近场光钳与单分子操作

近场光学与近场光钳方法是近年国际上近场光学研究领域从理论上提出的新方法。这种方法特别适合于生命科学单分子研究。

传统光钳方法已经用于生命科学的基础研究。1999年《Science》上发表了6篇关于生物单分子研究的文章，显示出传统光钳在生物单分子研究中的最新成果。科学家研究了分子马达的动力学和运动学特性，发现它是以步进方式运动；通过对单分子进行扭转、旋转、拉伸等操作研究其力学特性和生化动力学；拟建立分子动力学和分子力学研究体系，对DNA分子进行力学向分子机械学、分子水平仿生优化设计等一系列研究。

完成上述研究的最基本的手段是光钳。其基本原理是利用了聚焦光场中梯度光力效应及光场超微颗粒相互作用形成"光阱"，"捕获"光场中的微粒进行操作。最近日本科学家采用双光钳实现了DNA分子（2纳米直径）的扭转、打结，这表明分子操作达到相当高的水平，为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新的途径。

然而，由于传统光钳是建立在远场衍射受限原理之上的，其所形成的"光阱"受到原理性限制，最小空间尺度约为半波长，即300纳米左右。实际工作时通常在生物样品端部附着微米胶球，光阱"捕获"胶球，通过对胶球的操作实现对纳米尺寸生物分子的操作。

而近场光学从基本原理上突破了衍射极限实现了直接真实空间纳米成像。近场光钳所形成的"光阱"空间尺寸有可能达到纳米量级。近场光钳具备了直接对单分子操作的可能性，其潜在的应用在于操作生物纳米颗粒和生物单分子。同时使分子运动的动力学、生物化学等过程的荧光检测及分子取向等信息的单分子荧光检测和其他光谱检测成为可能。
近场光钳将可能成为最强有力的生物单分子操作工具。

光学光钳技术

激光光钳是一种利用高斯激光光束的梯度压力将微粒移到激光束焦点附近的装置。微粒处于按高斯分布的激光束中时，由于光场强度的空间变化，光束对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并稳定在那里。激光束如同一?quot;钳子"抓住微粒，随其移动，可以无损地操纵如细胞、细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子，为微生物学家、医学工作者提供新的有力工具。为了减小对微粒的影响，多采用近红外激光。德国生物学家用激光在卵子细胞周围的保护层（蛋白质和碳水化合物）上打孔，利用光钳将精子抓住并送入卵细胞，从可以帮助那些缺少尾巴或无法游动的精子与母卵细胞结合，从而大大提高了体外受精的成功率。

分子马达定向运动机制研究

分子马达是广泛存在于细胞内部的具有小马达功能的酶蛋白生物大分子。生命活动中的许多基本过程都是基于分子马达的运动，如真核细胞内沿细胞骨架系统的物质输运, DNA复制过程中DNA解链过程， 细胞有丝分裂期间染色体的分离过程以及肌肉收缩过程等等。分子马达运动所需能量来自于它所催化的三磷酸腺苷分子(ATP)水解所释放的化学能。它将化学能直接转化为机械能。 对分子马达的研究不仅具有分子生物学上的意义而且有助于未来人们设计化学能直接转化为机械能的装置。

目前实验上利用光钳技术[1]在体外无损的情况下直接观测单个分子马达的运动，得到了许多重要结果[2]，与此同时，理论研究也成为分子生物学和统计物理研究中的热点之一[3]。我们以非平衡态统计物理为基础提出了温度涨落驱动分子马达定向运动模型[4]和具有内部自由度的分子马达模型[5]。下一步的工作将充分考虑分子马达的结构和其他实验结果，建立更符合实际的分子马达模型，从而探索分子马达定向运动的机制。
参考文献：
[1] A. Ashkin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94(1997)4853.
[2] J. T. Finer, et al. Nature, 368(1994)113; K. Svoboda, et al.. Nature, 365(1993)721.
[3] P. Reimann, et al. Phys. Rev. Lett. 79(1997)10; T. Duke and S. Leibler, Biophys. J. 71(1996)1235.
[4] Yu-Xiao Li, Physica A238(1997)245.
[5] Yu-Xiao Li, Physica A252(1998)382.

作为一种重要的辅助技术，光镊在单分子科学中也占有重要地位。光镊的基本原理是利用光学梯度力形成的光阱来俘获和操纵微观物体。我们知道，光实际上是电磁波，当它产生空间分布不均匀的电场和电势时，电势梯度会在电介质上产生一个作用力。更直观的，我们把光看成光子流，光入射到物体表面，光子的部分动量转移给物体，会形成光压。光场的性质决定了物体的受力，通过适当的设计光场分布，我们可以把物体俘获在一定的位置，这种光场分布称为光阱，如高斯光束本身就是一个二维光阱。当然，通过移动光束我们可以方便地实现迁移或翻转俘获物体。因为这种光学技术在另一个尺度实现了传统机械镊子的功能，所以被称为光镊技术。在单分子实验中通常把生物分子样品联结到介质小球上，通过 用光镊技术俘获和操纵介质小球来达到操纵样品的目的。

到80年代后期，基于光的力学效应和激光冷却技术，发明了光镊技术，人们可以对单个 DNA分子施以皮牛顿(10-l2牛)级的力作用。因此，在近几年，Nature 和Science 刊登出许多论文，报道单个DNA分子在光镊拉力作用下的非线性弹性拉伸应变实验结果。这为研究单个DNA分子构型提供了实验基础，从而逐渐形成一门软物质凝聚态物理中的新学科——单分子生物学或单分子物理学。
生物大分子的自由能是由kBT来表征，这里kB是玻尔兹曼常数，T是温度(一般是室温)。生物大分子的空间构型的尺度是在纳米量级，这就容易理解对生物大分子的作用力必须是皮牛顿级的。单分子生物学与单细胞力学也可以称为皮牛顿力学，这也是从事激光冷却的诺贝尔物理学奖获得者朱棣文被吸引到单分子生物学的实验研究中的原因。