在微观尺度的科研探索中，如何实现对微米级颗粒、细胞的无接触操控，长期以来是物理、生物交叉领域的关键难题。常规机械探针会对微小样品带来挤压、污染与损伤，而光镊技术借助光子的力学效应，实现了 “无接触” 捕获、搬运微粒，为微观动力学、细胞生物学、单分子物理研究开辟全新实验手段。

从实验室前沿科研到高校教学演示，一套可复现、易搭建的光镊实验平台，能够帮助科研人员直观理解光辐射压力、梯度力、散射力等抽象光学概念。本文结合光镊基础理论，同时结合OMTOOLS的光镊笼式实验系统，拆解光镊完整实验流程。

01.一束光的五十年：从辐射压力到诺贝尔奖

2018 年诺贝尔物理学奖将一半奖项授予Arthur Ashkin，表彰其光镊及其在生物系统领域的开创性应用。

光镊——更确切地说是光学阱，是利用高度聚焦的激光束的压力来操纵从原子到活细胞的微观物体，如病毒和细菌。这一功能在研究和理解生命基本组成部分的科研工作中，具有开创性的实际应用。

光镊的诞生，把科幻概念里的 “牵引光束” 变为现实：利用激光光子动量传递产生的光力，实现对样品无接触捕获。1987年Ashkin实现对活体细菌的无损捕获，证实光镊具备生物样本兼容能力，自此该技术迅速渗透生物物理、软物质物理等多个学科领域。光镊也成为高校光学教学、本科及研究生创新实验的经典选题。

02.光镊核心原理：梯度力与散射力的“拔河”

光具备粒子属性，光子携带动量；当激光照射到微粒上，光与微粒之间发生动量交换，由此产生的辐射压力可以分解为两个分量：梯度力和散射力。

图：均匀非均匀光场对比图

梯度力——把粒子拉向焦点的力：由不均匀光场强度分布产生，力的方向指向光束焦点（光强极大位置），力的大小正比于光场强度梯度，驱使微粒向光斑中心运动。

散射力——把粒子推离的力：激光入射微粒，一部分发生表面反射，一部分经微粒折射改变传播方向，发生动量转换，产生沿光束传播方向向外的推力；散射力随激光功率增大同步提升，会把微粒推离焦点。

图：微粒受梯度力与辐射压力综合作用示意图

捕获的条件，就是让梯度力赢下这场“拔河”。当高NA物镜将激光紧密聚焦，焦点附近光场梯度足够强，梯度力大于散射力，合力指向焦点，微粒便被稳定束缚在焦点附近——这就是"光阱"。此后移动光束，阱中的粒子随之移动，即可实现三维空间内微粒的捕获和操控。

⭐ 光镊最大的优势在于非接触式操控，机械零接触，降低对生物样品的物理损伤，因此广泛用于细胞、微球等样本研究。

03.光镊系统光路组成

要实现光阱捕获，需要多套光路协同工作。一套光镊笼式实验系统由激光光路、照明光路、成像光路、运动控制四个模块组成。

图：光镊光路示意图

1激光光路——光阱的 "动力源"

LD激光模组发出的激光经过两片反射镜准直后，依次进入分束镜、反射镜，最后竖直向上进入到物镜汇聚到样品上。

2照明光路——样品的 "观察灯"

标准LED点光源，以及配套数字控制器作为标准照明光源；光束从顶部照射到样品后，再经过物镜收集进行成像。

3成像光路——实验的 "眼睛"

光镊系统内采用标准CMOS彩色相机成像探测器。成像光路中设置一片短波通滤光片安装在滑动滤光片安装架上，用于消除样品反射的激光。成像光路配置100X的油浸物镜，NA=1.25。

4运动控制——样品的 "操作台"

光镊系统选用的是组合的25mm行直线位移台，配合载玻片夹具，可实现样品XYZ三个方向位移，分辨率10微米。

04.光镊完整实验过程

以OMTOOLS光镊笼式实验系统为例，开展光镊捕获实验，操作流程如下：

图：OMTOOLS光镊笼式实验系统

1激光准直调节

借助反射镜、同轴对准板完成LD激光模组输出光束的准直，保证激光经过反射镜、分束镜后竖直入射物镜，最终聚焦于样品平面。

图：激光准直调节

2照明光路调节

开启LED点光源与CMOS相机，由顶部对样品进行照明；调节短波通滤光片位置，滤除样品产生的反射激光干扰。

图：插入/移除滤光片

3光镊样品制备

1）取出配制好的微粒溶液；

2）取出一片载玻片、一片盖玻片，擦拭干净；

3）取出两片切好的双面胶，用尖头镊子撕开胶带一侧保护纸，贴在盖玻片的两侧，中间预留出样品空间；

4）使用移液枪抽取玻璃微球溶液，滴加到凹形载玻片凹陷的中心位置；

5）用尖头镊子撕掉盖玻片上双面胶剩余保护纸，将盖玻片盖在载玻片上，从左至右轻刮样品池，将多余溶液推出；

6）样品池制备完成，静置后即可安装到载玻片夹具上。

图：光镊样品制备

4观察样品

手动操作位移台上下移动载玻片，调节焦距，使样品在相机画面中成像清晰，可根据实验需求多次更换样品。

图：手动操作位移台移动载玻片

5激光操纵粒子

开启激光，确认激光光斑焦点位置；平移位移台带动微粒样品移动，当微粒运动至光斑位置，就会感受到光阱作用力并被吸附捕获；操作时移动速度不宜过快，防止微粒脱离光阱。

图：激光操纵粒子

05.OMTOOLS光镊笼式实验系统：核心亮点

OMTOOLS推出的光镊笼式实验系统，完整复现单光束光镊的物理机制，适合物理、生物相关方向教学演示与基础预实验。

图：光镊笼式实验系统

笼式模块化设计

采用30mm笼式系统，全部光学元件支持拆装替换，可搭建涡旋光镊；支持整机定制化改造，适配不同实验研究需求。

图：光镊笼式实验系统实拍

完整光镊光路成套配置

集成激光、照明、成像、运动控制四大功能模块；搭载 100×油浸物镜（NA=1.25）、LD635nm捕获激光、短波通滤光片、彩色CMOS成像相机；套件配齐笼式转接件、调整架与全套实验耗材，无需零散采购，收到即可开展微粒捕获实验。

精密样品位移控制

配置自研超精密手动平移台SPYD系列，25mm行程，位移分辨率10 μm，搭配专用载玻片夹具，可实现样品X/Y/Z三维移动，直观复现光阱对微粒的捕获、搬运全过程。

图：配置超精密手动平移台SPYD系列

教学科研双适配

既可用于高校本科物理、生物交叉学科教学演示，直观呈现梯度力、散射力、三维光阱等物理现象；也可作为科研前期预研平台，快速验证微粒捕获方案，为复杂光镊系统研发积累实验数据。

服务方案灵活

默认散件发货，支持整装成套交付；也可选工程师上门安装调试服务，降低光镊光路准直、调试上手难度。

光摸不着，却能够化作无形的 “镊子”，在不接触样本的前提下束缚、移动微米尺度的微小颗粒。梯度力与散射力的“拔河”，不再只是课本上抽象的公式概念，而是可以在实验台上被观察、被复现的真实物理现象。

该技术已广泛应用于细胞生物学、单分子力学研究及纳米材料操纵等领域，并衍生出全息光镊、热光镊等新技术。