激光技術(shù)與生命科學(xué)

激光技術(shù)與生命科學(xué)1第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

光的力學(xué)效應(yīng)？

光有力量嗎？

光子與物體的相互作用

2第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光攜帶有能量和動量（線性動量和角動量）,光與物體相互作用時(shí)彼此交換能量和動量.光子能量：

光子動量：

光與人類生活的關(guān)系非常密切，伴隨科學(xué)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，人們對光的認(rèn)識也越來越深入.-----光的動量是光的基本屬性之一3第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

光的效應(yīng):

在光的作用下，物體宏觀上產(chǎn)生的各種現(xiàn)象光的熱學(xué)效應(yīng):

光與物體相互作用時(shí)物體的溫度發(fā)生變化.—常見現(xiàn)象光的力學(xué)效應(yīng):

光與物質(zhì)間交換動量，使受光照射的物體獲得一個(gè)力或力矩,物體發(fā)生位移,速度和角度的變化.—難以察覺

(光電效應(yīng),磁光效應(yīng),光化學(xué)效應(yīng),…)

光與物質(zhì)相互作用—光的效應(yīng)

4第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1616年開普勒---提出光壓的概念從光的粒子性觀念出發(fā)---具有一定動量的光子入射到物體上時(shí)無論是被吸收或反射，光子的動量都會發(fā)生變化，因而必然會有力作用在物體上，這種作用力我們通常稱為光壓。光---動量---光壓---力一.光的力學(xué)效應(yīng)－歷史與未來5第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

單個(gè)光子動量很小:烈日:1達(dá)因/平方米是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的億萬分之一普通光源的力學(xué)效應(yīng)微乎其微！光子密度低，方向性差！實(shí)驗(yàn)觀測和測量極其困難！

為什么我們感受不到光的壓力？普通光源6第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1光與微觀粒子的相互作用---原子/分子光與微小宏觀粒子的相互作用---納米/微米粒子光與宏觀物體的相互作用---核聚變/發(fā)射微小衛(wèi)星光的力學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用：7第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光鑷

-單光束梯度力光阱

1986A.Ashkin使用高度會聚光束產(chǎn)生的非均勻光場，造成梯度力勢阱

光鑷誕生了！光與微小的宏觀粒子的相互作用8第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月A.Ashkin(BellTelephoneLaboratories)ArthurAshkin

atworkinhisHolmdel,N.J.labin1986Hediscoveredthatlightcouldtrapatoms--thediscoverythatledStevenChuandtwootherstotheNobelPrize9第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月Acceleration&TrappingofParticlesByRadiationPressureA.Ashkin,Phys.Rev.Lett.Vol.24,#4,156(1970)LaserBeam1LaserBeam210第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月Fiber-OpticalDual-BeamTrap11第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月ExperimentalDemonstration:TrappingofaStringofParticles

12第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光鑷

--Opticaltweezers用光做的鑷子？光鑷如何抓取物體？光鑷力有多大？光鑷的力學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用？光鑷是什么？13第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

煙草細(xì)胞在光鑷操控下定向運(yùn)動二.光鑷技術(shù)

1原理2特點(diǎn)3功能4應(yīng)用14第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光輻射力的原理

15第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

光鑷操控1微米粒子三維空間X-Y平面Z縱方向懸浮微粒

16第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

光鑷—基本操控方法直接操控-微米間接操控-納米

17第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光鑷操縱微粒的尺度：納米-微米1nm1m1mm1nm1m1mm原子、分子尺度

ATMSTM納微尺度光鑷宏觀物體一般機(jī)械18第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月fN（10-15）-pN（10-12）

1

fN/人X60億--1根發(fā)絲---細(xì)胞，單分子間的相互作用力

傳遞微小力的使者--微小力的探針！

光鑷力有多大？19第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光鑷---

一種特殊的光場形成的光勢阱,它是用光形成的鑷子!光鑷具有機(jī)械鑷子抓取物體的功能,是類比機(jī)械鑷子形象的稱呼光鑷/光學(xué)鑷子/光學(xué)勢阱/單光學(xué)梯度力勢阱20第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月研究個(gè)體行為的工具?。。?yīng)用都是基于對單個(gè)微粒的捕獲與操控。自然界，一切宏觀現(xiàn)象都是大量個(gè)體行為的群體效應(yīng)，因此，解釋宏觀自然現(xiàn)象就需要獲取單個(gè)微粒個(gè)體行為信息。能夠?qū)嵤蝹€(gè)微粒的操控正是研究個(gè)體行為的首要條件。光鑷的特點(diǎn)21第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

對單個(gè)活體生物以非接觸的遙控方式，實(shí)施無損無菌操控；實(shí)時(shí)動態(tài)跟蹤、進(jìn)行微小力的測量。

生命科學(xué)家可以挑選所需要的特定活細(xì)胞來觀察它的個(gè)體行為，研究特定的細(xì)胞間相互作用的基本過程。光鑷提供了對生命活動的基本過程的研究所具有的高度選擇性是傳統(tǒng)研究方法不可比擬的。

