夹持力\( F_H \)。光阱夹持力可以定义为维持微粒刚好能被光镊捕获的运动速度\( v_{max} \)所需的力。即：

\( F_{H_{max}}=F_R \)

而微粒在承载液中的摩擦力则与微粒的运动速度\( v \)呈正相关，即速度越快，摩擦力越大。摩擦力\( F_R \)可以由如下公式计算得出：

\( F_{R}=6 \pi \eta_{e f f} R v \)

式中，\( R \)为微粒半径；\( \eta_{eff} \)为有效粘度，表示承载液和微粒的结合程度。每个微粒的\( \eta_{eff} \)都不同，需要根据每个微粒在承载液中布朗运动时的位移值计算：

\( m={2 k_{B} T} / 3 \pi \eta_{e f f} R \)

式中，\( m \)为微粒位移均方值的直线斜率；\( \eta_{eff} \)为有效粘度；\( T \)是单位为开尔文的样品温度；\( k_B \)是玻尔兹曼常数。

因此可以直接计算出光镊中光阱最大夹持力为：

\( F_{H_{\max }}=F_{R}=4 k_{B} T v_{\max } / m \)

晶萃光学JCOPTIX提供的标准版光镊系统适合本科、研究生教学、科研使用。系统集成度高、操作简单。此外，该系统也可满足基础实验需求，在细胞生物学、单分子生物学、胶体科学、物理学研究中具有潜在的应用价值。

如何计算光镊夹持力

微粒在光阱中同时会受到两个作用力：微粒与液体的摩擦力\( F_R \)，以及光阱的夹持力\( F_H \)。光阱夹持力可以定义为维持微粒刚好能被光镊捕获的运动速度\( v_{max} \)所需的力。即：

\( F_{H_{max}}=F_R \)

而微粒在承载液中的摩擦力则与微粒的运动速度\( v \)呈正相关，即速度越快，摩擦力越大。摩擦力\( F_R \)可以由如下公式计算得出：

\( F_{R}=6 \pi \eta_{e f f} R v \)

式中，\( R \)为微粒半径；\( \eta_{eff} \)为有效粘度，表示承载液和微粒的结合程度。每个微粒的\( \eta_{eff} \)都不同，需要根据每个微粒在承载液中布朗运动时的位移值计算：

\( m={2 k_{B} T} / 3 \pi \eta_{e f f} R \)

式中，\( m \)为微粒位移均方值的直线斜率；\( \eta_{eff} \)为有效粘度；\( T \)是单位为开尔文的样品温度；\( k_B \)是玻尔兹曼常数。

因此可以直接计算出光镊中光阱最大夹持力为：

\( F_{H_{\max }}=F_{R}=4 k_{B} T v_{\max } / m \)

晶萃光学JCOPTIX标准版光镊系统STS1能提供的最大夹持力为\( pN \)量级。具体数值取决于所使用的承载液以及微粒的性质。

光镊样品制备

样品制备主要分为两步，制备样品溶液和制备观察样品池。这里以石英微球为例简单介绍如何制备测试样品，所需物料见下表1。

1、制备样品溶液

   a)    打开电子天平，在天平上先放一张称量纸，然后将[免洗试剂瓶][]瓶盖拧下，瓶身放置于称量纸上。电子天平上去皮。

   b)   用药匙从石英微球盛放瓶内取出0.01 g粉末倒入免洗试剂瓶内。

   c)    用洗瓶向免洗试剂样品瓶中倒入80 g去离子水。

   d)   从电子天平上取下试剂瓶，并盖紧瓶盖。

   e)   将配制好的样品放入超声波清洗机内，开启超声，使微球在去离子水内部均匀分布。

2、制备样品池

   a)    取出配制好的微粒溶液。

   b)   取出一片载玻片，一片盖玻片。用蘸取酒精的无尘布将其擦拭干净。

   c)    取出一片切好的双面胶，用尖头镊子将胶带一边的保护纸撕开，将其贴在载玻片中心位置。双面胶为中空的方框，方框内部为样品空间。

   d)   用移液枪从玻璃微球溶液瓶内提取溶液，并滴到双面胶中间的样品池位置。

   e)   拿起盖玻片，从左至右刮样品池一次，将多余溶液推出样品池。

   f)    用尖头镊子将双面胶顶端保护纸撕掉，将盖玻片放置于双面胶带上。

   g)   至此，观察样品池制备完成。

石英微球捕获

将制备好样品放置于光镊样品载物台夹具上夹紧后，即可以开始进行粒子捕获。粒子捕获操作主要分为以下几个步骤：

1. 将标准版光镊系统中的相机通过USB线连接至电脑上。

2. 在电脑端打开JCOPTIX相机程序，选择对应相机，开始实时监控。

3. 缓慢移动载物台X、Y轴将载玻片上的样品池置于物镜正下方。

4. 将激光器和照明LED打开。调节旋钮保证照明光强处于合适强度，保证相机可以高效监控。

5. 缓慢拧动Z轴调节，抬升样品。当显示器上第一次看到红色激光散斑，说明载玻片上表面已到达物镜焦平面。继续抬升样品，直至激光光斑消失，此时激光到达溶液层。继续微调Z轴直至相机可以清晰观测到石英微球。注意，使用100X油浸物镜时，需要在样品池上滴一滴物镜观察清油。

6. 微调X、Y轴，使石英微球靠近激光阱中心位置。显示器上可以清楚看到微球落入“陷阱”，即石英微球位于光阱的聚焦处，微粒被成功捕获。这时关闭激光器或快速旋拧XY线性位移台微分头，以释放石英微球。由于样品池深度为20 μm，而石英微球直径仅3 μm。所以样品溶液内石英微球呈多层分布。当激光聚焦束腰处于样品池中间或底部位置时，样品池上方运动微球被光阱抓住后，会被光阱向下推入束腰处。在显示器上即显示为微球尺寸的急剧变化。

7. 慢慢转动XY轴，拖动石英微球。

8. 至此完成石英微球捕获。

注意：

1. 由于两款物镜均为高数值孔径，且工作距离分别为0.21 mm和0.3 mm。选用盖玻片厚度不能超过0.2mm。

2. 使用100X物镜做光镊实验后，需清洁物镜。即用干净无尘布轻轻擦拭物镜观察面，清除残留油渍。

3. 配制好的石英微球溶液，每次使用前需超声振荡5分钟。