利用光之力操控細胞，光鑷"爆冷"奪下諾貝爾物理學獎
來源：中國科普博覽
2018年諾貝爾物理學獎於北京時間10月2日17點50分正式揭曉，發明光鑷技術的美國物理學家，阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），以及開創了啁啾脈衝放大技術的唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）、 熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）共同分享了該獎項。值得一提的是，唐娜·斯特里克蘭是諾貝爾物理學獎歷史上第三位女性獲獎者。
來源：諾獎官網△斬獲諾獎的三位科學家肖像
本次物理諾獎結果揭曉之後，各路觀察家都表示沒有想到，絕對堪稱“黑馬”“大冷門”，很多科研界人士甚至壓根沒聽說過這幾種技術。不過，在各自的專業領域，它們都已經是科學家們非常仰賴的工具了。
這兩項成果雖然都歸屬於鐳射研究領域，但彼此仍然有著較大的區別。其中的光鑷雖然內涵深奧，但其實稍加簡介就能讓普通人建立概念。今天，我們就先試著讓大家瞭解一下這個能夠以光的力量來操縱細胞的諾獎成就。
光鑷誕生的發想——光之力
伴隨著上世紀60年代以來鐳射束流相關的產生、控制技術的進展，利用光來操作微小物體的“光鑷”隨之登上了歷史舞臺。阿瑟·阿什金教授曾在貝爾實驗室和朗訊科技公司任職，他很早就開始進行光操控微粒的研究工作，並最終於1986年公開了他的第一代光鑷。
光鑷利用了“光的力”（Photon force/ radiation pressure，可以譯為光壓、輻射壓等等），這是普通民眾並不熟悉的領域。我們已經知道光可以協助動物產生視覺，可以為植物提供能量來源，可以加熱物體。如今，在光的力學領域也誕生了令世界矚目的成果。
中學物理中，我們已經瞭解了光同時具有波和粒子的雙重性質，所謂波粒二象性。與人體被飛來的棒球擊中後產生衝擊一樣，光的粒子即光子在接觸物體後，同樣會對該物體施加力的作用。
當然，我們沒有被強烈的日光或者探照燈擊倒在地是有原因的，光的壓力大概僅僅在10億分之一到100億分之一牛這個數量級，所以說能用肉身感受到光壓的人顯然是不存在的。
然而，越是微小的物體，就越容易被微小的力所撼動。例如，紅血球、細菌一類人體細胞或者微生物等等都對光壓非常敏感。來自光的微小壓力可以讓微小的物體在不受到積壓破壞的前提下進行移動。
光鑷是如何讓光操控微粒成為可能的
具體來說，光鑷系統一般由照明光路和控制光路構成，照明光路負責採集成像所需的訊號，而控制光路用來控制和限制微小物體的運動。控制光路的核心是匯聚效能特別好的鐳射束髮射系統。
來源：公有領域 △光鑷系統示意圖，紅色代表控制光路，藍色代表照明光路，操縱室位於中間，最右側代表位置測量裝置
我們知道鐳射的特性之一就是可以被匯聚到一個十分微小的光斑上，這是普通光源所無法實現的。對於所要操控的微小物體來說，這種鐳射束匯聚形成的強聚焦光斑會形成一個類似“陷阱”的機構（稱為三維光學勢阱），微粒將會被束縛在其中。
一旦微粒偏離這個“陷阱”中的能量最低點（即位置的穩定點），就會受到指向穩定點的恢復力作用，好像掉進了一個無法擺脫的“陷阱”一般。如果移動聚焦光斑，微粒也會隨之移動，因此便能實現對微粒的捕獲和操控。
來源：公有領域 △鐳射匯聚在束流最細處（稱為“光腰”），微粒將在此處被俘獲於三維光學勢阱
光鑷技術早已大顯神通
光鑷技術在生物學研究領域已經有了相當廣泛的應用，例如將不同細胞擠壓在一起，或者向細胞中注入微量物質或者微小物體一類場合，都是光鑷大顯身手的時機。又如在環境科學領域，經常會有區分水中數種微小物體的需求，利用光鑷可以將各種物質在無損條件下容易地分離，給之後的精密分析創造良好的條件。
此外，在操控的同時，鑑於鐳射波長良好的穩定性和高精度，光鑷還可以同時獲得大量空間測量資料。有研究人員利用光鑷測量了驅動蛋白在微管上行走的距離資料，從而推算出驅動蛋白每走一步的能量正好相當於一個ATP水解所釋放的能量，堪稱光鑷操控性和測量性結合的絕好案例。
來源：百度百科“驅動蛋白”條目 △驅動蛋白在細胞支架上搬運囊泡的示意圖
直到筆者打出“光鑷”兩個字的時候，搜狗輸入法還沒有錄入這個片語……相信對於絕大多數人來說，光鑷都是一個相當陌生的概念。光鑷技術所代表的一系列微操控技術，的的確確為人類在諸多領域帶來了極為便利的工具。此番斬獲諾獎，雖然出乎大多預測所料，確也名副其實。相信隨著諾貝爾獎的頒發，光鑷技術必然會在世界範圍內掀起一股科普風潮。
參考文獻：
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6。 https：//www.zhihu.com/question/42635037
7。 http://www.opt.cas.cn/kpyd/gxqy/gxjz/201801/t20180104_4928485.html
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