光鉗實驗(Optical Tweezers)

目的

　　光學鑷子(Optical tweezers)是一種利用雷射光在聚焦之後，雷射光裡的光子通過粒子(dielectric objects)表面產生動量變化，因而產生力量來抓住粒子的工具。

簡介

　　光學鑷子的原理最早由一位工作於貝爾實驗室的科學家-Arthur Ashkin，於1970年發表。接著於1980年，Arthur Ashkin成功的將光學鑷子應用在抓取大腸桿菌的生物實驗上。後續又有科學家應用光學鑷子於其他生物實驗。直至今日，有相當多的科學家將光學鑷子用於測量真核與原核生物之細胞骨架的機械性質，例如：彈性係數、橈度、黏彈特性等等。此技術也可用於細胞排序(cell sorting)、細胞冷卻(cell cooling)和細胞能動性(cell motility)，甚至於對DNA、染色體等微米或是奈米等級的細胞也是可以進行抓取，並作生醫實驗。近幾年來，已經廣泛的將光學鑷子應用在生物科技、物理、醫學等領域。隨著光鉗技術越來越純熟，有朝一日若能與原子力顯微鏡或其他顯微技術結合，對未來科技發展將是一大助力。

原理：

　　將雷射光想像成一大群的光子。當雷射光經由物鏡產生聚焦時，光子也會朝向焦點前進。若前進過程中，光子撞擊到粒子時，因粒子與環境之折射率不同而產生折射，使得光子的動量產生變化。根據牛頓運動定律，動量變化造成力的產生，如同下圖所示，光子折射產生之力為橫向力，將粒子推向雷射光軸。光子反射之力為軸向力，會將粒子推向雷射光之焦點。

圖：不同角度入射之光子產生之力(來源：光學鑷子實驗手冊　林俊元等編著)

因此，藉由光子的動量變化而產生之力，即可將粒子牢牢抓住。此種非接觸式的鉗住工具即可應用於生物、物理、醫學等領域。

圖片

 圖（1）實驗儀器架設圖                        圖（2）：雷射光聚焦干涉光紋

 圖（3）實驗結果                                    圖（4）：實驗結果
(目標粒子（藍線）固定不動，周圍粒子（紅線）隨時間移動。)

 圖（5）：學生試 做                               圖（6）：學生試做

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