第 96 期 2005-04-28

研究發展
雷射光鉗技術簡介及其應用

日常生活中,我們經常利用一些工具來搬運、夾取物體。例如,工地中搬運泥土的挖土機、吃飯時我們所用的筷子,還有用來夾微小零件的鑷子等。但是當物體越來越小,小到物體大小跟頭髮直徑差不多,甚至像是微生物體、細胞、或是DNA 時,我們要用什麼工具來執行搬運、夾取等動作?

在1970年代,Arthur Ashkin等人首先提出利用光壓(Optical Pressure)操弄微小粒子的概念。究竟「光」是如何能鉗住物體呢?我們以圖一來做簡單的說明,若將一束雷射由上而下做高度聚焦,並在焦點附近放置一數微米(μm)大小的塑膠微粒。此時,粒子上有兩種作用力—一是光子因折射造成動量改變而產生的光力,二是光子因散射造成動量改變而產生的光力。在兩作用力的總合使得粒子就像被鉗住一般,這種光學鉗住稱為「雷射光鉗」 (Optical Tweezers or Laser Trap)。經過30年來的發展,雷射光鉗因為是一種非接觸性與非侵入性的工具,目前已被廣泛的應用於細胞生物力學、分子生物學、藥物研發、細胞分群、微機械、微測量技術等,並且新的應用方式及應用範圍也仍持續被發現中。


目前國家衛生研究院醫學工程研究組已完成了一自製雷射光鉗系統(如圖二),並可成功的鉗住次微米至數十微米的塑膠粒子。我們的實驗架構是以一台倒立式的顯微鏡為基礎,經我們修改後,在物鏡下方加裝了2個Dichroic反射鏡將兩道雷射光引入。系統所使用的兩束雷射分別是︰ 為鉗住粒子或細胞的雷射(波長:1064nm),另一為追蹤粒子或細胞位置的雷射(波長:532nm)。光鉗光路由下而上,經高度聚焦至樣本槽中並鉗住粒子。樣本槽上方的聚光鏡(Condenser)除了可匯聚照明光外,同時也匯聚雷射光至顯微鏡上方的四象限光電感測器(Quadrant Photo Position Detecter, QPD)。當粒子因受力而產生位置偏移,光電感測器便會產生電壓,可藉此判斷粒子受力平衡時的情況。


此系統已應用於直徑約為10μm的單一白血球細胞/內皮細胞(THP-1/HUVEC)間黏粘力(Adhesion Force)的量測,並得到了結果(如圖三)。OB顯示THP-1在此時跟HUVEC產生黏粘(Adhesion bond),一旦開始施加一作用力要將黏粘情況分開時,THP-1在光鉗中的位置會有所偏離,且THP-1的觸角(Microvillus)會被拉伸。當力量大到足以將黏粘分開,曲線便返回基線,此時布朗運動(Brownian Motion)會較為明顯。一般以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)的量測細胞間黏粘力,需要將細胞先沾黏在懸臂式探針(Cantilever Tip)上,再以探針壓迫目標細胞,在此過程中可能會傷害細胞而不知。然而,使用雷射光鉗系統,細胞經實驗過後仍可存活,並且在獲取的訊號中可觀察到細胞黏彈性的力學特性。

雷射光鉗具有捕捉、搬運、與操縱微小粒子的功能。一般而言,其力量大小在10的-12次方牛頓等級,因此還可以用來量測微小拉力。若配合特殊波長的雷射光源,非常適合應用在基礎分子生物的研究上,例如可以利用雷射光鉗來量測運動蛋白質(Motor Protein)的運動力,或是篩選細胞、微生物等之應用,而成為生物研究的利器。我們希望這樣的一套系統,可以更廣泛應用在生物科技領域,對醫療衛生與健康研究有所貢獻。期望在將來,能夠將雷射光鉗應用在更多研究方面。
《文:黃煥常、王仕康;圖:雷射光鉗技術應用》