. از طریق گرفتن ذرات چسبیده به انتهای مولکول ها و کشیدن آنها می توانیم ویژگی های کشسانی DNA را اندازه گیری کنیم. اگر ذرات به دام بیافتند راحت تر می توانند شناسایی شوند.
اگرچه مد های پرتوی لیزر استفاده شده در دستکاری میکروسکوپی نوری هم در فاز و هم در دامنه متنوع هستند، بیشتر آنالیز های تئوری دستکاری میکروسکوپی نوری در صفحه عرضی هنوز بر چگونگی انتقال تکانه خطی نور به ذرات استوار می باشد. اشکین [2]دو روش متفاوت دستکاری میکروسکوپی ارائه کرد که بر اساس اندازه¬ی میکروذرات نسبت به طول موج نور مورد استفاده در دام های نوری پایه گذاری شده بود.
در علم اتمسفری، ثابت شده است که ذرات معلق در هوا با توجه به اندازه خود نور را پخش می کنند. وقتی نور در حوزه رایلی پراکنده می شود، اندازه¬ی ذرات پراکنده شده کوچکتر از طول موج نور است. بنابراین به این نتیجه می رسیم که مسئول رنگ قرمز غروب آفتاب و آبی آسمان، جداسازی زاویه دار است. وقتی نور در حوزه می اتفاق می افتد، ذرات پخش شونده مانند دود و قطرات آب و گردوغبار، بزرگتر از طول موج نور ها هستند. پراکندگی می مسئول سفیدی رنگ ابرها است.
با دنبال کردن همان روش، اشکین بیان کرد که دستکاری میکروسکوپی نوری توسط دو روش مجزا آنالیز می شود. یکی از این روش ها رویکرد اپتیک پرتویی برای ذرات می می باشد (قطر ذرات بزرگتر از طول موج نور) و دیگری تقریب دو قطبی الکتریکی برای ذرات رایلی است (طول موج نور بزرگتر از قطر ذرات). (شکل1-1)
شکل1-1: طول موج نور بر حسب قطر ذره که حوزه آنالیز را مشخص می کند.
1-2 نیروی اپتیکی:
نیروی اپتیکی اصلی از گرادیان شدت میدان الکتریکی حاصل می شود ( نیروی گرادیان ). بیشترین گرادیان با پرتو لیزر شدیدا متمرکز شده حاصل می شود. اگر ضریب شکست ذره بزرگتر از ضریب شکست محیط احاطه کننده ( معمولا آب ) باشد، با کانونی کردن قوی، یک محبوس سازی سه بعدی می تواند به دست آید. نیروی گرادیان، شیء را در جهت گرادیان میدان الکتریکی هل می دهد. شیء در ناحیه ای با شدت میدان بالا به تله می افتد.

نیروهای اپتیکی معمولا با رابطه زیر تعریف می شوند:
(1-1)
در رابطه بالا Q فاکتور بی بعد است، نسبت ضریب شکست های ذره و محیط می باشد و P توان لیزر است.
زمانی که نیرو با رابطه بالا تعریف شود فاکتورهای اصلی Q و هستند. فاکتور دوم تکانه فرودی بر ثانیه از باریکه لیزر در یک محیط با ضریب شکست می باشد. نیروها تنها زمانی اعمال می شوند که تکانه فرودی بر ثانیه، یا دامنه یا جهتش را تغییر دهد. فاکتور Q این تغییر را توصیف می کند. در یک سیستم با P و ثابت ( که اغلب چنین است ) تنها فاکتور Q نیروی وارد به شیء را تعیین می کند. فاکتور Q به طول موج، قطبش، ساختار مد، نسبت ضرایب و هندسه ذره بستگی دارد. نیروی فشار تابشی از یک پرتویی با تکانه بر ثانیه زمانی که Q=2 باشد، بزرگ خواهد بود. این متناظر با پرتو بازتابیده عمود بر روی آینه کاملا بازتابنده است.
در تله اندازی اپتیکی دو نوع نیروی اپتیکی بین تله اندازی و هل دادن ذره به بیرون تله رقابت می کنند نیروی گرادیان ذره به دام افتاده را حفظ می کند در حالی که نیروی پراکندگی ذره را به بیرون از تله در جهت باریکه هل می دهد.
اگر شعاع ذره خیلی کوچکتر از طول موج نور باشد ذره به عنوان ذره رایلی بحث می شود بنابراین تقریب دو قطبی الکتریکی یا سازوکار رایلی استفاده می شود. در مواردی که شعاع ذره بزرگتر از طول موج باشد یک سازوکار اپتیک پرتویی ساده کافیست.

