今年诺贝尔物理学奖有多厉害？想象一下，把激光变成镊子，抓住物体

光镊由 1986 年被 Ashkin 发明到现在也已经三十年了，Arthur Ashkin 老爷子已经九十多了，祝老爷子长命百岁！

光镊技术兼有微纳米颗粒的操纵和测量功能，可以对微纳米颗粒或者分子皮牛顿量级精度的力经行测量。

技术角度来说：

一个方向是测量精度的提高空间分辨率和时间分辨率，特别是生物单分子领域，位置测量精度是判断光镊性能的重要指标，具备精度的分辨率，才能更好的研究分子力学，蛋白相互作用等生理过程。

一个是操纵的角度，单光镊到双光镊、全息光镊，多位置捕获，以及新型光束捕获旋转捕获，还有利用飞秒脉冲激光实现的非线性捕获。新型的捕获技术提高了实验的自由度和高通量处理速度，方便构建复杂体系下生物分子相互作用。

应用的角度来说：

一边是纳米乃至压纳米级别超高精度单分子研究，单个分子，或单分子级别分子相互作用力学的研究。

另外一边是活细胞内甚至活体水平的研究。

光镊的根本原理是基于光的特性之一辐射力基础上的，即光有动量，当光经过物体的折射反射或者吸收等动量发射变化，物体的动量也会发生相应改变（动量守恒）。为了实现稳定的捕获，实验中一般使用一个高数值孔径的物镜实现微小物体的三维捕获。

一般典型的光镊系统如下图所示，

红色光束是捕获激光，实现微小颗粒的捕获；黄色光束是照明和成像光；steering mirror 可以实现捕获位置的二维移动。

通过降低隔离环境噪音，选取高质量隔震平台，高指向性稳定功率稳定的激光器等降低光镊系统的噪声。Measuring 0.1-nm motion in 1 ms in an optical microscope with differential back-focal-plane detection。2004 年，Lora Nugent-Glandorf and Thomas T. Perkins 通过两束激光捕获两个小球，测量两个小球间的距离，即差分检测的方式实现了约0.1 nm精度的相对位置分辨率检测

光镊(Optical tweezers)，是用物镜下高度汇聚的激光形成的三维梯度势阱来俘获、操纵和测量微小颗粒力学特性光学技术。由于光镊技术兼有微纳米颗粒的操纵和测量功能，可以对微纳米颗粒或者分子皮牛顿量级精度的力进行测量，目前已可以应用于生物学、物理学、化学和工程等研究领域。伴随研究的深入和技术的发展，光镊技术的研究范围由最初的微米小球拓展到原子和纳米级别，捕获物体的形状由球拓展到棒、片等各种形状，捕获的材料由介质小球拓展到金属小球、碳纳米管、金刚石等形形色色的材料。

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介绍几个课题组和他们的研究方向，生物学相关描述可能有偏差，只作为参考。

• Steven Chu 朱棣文 — Nobel laureate who helped develop optical trapping techniques used by many biophysicists 。 朱棣文物理出生，但是中间在技术上转向支持生物应用，在单分子和光镊等领域提供了很多技术手段。庄小威（STORM 发明者）就是在朱的实验室开始了生物分子生涯。

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• Steven Block (American, 1952–) observed the motions of enzymes such as kinesin and RNA polymerase with optical tweezers Block lab - Main

这张是我看过无数次的kinesin 驱动蛋白在微管上行走的测量结果，通过光镊直接测到了kinesin 行走的步距是 8nm,通过计算力的大小和距离推算出走一步消耗的能量刚好是一个 ATP 水解所释放的能量，这个算是光镊比较经典的实验结果。

另外 Steven 大爷还利用光镊研究了RNA 聚合酶 的工作，研究了 RNA 转录的过程。

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• Taekjip Ha (South-Korean-born American, 1968– ) — single-molecule biophysics

车河集先生我觉得最出色的工作是荧光能量共振转移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)方面

所以车先生结合光镊技术和 FRET 技术，研究了单分子折叠去折叠过程。

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• Michelle Wang 米歇尔王女士在Steven Block实验室做过一段时间， 在光镊技术上更加进一步发展了。Wang Lab at Cornell University

一个是旋转光镊，利用石英的双折射性，利用圆偏振光使得被捕获的物体可以旋转。

一个是上图所示利用刻蚀干涉微纳光路，实现多颗粒批量化处理

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• James A.Spudich Home

主要是做 actin 肌动蛋白 /myosin 肌球蛋白的

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• Carlos Bustamante (Peruvian-born American, 1951–) — known for single-molecule biophysics of molecular motors and biological polymer physics

