轴向光镊技术应用力与作用范围的增强研究

本研究针对轴向光镊（axial optical tweezers）在生物力学检测中力值范围受限的问题，通过分析光学像差效应和非线性响应特性，提出了一种扩展校准力空间范围的新方法。该技术可在降低激光功率的条件下实现dsDNA线性拉伸和过度拉伸转变的观测，为高精度单分子力学研究提供了新策略。

　　

在单分子生物物理研究领域，光镊技术（optical tweezers）已成为探究蛋白质相互作用和核酸力学特性的重要工具。传统横向光镊虽能施加较大作用力，但其几何构型在模拟生理环境时存在局限性。相比之下，轴向光镊（axial optical tweezers）因其与生物分子自然伸展方向的一致性，特别适合进行蛋白结合力（rupture force）测量等生物力学实验。然而该技术长期面临两大瓶颈：一是作用力强度显著弱于横向光镊，需依赖高功率激光维持线性恢复力；二是作用范围受限，难以在深部样品中实施有效操控。

针对这些挑战，发表在《Biophysical Reports》的研究通过系统性分析光学像差（aberration effects）和非线性力学响应，建立了增强轴向光镊性能的新方法。研究人员首先量化了微粒远离光阱中心时的非线性位移-力关系，发现传统线性校准模型在长程作用时会产生显著偏差。通过引入高阶校正项，成功将校准力的有效作用范围扩展了3.8倍。实验证明，优化后的系统仅需传统方法42%的激光功率即可实现dsDNA从B型到S型构象的过度拉伸转变（overstretching transition），其力值测量精度达到±0.12 pN。

关键技术包括：1）基于波前传感器的像差量化技术；2）光阱刚度（trap stiffness）的非线性标定方法；3）双光束干涉式位移检测系统；4）使用λ-DNA构建单分子力学模型。

研究结果显示：

1. 像差补偿效应
   通过Zernike多项式拟合发现，补偿前5阶像差可使光阱效率提升27%，在1.5 μm位移范围内保持力值线性度（R²

0.98）。

1. 非线性力场拓展
   当微粒位移超过500 nm时，非线性校正模型比线性模型力值预测准确度提高83%，最大适用力值达156 pN。

2. dsDNA力学验证
   在23.5 μW/μm²
   功率密度下成功观测到65 pN的DNA过度拉伸平台，与传统高功率（55 μW/μm²
   ）实验结果吻合。

该研究的意义在于：首次建立了轴向光镊的全范围力学校准体系，通过物理模型创新而非单纯提高激光功率来实现性能突破。这种"软硬件协同优化"策略不仅降低了光毒性风险，更为活细胞内深部单分子操纵提供了新可能。特别是对膜蛋白相互作用研究等需要长时程观测的实验，该方法可显著延长样本活性窗口期。未来通过整合自适应光学系统，有望实现三维非接触式细胞器操控等更复杂的生物力学研究。