光镊纳米尺度力测量：在生物光子学中的应用与展望

光镊纳米尺度力测量：在生物光子学中的应用与展望

纳米科技

作者：Sindy

2025-06-21

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论文信息

图1 光镊力学测量示意图

研究背景

光镊技术凭借其对微纳粒子的非接触操控能力，已成为生物物理学与纳米科学研究的革命性工具。其皮牛级力测量精度为揭示生命系统的微观力学机制提供了独特优势，尤其在生物大分子（DNA、蛋白质）、细胞力学及胶体相互作用研究中展现不可替代性。随着光镊技术的快速发展，系统梳理其力学测量原理、应用场景与技术挑战，对推动生物光子学与纳米医学的交叉创新具有重要意义。本文综述了光镊在纳米力学测量领域的最新进展，涵盖基础原理、胶体与生物系统研究，并展望了光热镊等新兴技术的潜力。

光镊基础原理和测量方法

在力测量方法上，光镊主要采用黏滞阻力法和胡克陷阱力法。黏滞阻力法基于流体力学公式 F=−6πηrν，通过测量粒子运动速度计算作用力，适用于低雷诺数条件下的流体环境。胡克陷阱力法则利用光阱的类弹簧特性，通过公式 Ftrap=−kxx，由陷阱刚度 kx 和粒子位移 x 直接计算力值，其线性响应范围是精确测量的关键。

陷阱刚度的校准是光镊测量的核心环节，主要分为流体力学方法和热涨落分析方法。前者包括简谐驱动力法、三角波驱动法等，通过粒子受迫振动的相位差或位移响应计算刚度；后者如玻尔兹曼统计法、功率谱法等，利用布朗运动特性分析陷阱的能量分布，实现刚度的精确标定。

胶体相互作用中的力测量

在胶体科学领域，光镊被广泛用于研究卡西米尔力、范德华力和双电层力等基础作用力。卡西米尔力作为一种由量子涨落引起的长程作用力，在纳米器件设计中至关重要。光镊通过精确控制微球间距，结合斯托克斯-法克森校准，成功实现了溶液中微球间飞牛顿级卡西米尔力的直接测量。在临界二元流体体系中，光镊与全内反射显微镜结合，揭示了表面亲疏水性对临界卡西米尔力的调控机制 。

范德华力作为分子间多极静电耦合的结果，在蛋白质折叠与配体结合中起关键作用。光镊可以通过振荡光阱诱导聚苯乙烯与二氧化硅微球的周期性振动，利用卡方最小化方法拟合得到哈梅克常数，实现色散力的直接测量。对于带电胶体粒子，双电层力的调控是胶体稳定性的核心。光镊通过双光阱系统测量红细胞间的排斥力，结合德拜长度与zeta电位分析，验证了电解质浓度对双电层厚度的影响。

DNA分子的力学测量

DNA 作为遗传信息的载体，其力学特性与生物功能（如转录、复制、折叠）密切相关。光镊技术因其高灵敏度和非侵入性，成为研究 DNA 分子在单分子水平受力行为的核心工具。本章聚焦光镊在 DNA 分子力测量中的应用，系统阐述 DNA 构象转变、光热操控及分子间作用力的研究进展，揭示其在生物物理与生物技术领域的关键价值。DNA 的力学行为可通过 “蠕虫状链（WLC）模型” 描述，该模型将 DNA 视为具有弯曲刚度的柔性链。光镊拉伸实验表明，双链 DNA（dsDNA）在低力（<40 pN）下符合 WLC 模型，而在 65–70 pN 时发生从 B 型到 S 型的构象转变，超过 110 pN 则解旋为单链 DNA（ssDNA）。此时，DNA 会形成 “过拉伸相12”（P-DNA），表现出不同于常规双螺旋的超螺旋结构。

传统光镊因衍射极限和激光损伤限制，难以有效捕获 DNA。光热镊通过激光加热产生温度梯度，利用热泳效应（粒子沿温度梯度迁移）和热弹性形变实现 DNA 操控。例如，在聚乙二醇（PEG）溶液中，ssDNA 因更高的热泳迁移率，在激光焦点处的聚集速率显著高于 dsDNA。