Bustamante 大爷经常来中国，国内很多人应该都见过，Bustamante 的一个重要工作是 Entropic Elasticity of λ-phage DNA，也就是 DNA 的力学特性。作为很多体系的 handle 手柄，方便了光镊生物学体系的构建和应用。

有了不同力条件下 DNA 长度的变化关系非常重要，因为光镊无法直接捕获蛋白，通常是微米小球 +DNA+ 目标分子体系。有了 DNA 的力长度关系后，在使用 DNA 构建体系后得到的信号扣除 DNA 部分就能得到目标分子的信号。

另外 Bustamante 大爷庞大的光镊军团和徒子徒孙干了很多很多其他工作，我们实验室就是 Bustamante 的博后在耶鲁的实验室的博后回国后建立起来的。

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最后放一个 DNA hairpin 测试相关的数据，这个实验我做过用来校准仪器的。

就是如果构建一个 DNA 片段，里面包含一段单链但是互补的回文结构，在通常情况下由于碱基对互补这个结构如 B 图所示会折叠起来，像一个发卡一样。当力增大的时候，到一定时候发卡就有可能被打开，在合适的力作用下打开和折叠的概率会相等，就会发生像图 C 一样的 DNA hairpin 分子会不停的 folded 折叠 and unfolded 去折叠。

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中国科学技术大学光学与光学工程系李银妹课题组，近日与上海交通大学魏勋斌教授合作，采用活体动物内的细胞，发展了动物体内细胞三维光学捕获技术。

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推荐几本书

光学与光子学丛书：光镊技术 [Optical Tweezers Technology]

《光学与光子学丛书：光镊技术》(李银妹，姚)【摘要 书评 试读】

￥142.40 我已经买了，作者是李银妹教授，从事光镊领域二十多年，中国光镊领域鼻祖级别了。

《光学与光子学丛书：光镊技术》分为上中下三篇，系统地介绍光镊技术的原理、技术、装备和应用。上篇从光的力学效应发展的历史，全面介绍光镊技术的由来，光镊技术的原理、功能和特点，光镊设备，设备的设计，操控和测量技术与方法，给出表征光镊技术的参数。中篇对光镊仪器单元技术和测试技术做了全面介绍，详细介绍了光镊力的测量方法和精度，分析了各种方法的测量误差，给出了光镊光场的电磁场和几何光学的基本理论分析方法，较全面地分析光镊技术应用过程中遇到的光镊仪器自身的技术问题。下篇将其应用分为光镊与单分子生物学、光镊与细胞生物学、光镊与胶体科学以及光镊与物理学四个领域进行介绍，例举了国际上已用光镊技术成功解决的难题，详细阐述了每一个问题解决的方法，读者可以根据自己工作领域的需求寻找与光镊技术结合的切入点，用于解决本学科的问题。

《生命科学实验指南系列：单分子技术实验指南》【摘要 书评 试读】

生命过程的单分子研究是一个新兴的研究领域，常常清晰并令人惊奇地揭示出生物大分子的精细工作。《单分子技术实验指南》在世界范围内首次较全面地介绍厂单分子研究技术，主要涉及两大类技术，一是荧光成像和光谱学技术，二是基于力学的操作和检测。全书共分 21 章。第 1 章对单分子技术的发展做了回顾和展望，其余 20 章均以技术为主题，除扼要介绍相关理论外，主要是结合具体的研究实例较详细地介绍实验方法。《单分子技术实验指南》语言清晰易懂，具有很强的实用性。

前一期简要的介绍了超短超强激光的概念，然后引出获得超短超强激光的主要技术是啁啾脉冲放大技术。这一期继续讨论啁啾脉冲放大。

首先亮出观点：

啁啾脉冲放大的核心是时间换空间。

激光重新定义了光，啁啾脉冲放大重新定义了激光。

下面是慢慢的介绍。

激光的功率就是激光单位时间的能量，即 P=E/t。从公式可以看出，有两个方法可以提高激光的功率。一个是提高能量，一个是减少脉冲持续时间。

首先看脉冲持续时间无限长的情况，这就是连续激光，目前连续激光的最高功率在万瓦量级。前不久看新闻，国防科大通过光纤组束，获得了 10 万瓦的功率。继续提高连续光的功率面临着诸多挑战。

