获得 2018 年诺贝尔物理学奖的「光镊」的前沿技术和未来发展取向有哪些？
Ashkin老爷子发表第一篇光镊的论文到现在也已经三十年了，2018年10月2日，诺贝尔奖诺贝尔物理学奖揭晓，亚瑟·阿斯金、热拉尔·穆鲁和唐娜·斯特里克兰共同获奖，以表彰他们“在激光物理领域的突破性发明”。 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。 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，具备高精度的分辨率，才能更好的研究分子力学，蛋白相互作用等生理过程。 另一个是操纵的角度，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，以及在胶体材料特性，流体，粒子检测，表面特性等微纳米相关学科的研究。  原理 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。  结构 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。 ======================================================================= 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。  =======================================================================  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。 ======================================================================= 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。 =======================================================================   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 ======================================================================= 主要是做 actin肌动蛋白/myosin 肌球蛋白的  =======================================================================  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。 ======================================================================= 最后放一个DNA hairpin 测试相关的数据，这个实验可以用来校准光镊。 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。 ======================================================================= 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。  ======================================================================= 这个是生物学部分就这样水过了，过过几天（你懂的）我再总结一些偏向于物理的内容，我觉得更有意思。   ==================================================================== 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。