光鑷的特點(diǎn)22第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

光具有的穿透特性，使得光鑷有‘隔墻取物’之功能。即光鑷可以無阻擋越過屏障，穿過透明封閉系統(tǒng)的表層（細(xì)胞膜）操控其內(nèi)部微粒（細(xì)胞器），也可以透過封閉的樣品池的外壁，操控池內(nèi)微粒，實(shí)現(xiàn)真正的無菌操作。機(jī)械鑷子望塵莫及！光鑷的特點(diǎn)23第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

光鑷操控的可視性。光鑷使細(xì)胞懸浮于液體中所指定的位置，其四周沒有遮擋，完全暴露在我們視野中，研究者提供了極大的方便。光鑷系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示，完整保留活體細(xì)胞和大分子生命活動，能反應(yīng)體系作用過程的特性是其它方法所不具備的。光鑷系統(tǒng)的特點(diǎn)24第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

光鑷是微小力的探針，類似彈簧。

光鑷能夠操控粒子，實(shí)際上是光鑷向微粒施加了作用力。光鑷能實(shí)時(shí)感應(yīng)微小的負(fù)荷(fN)，是極其靈敏的力傳感器。光鑷是揭示生命過程中物質(zhì)輸運(yùn)、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞規(guī)律的研究工具。光鑷的特點(diǎn)25第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月#生命科學(xué)--操控，動力學(xué)研究

解讀生命運(yùn)動規(guī)律#微納器件--操控，排布，組裝，表征

新材料和功能器件制造#分散體系--微粒間相互作用

宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)理探索#光力學(xué)教學(xué)—線性動量，角動量

認(rèn)知光的基本屬性

光鑷的應(yīng)用:26第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

運(yùn)動-----位移/速度

-----力，大小/方向-----結(jié)合/分離-----相互作用特性-----結(jié)構(gòu)和功能力學(xué)量是表征生命過程的重要參量！單分子水平上探索生命運(yùn)動的規(guī)律！生命過程—運(yùn)動—力光鑷應(yīng)用—生物大分子的動力學(xué)研究27第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月國際前沿發(fā)展趨勢

光鑷技術(shù)更多的是用于研究生物大分子

十幾年來已突破了許多“禁區(qū)”人類首次實(shí)際測量到由化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的原動力—肌肉運(yùn)動的原始動力過程--驅(qū)動蛋白分子吸收一個(gè)ATP能量后的分布運(yùn)動狀態(tài)，運(yùn)動步長為8納米。28第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月國際研究成果舉例

Nature生物大分子精細(xì)操作

雙光鑷對肌動蛋白進(jìn)行打結(jié).Science光鑷控制粘有肌動蛋白的小球接觸微管,研究其運(yùn)動特性.29第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

光鑷研究DNA折疊動力學(xué)過程研究光鑷研究DNA的縮合及解開

光鑷已成為研究DNA動力學(xué)的不可或缺的工具國際研究成果舉例30第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光鑷的應(yīng)用原生質(zhì)體的融合單個(gè)活力精細(xì)胞研究激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因抗體抗原結(jié)合強(qiáng)度分選單條染色體細(xì)胞膜彈性的測量分散體系的研究納米生物學(xué)的研究微粒的空間排布光鑷的應(yīng)用研究31第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月InteractionofRecABindingssDNAwithdsDNAdsDNAUnwindingdsDNARecAbindingssDNAd(t)OpticaltweezersChangeinthelengthofdsDNA

Rotationalmotionofthetrappedparticle

國際研究成果舉例32第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月AOM-Based

Oscillatory

TweezersLiposomeAOsquarewaveDC5.5V±2.5v

1kHzDiameter=3μm2beamdistance=2.88μm1064nmlaserOpticaltweezers33第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月煙草細(xì)胞原生質(zhì)體的融合單細(xì)胞融合光鑷操控單細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)方法34第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月RBCStretchingUsingaParallelDual-Tweezers35第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月OpticalStretcherJ.Gucketal.,BiophysJ

81,767(Aug,2001).J.Guck,R.Ananthakrishnan,T.J.Moon,C.C.Cunningham,J.Kas,PhysRevLett

84,5451(Jun5,2000)5mW500mW36第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光鑷分選單條染色體

水稻細(xì)胞---熒光標(biāo)記----細(xì)胞殘核---染色體群37第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

分散體系中微粒的聚集通常都是隨機(jī)的。用逐個(gè)操控單個(gè)粒子的方法。按設(shè)定要求排布出具有穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)的粒子聚集體。

光鑷在三維空間排布微粒納微器件，微機(jī)械，生物器件的組裝和表征

38第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月建立了光鑷研究單分子力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)方法。39第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光鑷操控的原理和方法操控物體并使之運(yùn)動---具備能夠產(chǎn)生相對的運(yùn)動的條件本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):光鑷靜止,光鑷操控細(xì)胞所在環(huán)境運(yùn)動方法:顯微鏡平臺以速度V帶動樣品池運(yùn)動,被光鑷捕獲的粒子與環(huán)境產(chǎn)生相對運(yùn)動光捕獲40第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月光鑷力的測量原理和方法流體力學(xué)方法Stokes公式:

其中η為液體粘滯系數(shù)，R為微粒的半徑，當(dāng)速度增加到Vm