光与生活——诺奖得主Arthur Ashkin

诺奖的发布在这个长假无疑吸引了很多科研人员广泛的关注, 本年度诺贝尔物理学奖授予美国科学家Arthur Ashkin,法国科学家Garard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland以表彰他们在激光物理领域的突破性发明。

其中,来自贝尔实验室的Arthur Ashkin的获奖理由在于他所发明的光镊及其在生物系统领域的广泛应用。在这里我们翻译了他曾经在《Laser & Photonics Reviews》发表的一篇社论。文中除了对如何用光抓住极小的物体这一他为之奋斗一生的课题做了通俗的介绍和前瞻性的评论外,还谈到了一些发表论文的趣事,以飨读者。

激动人心的科学发现往往会带来有深远意义的应用。一个显著的例子就是激光的发现以及其在几乎所有自然科学研究领域中的应用。在激光发现之后的50年中,有15项诺贝尔奖都是与激光相关的工作。

激光的一个非常有用的应用是捕获微小粒子的光阱,即所谓“光镊”(“光钳”)。光镊的发现可以称得上是开启全新研究领域的幸运事故。利用光学捕获的技术固定和操控微米尺度的颗粒始于1970年,距CW激光的实现不到10年。现在40多年过去了,我非常高兴地看到该领域的工作已经获得了两项诺贝尔物理奖:1997年利用激光冷冻和捕获原子,以及2001年原子的波色-爱因斯坦凝聚。这些工作也为生物学中激光捕获的发展奠定了基础。

伴随光镊技术而来的重大发现依次如下:1971年的光学悬浮;1975年和1978年分别提出的光学冷冻和光镊;1985年光学粘胶;1986年的首次原子捕获;1987年对病毒和细菌的光学捕获和操控;1989年的细胞内操控;1990年对单马达分子性能的研究;2005年通过RNA聚合酶的碱基对步进和2006年利用光镊实现的DNA测序。

在上述进展中,有两个值得注意的偶然发现。第一个是在20世纪60年代末,当时我还在Holmdel(贝尔实验室)工作,在早期工作中发现激光束可推动微米尺寸的Latex球在水中移动。这一现象来自于激光在球形介电颗粒上产生的散射力。我发现如果将一个颗粒置于一个强的光学强度梯度中,它将被横向拉至高强度的区域。这可以说是对于梯度力的一个简单理解,也是首次稳定全光学捕获的实现。

第二个偶然发现是光镊可以实现对活生物体,例如细菌和病毒,无损伤的捕获。最初我们观察到捕获腔中一些奇怪的散射,并将这些散射归因于试验中的“失误”——样品被细菌所污染。在更高强度的激光下,会产生强烈的散射,这意味着细胞的死亡,我们称之为“Opticution”。这些都是通过在传统光学显微镜中引入激光束所实现的。此后我们转而使用低强度的波长1.06微米的红外激光来降低对生物体的损伤。

现在的读者们可能很难想象,这些目前成熟的研究领域的发展绝非一帆风顺。我个人第一篇高被引Phys. Rev. Lett.工作最开始就被贝尔实验室的内部评审人基于以下理由据稿(以保护贝尔实验室的声誉):工作中没有新的物理;实际上他找不到任何错误(一种所谓的Pauli侮辱 “这甚至连错误都算不上”);这个工作大概可以发表在其他地方,而不是Phys. Rev. Lett.。最终这个工作还是被Phys. Rev. Lett.发表,并在美国物理学会100周年时被评选为原子物理中最重要的论文之一。所以开始任何新的研究内容绝非易事,其他后续的论文也受到期刊编辑的各种刁难。贝尔实验室的领导曾对我说:“光学原子捕获永远是不可行的,你不要再做了”。尽管如此,我还是觉得可以继续这方面的研究,并且我也是这样做的。

40年后, 我们回过头来看光捕获和光操控领域的发展,我常常会问自己:“如果有了激光束,光捕获是显而易见的吗?或者用专利律师的语言– 如果有了捕获的需要,任何研究激光的人都能够想到这个方法并将它实现吗?”。我怀疑不是这样!即便上述问题的答案是肯定的,他们对该领域未来的预见又有多远呢?比如像光学悬浮,原子冷冻,光镊和其他上面提到的这些技术?而且绝对不会比波色-爱因斯坦凝聚和DNA测序更远,因为这些研究在1970年代几乎不为人所知。

关于光镊潜在的应用,我想对于分子功能的观测来说,例如RNA聚合酶和DNA,它提供了AFM之外的另一个手段,而且甚至在多个方面性能要优于AFM。Steven Block和同事最近的研究工作就通过光镊得到了小于1埃的分辨率。光镊在观测样品时并不与分子发生物理接触,不会影响分子的状态。并且还可以对活细胞的内部进行观察和操控。这项技术还有一个特殊但是尚未完全利用的功能,就是通过简单的调节光压力束的强度,就可以得到最微弱的可控的作用力。

展望未来,我们又可以期待什么呢?当然远远多于以下这些热门的研究领域:单原子研究、单生物分子如机械力酶和核酸的性能和行为、单分子和组织的力学性能、粒子阵列的研究和粒子分离等等。我们无法预期一些偶然的新发现,但我们期望这些偶然出现时我们可以认出它们!

Arthur Ashkin

新泽西,2010年12月

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