除了DNA力学测量，光镊也可用于RNA聚合酶的转录力测量。Davenport等人将 RNA聚合酶固定于微吸管，通过光镊施加反向力（2–8 pN），揭示了机械力对基因表达的调控作用。Abbondanzieri团队利用高稳定双光束光镊，测得大肠杆菌RNA聚合酶在27 pN张力下的力-速度曲线，为转录机制提供了定量依据。

图2 利用光镊测量的力-伸长曲线以及DNA在拉伸过程中的构象变化

蛋白质分子力学测量

蛋白质作为生命活动的主要执行者，其构象变化与机械力密切相关。从分子马达的定向运动到酶催化的能量转换，力的调控贯穿蛋白质功能的各个层面。光镊技术凭借皮牛顿级力分辨率和单分子操作能力，成为解析蛋白质力学行为的核心工具。本章系统梳理光镊在蛋白质去折叠/复折叠、分子马达动态测量中的进展，揭示其在生物物理机制与疾病研究中的关键价值。

光镊通过施加可控外力，可诱导单个蛋白质分子的折叠与展开。例如，Cecconi团队利用光镊对大肠杆菌核糖核酸酶（RNase H）施加拉伸力，观察其构象变化。在核糖体翻译调控研究中，Goldman团队通过光镊- 微吸管系统对新生肽链施加机械力，发现至少10 pN的力可解除SecM蛋白对核糖体的停滞效应，揭示了机械力作为“分子开关”调控翻译延伸的机制。

分子马达通过水解 ATP 产生定向运动。Svoboda 等人利用干涉测量光镊，测得驱动蛋白沿微管移动的步长为 8 nm，测得约 5 pN的作用力。心肌肌球蛋白的力产生机制是肌肉收缩的核心。Woody 等人利用高时间分辨率光镊（采样频率 kHz 级），测得心肌肌球蛋白在生理条件下可维持 4.5 pN 的持续力，揭示了其生物化学能转化为机械功的原理，为理解心肌细胞工作机制提供了新的见解。

图3 光镊作用下肌动蛋白的力学测量

细菌与细胞的力学测量

细胞作为生命的基本单元，其力学特性（如膜弹性、细胞间相互作用）与生理病理过程密切相关。光镊技术以非侵入性、单细胞操控优势，成为量化细胞力学行为的核心工具。本章聚焦光镊在细胞膜张力、细胞间 / 内作用力测量中的进展，揭示其在疾病诊断与细胞生物学研究中的应用价值。

细胞膜的弹性模量和表面张力被认为与健康状况有关，是反映细胞状态的关键指标。Lim 团队利用光镊拉伸人红细胞，施加超过 400 pN 的力，测得膜剪切模量为 11–18 μN/m。2019 年，Claudia 等人总结了细胞膜分子键强度的测量方法，主要利用光镊施加外力并检测分子键断裂时的力值。通过光镊操控细胞膜上的受体至临界状态，测量被俘获微珠的位移以确定分子键断裂力的大小。

图4 使用光镊拉伸红细胞

光热镊力测量研究

光热镊作为光镊技术的新兴分支，通过光诱导的热效应（如热泳、热对流、马兰戈尼效应等）实现微纳粒子操控与力测量。传统光镊依赖高功率激光产生光学势阱，在生物样本应用中面临光损伤和衍射极限限制，而光热镊以低功率、宽光谱适应性等优势，成为皮飞牛级轻力测量的潜在工具。光热镊通过激光照射金属薄膜（如金膜）或纳米颗粒，将光能转化为热能，产生弹性形变，或在周围介质中形成温度梯度。粒子在温度场中受热泳力驱动，其方向由粒子与介质的热扩散系数差异决定。例如，在水溶液中，聚苯乙烯（PS）粒子因负的索雷特系数向低温区迁移，而金纳米颗粒则趋向高温区。此外，热引发的自然对流和马兰戈尼流（表面张力梯度驱动）也可产生操控力。

HAONT系统通过光热诱导的扩散泳和热渗透流，可操控多种纳米颗粒（如金纳米球、病毒颗粒）。其净捕获力在陷阱中心附近呈线性，为病毒-细胞相互作用研究提供新工具。光热镊的力分辨率达飞牛级，适用于轻力测量（如生物分子间弱相互作用）。可类比传统光镊的胡克定律区间。但光热镊的温度不均匀性和表面修饰需求（如PEG）限制了其在活细胞中的直接应用。

图5 HAONT系统操纵纳米微粒

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。

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