对于脉冲激光，峰值功率破万瓦是件轻松写意的事情。一个调 Q 激光，脉冲宽度在纳秒量级，脉冲能量在亚毫焦量级，峰值功率可以达到万瓦，而成本可以低于 2 万毛爷爷。简要介绍下调 Q 原理，下图是数值求解速率方程得到的调 Q 脉冲的演化过程。从激光原理的角度解释这件事情有点麻烦。我就比喻一下。好比一个人喝水，如果一个人大小便失禁，每喝一口水就立即尿出来，那么他的尿的流速可以认为等于喝水的速度。如果这个人看了广告吃了肾宝片，肾功能异常强大，上午喝了一桶水，憋到了下午，那他解开裤子的一刹那将一泻千里。连续激光类似大小便失禁，释放能量的速率即功率约为吸收能量的速率，调 Q 激光类似憋尿，吸收大量能量后瞬间释放出来，功率也就显著高于连续激光。然而调 Q 激光的最高峰值功率在兆瓦量级，显然不能满足人们贪婪的胃口。

接下来锁模激光出场了。简单的说锁模的原理类似物理上的共振或者生活上的共鸣。比如士兵齐步过桥把桥走塌，马蓉出轨微博被骂等等。不管是生活中还是物理上，当大家齐刷刷的做一件事情的时候，会爆发出不可思议的能量或者出现不可思议的现象。下图是锁模的原理示意图。当激光的各个频率成分杂乱无章的时候，激光的强度弱。当激光的各个频率成分相位锁定的时候，会形成一个窄脉冲，峰值功率急剧提升。目前的锁模脉冲脉宽可短至 5 飞秒。峰值功率在吉瓦量级。

人们想继续提高脉冲的峰值功率，然而此时却遇到了困难。对于一般的激光晶体，为了避免放大过程中的非线性效应，脉冲在晶体上的光强要小于 10 GW/cm^2 左右。光强为功率除以光斑面积，即 I=P/A。如果要直接放大飞秒脉冲获得太瓦功率，则光斑面积为 A=P/I=10^12W/(10x10^9W/cm^2)=100 cm^2. 即要求一个口径 10 cm 的晶体。常用的激光晶体如钛宝石的最大口径约为 15cm，一块晶体就可以在帝都或者魔都贷款买房了。如果要继续提高功率的话，还得线性的增加晶体的尺寸。很显然，增加晶体口径的方法，一来提升幅度有限，二来价格昂贵。全世界陷入了沉默，宛如男人撸过后的不应期，长达 20 年。

我不知道在那 20 年激光中世纪的博士是怎么毕业的，那个时候还没有码农可以转吧。然而正所谓物极必反，触底反弹。1985 年，幸运的 Strickland 博士在其导师 Mourou 的指导下，将锁模脉冲捅进一段光纤中，脉冲的脉宽被展宽了，然后进行放大，最后用一个光栅对将脉宽压缩回去。他们给这个方法起了个名字，叫 chirped pulse amplification (CPA)，啁啾脉冲放大。这个实验结果发表在了影响因子只有 1.5 的 optics communication 上面。影响因子 1.5 是无法衡量这个实验的意义的。所以每当我投 optics communication 的时候，都会认为自己工作的意义是无法估量的。

再介绍下啁啾脉冲放大的原理，啁啾的英文 chirp 是个拟声词，模拟的鸟叫的声音。鸟叫的声音有个特点，就是声调越来越高，越来越尖锐。可以用录音机把鸟的声音录下来，用示波器显示，如下图所示。

傅里叶极限的飞秒脉冲，经过色散元件后，相位会发生变化。体材料，光栅对，啁啾镜等都可以提供不同程度的色散。如果把这些色散进行泰勒展宽，会发现泰勒展开项的第二项起主要作用(常数项和一阶项不改变脉宽)。下图为一个傅里叶极限 3fs 的脉冲引入 15 fs^2 二阶色散后的情况。可以看出，而且脉冲的宽度展宽到 14 fs，而且脉冲的频率随着时间增加。 频率随着时间增加的特性和鸟的叫声有相似之处，因此把引入二阶正色散称之为引入线性正啁啾。

至此，啁啾脉冲是怎么回事就算是说的差不多了。再来提提峰值功率的事情。晶体材料的激光光强要小于 10 GW/cm^2，降低激光脉冲在材料上的光强，一是扩大光斑直径，一是扩大脉冲宽度，而且光强随光斑直径和脉冲宽度的变化都是线性的。晶体口径的变化范围为 1~15cm，很小。然而，采用啁啾脉冲的方法，可以把 30 飞秒的脉冲展宽到 1 纳秒，展宽倍数为数十万倍。因此展宽脉宽后，峰值功率大大降低，放大顺利进行。放大后，还可以通过色散元件压缩回 30 飞秒，峰值功率大大提升。因此，我把啁啾脉冲放大称之为时间换空间。自从人们点开了啁啾脉冲放大技术后，激光的峰值功率又开始了指数增长。目前已经达到了 2PW，全世界数个国家的 10 PW 项目也都在如火如荼的开展。

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