2018年諾貝爾物理學獎獲得者美國科學家亞瑟·阿斯金的貢獻為「光學鑷子及其在生物系統的應用」，今天來了解光學鑷子的相關知識。
光學鑷子（Optical Tweezer）就是用光形成的鑷子，它是建立在光輻射壓原理上的。
光輻射壓的提出源於克卜勒和牛頓時代，當時理論認為光是一種粒子，根據牛頓力學原理，運動著的粒子束會產生壓力。
在天文學中，彗星的尾巴始終背向太陽就是光具有輻射壓力的一個典型例子。然而，光壓的存在和麥克斯韋對輻射壓力的理論預言則是到了20世紀初才在實驗室中得到實驗證明的。
1986年，美國物理學家阿斯金（Arthur Ashkin）發明了用雷射來操縱微粒的光學鑷子，這也是他2018年諾貝爾物理學獎獲獎的成就。這是一種用來操縱原子、分子和生物細胞的方法。美國前能源部長、1997年諾獎得主朱棣文的工作即基於此。
20世紀60年代,當雷射作為具有極高亮度的相干光源出現時,光壓的研究發生了革命性的變化。
70年代初,人們開始對雷射的輻射壓開始全面和深入的研究,特別是對原子在不同條件下所受輻射壓力的性質和機制進行理論探討和實驗觀測,從而發展起原子束的雷射偏轉,雷射冷卻,光子粘膠及原子噴泉等實驗技術,同時利用光壓進行原子俘獲,粒子操縱等研究。
正是由於在雷射冷卻方面的先驅性研究,著名的華裔科學家,史丹福大學的朱棣文教授與其他兩人共同獲得了1997年度諾貝爾物理學獎。
光源同時具有熱效應和輻射效應。對普通光源而言，由熱效應所產生的壓力比由單純動量交換產生的輻射壓力大幾個數量級，因此很難獲得足夠的輻射壓力。雷射的出現改變了這一狀況，使光的輻射壓力得到充分體現。
同時雷射光束的截面分布具有簡單確定的數學表達，便於進行理論處理，使光阱和光懸浮的研究成為可能。雷射鑷子是利用雷射與物質間進行動量傳遞時的力學效應形成三維光學勢阱。
當一束強匯聚的高斯光場作用於透明粒子時，如果粒子的折射率n1大於周圍介質的折射率n0，梯度力Fa, Fb 會把粒子推向光場的最強處(軸心)。
在光束傳播方向上光對粒子不僅會產生軸向的推力，還會產生逆軸向的拉力，從而實現捕獲。這裡光學捕獲是通過透明介質微粒與光子發生動量交換而完成的。這與帶電粒子受靜電場庫侖力或交變場的梯度力而實現的電動捕獲不同，與金屬粒子或超導體在磁場中的磁懸浮也不同。
1970年,美國電報電話公司貝爾實驗室的阿什金教授採用一束高斯雷射,成功地在垂直於光的傳播方向上束縛了懸浮在水中的聚苯乙烯微粒,這一實驗將輻射壓的應用從原子量級擴展到了微米範圍,奠定了光鑷的研究基礎。之後他又設計了雙光束光學陷阱,初步實現了光鑷的雛形。
1986年,他把單束雷射引入高數值孔徑物鏡形成了三維光學勢阱,證明光學勢阱可以無損傷地操縱活體物質。目前所說的光鑷即是這樣一種三維全光學勢阱。
光鑷對粒子無損傷,具有非接觸性,作用力均勻,微米量級的精確定位,可選擇特定個體,並可在生命狀態下進行操作等特點,特別適用於對細胞和亞細胞層次上活體的研究,如對細胞或細胞器的捕獲,分選與操縱,彎曲細胞骨架,克服布朗運動所引起的細菌旋轉等。
這也正是光鑷得以在生物領域中被廣泛應用,並顯示出強大生命力和廣闊應用前景的原因之一。正如其發明者所說,光鑷"將細胞從它們的正常位置移去的能力,為我們打開了精確研究其功能的大門"。
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