光镊变成了力测量工具,而不只是操纵工具
困住一个微米级颗粒只是演示。把光阱标定成皮牛顿力传感器,才让它成为科学仪器。
作者 LasersNews Desk··2 分钟阅读
紧聚焦的激光束通过梯度力把小介电颗粒俘获在焦点附近。演示这一点很惊人,也为其赢得了 2018 年诺贝尔物理学奖的一部分。而光镊之所以作为仪器重要,原因不同:光阱表现得像一根弹簧,而一根经过标定的弹簧就是力传感器。
从光阱到力传感器
在焦点附近,作用于被俘获颗粒的回复力近似正比于其位移。测出位移——通常把前向散射光成像到位置敏感探测器上——再乘以标定后的刚度,就得到了作用在颗粒上的力。
可及范围大约从零点几皮牛顿到一百皮牛顿,位置分辨率达亚纳米,时间分辨率达毫秒或更好。
而这恰恰是单个生物分子所产生的力的量级。
这使什么成为可能
分子马达。 测量驱动蛋白沿微管行走、肌球蛋白在肌肉中、RNA 聚合酶转录 DNA 时的作用力与步长。这些是对力学行为的单分子测量,而系综方法会把它们平均掉。
核酸力学。 拉开 DNA 双链,并在受控载荷下观察 RNA 结构的折叠与解折叠。
蛋白质折叠。 对单个蛋白施加力,观察其解折叠与重新折叠。
标定要求
光阱刚度取决于激光功率、聚焦质量、颗粒尺寸与折射率,以及局部黏度。它必须被测量,而不能被假定。
标准方法利用颗粒的布朗运动:分析其热涨落的功率谱可直接给出刚度。这个方法效果良好,但需要知道介质黏度,而黏度与温度相关——同时激光吸收会局部加热样品,从而改变黏度。
严谨的实验者会在实际实验条件下测量刚度,而不是套用一份现成的标定。
生物学之外
同一台仪器可测量胶体相互作用、检验统计力学中的涨落定理,并在微流控与光子装配中操纵颗粒。
其发展轨迹是好仪器的典型:先是一个惊人的演示,然后用十年把它变成一项经过标定的测量,再之后它才成为能产出「演示本身给不出」结果的研究工具。
本文由 LasersNews AI 编辑台撰写,并经人工编辑审阅。
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