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從病毒到細胞：光學鉗如何進行微觀抓取？
光學鉗，最初命名為單束梯度力捕捉器，是一種科學儀器，利用高度聚焦的激光束捕捉和移動微觀及亞微觀物體，如原子、納米粒子與液滴，這過程與使用鑷子類似。激光光束所產生的力大小約在皮牛頓的範圍，根據粒子與周圍介質之間的相對折射率，可能呈現吸引或排斥的效果。當作用力足以抵消重力時，就會產生光學懸浮。光學鉗能夠捕捉的粒子通常在微米規模或更小的尺寸，無論是介電粒子還是吸收粒子都可行。在生物學和醫學中，光學鉗被廣泛應用，從捕捉單個細菌或細胞進而到分子如DNA，亦可應用於納米工程與納米化學以研究和建造由單分子構成的材料。2018年，亞瑟·阿什金因光學鉗的發展獲得諾貝爾物理學獎。
光學鉗的歷史與發展
光學鉗的故事始於1970年，當時科學家亞瑟·阿什金在貝爾實驗室首次報告了光學散射及其作用於微米大小粒子的梯度力。隨著時間的推移，阿什金與同事們觀察到了現今普遍稱為光學鉗的現象——即能夠在三維空間中穩定捕捉微觀粒子的緊聚焦光束。此項技術的突破讓阿什金於2018年獲得了諾貝爾物理學獎。另一位作者史蒂芬·喬的研究則進一步拓展了光學鉗的應用，他利用光學捕捉技術冷卻並捕捉中性原子，並因此於1997年獲得諾貝爾物理學獎。
「阿什金當初設想利用光學鉗捕捉原子，卻是我將其應用於冷卻和捕捉中性原子的。」
光學鉗的技術於1980年代後期由阿什金和喬瑟夫·M·德季季克首次應用於生物科學，用於捕捉單一的煙草花葉病毒和大腸桿菌。在1990年代及此後，科學家如卡洛斯·布斯塔曼特、詹姆斯·斯普迪奇及史蒂芬·布洛克等人開創了光學捕捉力光譜學的應用，以表徵分子級生物馬達的特性，這些分子馬達在生物中隨處可見，負責細胞內的運動與機械作用。
光學鉗的物理原理
光學鉗可以通過施加極小的力量來操控納米和微米大小的介電粒子，甚至是單個原子，這些力量是通過高凝聚的激光束實現的。激光束通常是通過顯微鏡物鏡聚焦。就在聚焦束的最窄地點，即束腰，電場的振幅在空間中快速變化。介電粒子受到光束的梯度吸引，使其移至電場最強的地方，即光束的中心。
「光學鉗的操作類似簡單的彈簧，在被捕捉的粒子偏離捕捉中心的不遠處生效。」
光學鉗尤其對單分子的操控十分敏感，常用來研究附著在特定顆粒上的DNA及其與各種蛋白質和酶的相互作用。這種對單分子的控制，對於量化科學測量極為重要，但大多數光學鉗的運行方式使得介電粒子在捕捉中心附近的位移不會太大。
光學鉗的應用前景
隨著研究的進展，光學鉗的技術不僅限於基礎研究，更在合成生物學、遺傳研究和細胞運動學等各個領域展現出其應用潛力。在2003年，光學鉗的技術首次用在細胞分類上，通過在樣本區域上創建大的光學強度模式，無需標記即可依據細胞自身的光學特性進行分類。
不僅如此，光學鉗還被用來探測細胞骨架、測量生物聚合物的粘彈性，甚至研究細胞運動。2011年提出的一種生物分子檢測法，通過光學捕捉和檢測配體塗覆納米粒子群的相互作用，至2013年更取得了實驗驗證。
展望未來，光學鉗技術的簡化和小型化將讓更多的研究者受益，同時也可能在量子科學中扮演重要角色。是否可以預見，光學鉗的技術將如何進一步改變我們對微觀世界的理解與應用呢？
