光学镊和磁镊

利用光或磁场夹持微观珠粒的仪器，用于对单个附着的生物分子施加和测量皮牛顿力。

Definition

光学镊和磁镊是单分子仪器，它们利用光学或磁力夹持微球，对系留分子施加和测量受控的皮牛顿力，在磁镊的情况下还可以施加扭矩。

Scope

本主题涵盖了单分子生物物理学的两种主要力操纵方法：光学镊（通过激光焦点捕获介电珠粒）和磁镊（拉动和扭转磁性珠粒）。它解释了每种方法如何产生和校准力，它们提供了哪些可观测值，以及它们的互补优势，而机械展开和轨迹分析则在相邻主题中处理。

Core questions

• 聚焦激光束如何捕获微观珠粒？
• 镊子施加的力如何校准和测量？
• 磁镊如何同时施加扭矩和力？
• 哪种分子过程最适合用每种方法研究？

Key theories

梯度力光学捕获

紧密聚焦的激光束施加恢复性梯度力，将介电珠粒保持在焦点附近，因此微小位移报告力，珠粒充当附着分子的校准手柄。

分子力-伸展度探测

拉伸系留分子并记录其伸展度与力的关系，直接探测弹性和结构转变，例如双链DNA的过度拉伸转变。

Mechanisms

在光学镊中，聚焦激光的强度梯度使介电珠粒极化并将其拉向焦点；该捕获器表现得像一个软弹簧，因此珠粒的位移（以纳米精度跟踪）在根据热波动或粘性阻力校准后，可以给出施加的力。在磁镊中，外部场梯度拉动磁性珠粒，旋转场扭转它，从而允许施加拉伸力和受控扭矩。系留在珠粒和表面之间的单个分子因此在机械加载的同时记录其伸展度。

Clinical relevance

镊子测量揭示了对生物医学重要的马达蛋白、聚合酶和核酸的力学特性，提供了对分子机制的教育性见解，而非临床建议。

History

Ashkin于1986年演示的单束梯度光学捕获器（后来获得诺贝尔奖认可）使得单分子力实验成为可能，例如单个DNA分子的拉伸，而磁镊则增加了受控扭矩，用于研究扭曲和超螺旋。

Key figures

• Arthur Ashkin
• Steven Chu
• Carlos Bustamante
• Steven Block

Seminal works

• ashkin1986
• smith1996

Frequently asked questions

光如何将珠粒固定到位？

紧密聚焦的激光产生强度梯度，使透明珠粒极化并将其拉向最亮点，形成一个像微小弹簧一样稳定的捕获器。

光学镊和磁镊有什么区别？

光学镊提供高空间和时间分辨率以及刚性捕获，而磁镊自然地施加恒定力并可以扭转分子，使其适用于研究扭矩和超螺旋。