從光鉗到生醫
From
Optical Tweezers
To
Biomedical Application
輔仁大學物理系 陳慧琪
個人簡歷
• 高一修習生物低空掠過，高二後第二類組
• 中原大學物理系學士
• 中央大學光電科學研究所博士
萬能、青雲科技大學兼任講師
蒲朗克公司兼任研發工程師
• 陽明大學博士後研究
• 輔大物理系助理教授
合作研究群
輔仁大學
生科系 呂誌翼教授
物理系 梁君致教授、林更青教授
化學系 楊恩哲教授
中央光電所 鄭益祥教授
師大光電所 鄭超仁所長
3
大綱
1.
2.
3.
4.
光鉗及光學操控簡介
光鉗在生醫上的應用
全像光鉗及其在生醫上的應用
拉曼光鉗及其在生醫上的應用
4
Acceleration & Trapping of Particles By Radiation
Pressure,
A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 1970, p156
光壓
雷射
光束
樣本溶液槽
Optical Fiber 光纖
2009 Nobel Prize 高錕
Trapping force and microsphere motion in the fiber-optic trap
H. C. Chen, Y. T. Chen, Y. J. Chang, A. Chiou, CLEO 2005
光纖光束操控微粒
7
Acceleration and Trapping of Particles by Radiation
Pressure, A. Ashkin Phys. Rev. Lett. 24, 156, 1970
Dual beam trapping
雙光束光鉗
Laser
Beam 1
Laser
Beam 2
Optical Levitation By Radiation Pressure
A. Ashkin, J. M. Dziedzic, Appl. Phys. Lett. Vol. 19, #8
283,1971
光學漂浮
Optical
force
光學力
Gravitational
Force
重力
9
Single beam trapping
單光束鉗住
A revolution in optical
manipulation,
Observation of a Single-Beam
Gradient Force Optical Trap for
Dielectric Particles
A. Ashkin, et al, Opt. Lett. V11, 288, 1986
Laser
Beam
High NA
D. G. Grier, Nature, 810, 2003
光鉗作用力原理
Ray Optics Model (R>λ)
幾何光學模型
Laser beam
Objective
ai
ar+at
ai
∆P
at
ar
n1
n2
n2>n1
∑F
11
Optical Force Microscopy
光子力顯微鏡
E. Stelzer
Optical tweezers system 光鉗系統
100倍
高度聚焦
顯微物鏡
綠
光
雷
射
13
紅
外
光
雷
射
Optical manipulation
光學操控
2μm
Rotational control within optical tweezers by use
of a rotating aperture
Anna T. O’Neil and Miles J. Padgett
Optics Letter 2002
Bio- ~ Stick-like cell manipulation
光鉗在生醫上的應用(1)
圓柱形物體在光鉗下的運動
E-coli 大腸桿菌
1μm
在光鉗下的E-coli
光鉗在生醫上的應用(2)
紅血球
RBC
單分子操控在生醫中的應用
Michelle D Wang
Analytical biotechnology
Combined optical trapping and singlemolecule fluorescence
The Optical Stretcher 光學延伸器, 2000
細胞膜彈性量測
Single Fiber Trapping
R. S. Taylor and C. Hnatovsky,
Canada, 2003
光鉗在生醫上的應用(1)
• 適當的選擇波長，不傷害生物樣品
• 單一細胞或微生物偵測
雷射波長選擇
綠光雷射鉗住紅血球
光子與物質的交互作用
光子入射被吸收
激發放射，物質吸
收光子，放射出2
個一樣的光子
自發放射，物質放射出光子
Holographic tweezers
全像光鉗
25
電腦全像光鉗-多微粒操控
2004
國立陽明大學生醫
魏名佐，楊坤達，張耀仁，陳慧琪，邱爾德
光電所
林政宏 國立台灣大學光電所;何恭璿 工業技術研究院光電所
反射式
液晶顯示器
45mW, particle~2.58μm
5μm/s
26
Work of M. Padgett, Glasgow Uni, UK
THE SMALLEST
STRIP THE WILLOW
IN THE WORLD!
3-D 操控
27
Real-time three-dimensional optical
micromanipulation of multiple particles and living
cells
P. J. Rodrigo, V. R. Daria, J. Glückstad
Opt. Lett. 2004, p2270.
Pattern formation(1)
Pattern formation(2)
光子晶體
製作
奈米製造
微流道應用
Lab on the Chip
引導神經再生,2009, DJ Carnegie
奈米粒子與生物細胞間的交互作用
奈米粒子簇
溶液
生物
細胞
Optical Vortex 光學漩渦
35
光學漩渦操控 奈米氧化鐵簇,2010
36
Raman tweezers
拉曼光鉗
Laser tweezers Raman spectrum
LTRS system
拉曼光鉗系統
CCD
Laser
L
M
IF
Spectrometer
光譜儀
DM1
DM2 or BS
M
L
L
高倍率高度聚焦
顯微物鏡
LED
CCD
M
38
光子與物質的交互作用
光子入射被吸收
激發放射，物質吸
收光子，放射出2
個一樣的光子
自發放射，物質放射出光子
Raman scattering 拉曼散射
無輻射躍遷
v=2
v=1
v=0
ν
振動能階
ν – ∆ν
ν
ν + ∆ν
h ∆ν
Rayleigh
scattering
Stokes
Raman
scattering
Anti-Stokes
Raman
scattering
v=1
v=0
∆E = h ∆ν,
∆ν : Raman shift(cm-1)
Wavenumber :cm-1
基態
Fluorescence
螢光
40
Raman spectroscopy in astrobiology,
S. E. Jorge, 2006
拉曼光譜在太空生物學的應用
41
Thermosynechococcus elongatus
高溫藍綠藻菌
42
單一活體高溫藍綠藻菌(TA01)拉曼光譜
1265
1189
1210
953
964
873
1003
δ(C-CH3)
ν(C=C)
1156
ν(C–C)
1519
β-carotene
514.5nm laser Resonance
power:10mW
acquisition time:90s
43
43
oil-producing
microalgal cells
產油微生物
不飽和指防酸:
飽和脂肪酸
EHA, DHA….
44
單一活體產油微生物拉曼光譜
514.5nm laser
45
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