1-3 فشار اپتیکی:
شکل 1-2 پرتوهای بازتابیده و شکسته شده را نشان می دهد که در آن زاویه فرودی و زاویه بازتابید، زاویه شکست، تکانه فرودی، تکانه بازتابیده و تکانه شکست می باشد. نیروی فشار اپتیکی یعنی تغییر تکانه بر ثانیه به صورتی عمل می کند که تکانه نور در مرز پایسته باشد. جهت فشار اپتیکی عمود به سطح است. زیرا تکانه در جهت عرضی پیوسته است. نیروی فشار اپتیکی F ناشی شده از بازتابش و شکست در صفحه تداخل به وسیله رابطه زیر که تغییر تکانه را در جهت عمود در نظر می گیرد داده می شود:
(1-2)
که در آن c سرعت نور در خلا، T و R به ترتیب ضرایب فرنل عبور و بازتابش هستند. در مورد نور قطبیده دایروی R به صورت میانگین برای قطبش s و برای قطبش p به صورت زیر داده می شود:
(1-3)
آن جا هیچ جذبی در نظر گرفته نشده است یعنی.
(1-4)
فشار اپتیکی کل عمل کننده روی اشیاء میکرونی، جمع برداری نیروی های اعمالی بر روی سطح مقطع کل

شکل1-2: وابستگی بین پرتو نور فرودی، شکست و بازتابش در مرز دو محیط
1-4 معرفی انبرک های نوری
تصور کنید بتوانید تک سلولی را بدون برخورد فیزیکی بردارید. مثل یک داستان علمی تخیلی بنظر می آید. با به کار بردن ویژگی های بخصوص پرتوی لیزر، انبرک نوری می تواند به راحتی این کار را انجام دهد. انبرک های نوری (OT)، پرتوهای نوری متمرکز شده ای هستند که قادر به گیر انداختن و دستکاری ذرات ریز بوسیله مزیت های اثر فشار تابشی می باشد ( از اندازه میکرون تا اندازه نانومتر). انبرک های نوری از پرتوی لیزر یا پرتوها استفاده می کنند تا فشارهای پیکونیوتن خیلی قوی تولیدکنند که بتوانند اجسام میکروسکوپی را دست کاری کند. این توانایی در مطالعاتی مانند سلول های بیولوژیکی، موتورهای مولکولی، میکرو ماشین، میکروفلوئید، فیزیک کلوئیدی و ویژگی های پرتو های لیزر مورد استفاده قرار می گیرد. انبرک ها برای اولین بار توسط محققان آزمایشگاه بل در سال 1986 توسط آرتور اشکین ارائه شدند. موضوعات اولیه را می توان به وسیله ی قوانین نیوتون توضیح داد. زیرا نور با خود نیروی حرکت حمل می کند و تغییر مسیر نور به معنای این است که نیرویی باید با آن تغییر همراه شود. انبرکهای نوری در واقع باریکه لیزر کانونی شده توسط عدسی شیئی با گشودگی عددی(Numerical Aperture) بالا می باشند. وقتی ذرات در نزدیکی کانون لیزر قرار میگیرند نیرویی از طرف باریکه ی لیزر بر آنها وارد میشود. این نیرو در حالت کلی به دو مولفه تقسیم میشود. نیروی پراکندگی در جهت انتشار باریکه لیزر و نیروی گرادیانی که در راستای گرادیان شدت باریکه لیزر است. نیروی گرادیانی به عنوان عامل اصلی بوجود آمدن تله نوری، تعیین کننده بهره ی تله است. در واقع این نیرو یک نیروی باز گرداننده ای است که ذره ی با ضریب شکست بیشتر را از محیط پیرامونش به سمت نقاط با بیشینه ی شدت (مرکز کانون) می کشد. همانطور که از اسم این نیرو(نیروی گرادیانی )پیداست این نیرو ناشی از گرادیان شدت در کانون عدسی شیئی است و مسلمأ هر چه میزان گرادیان شدت بیشتر شود نیروی باز گرداننده تله و به عبارتی بهره تله افزایش خواهد یافت. در انبرک نوری عمومأ از باریکه های لیزر با مد عرضی TEM استفاده می شود اندازه لکه ی باریکه (قسمتی از سطح مقطع عرضی باریکه که در انجا شدت به برابر مقدارش در مرکز می رسد) نوعأ می تواند پارامترکنترلی خوبی برای اندازه¬ی لکه¬ی کانونی شده باشد هرچه ابعاد لکه ی کانونی کوچک تر باشد توزیع شدت در کانون تیزتر و نیروی گرادیانی بیشتر خواهد بود. اما مسئله ی مهمی که در اینجا مطرح میشود این است که جهت استفاده از حدکثر گشودگی عددی عدسی شیئی می بایست باریکه لیزر دهانه پشتی عدسی شیئی را کاملأ بپوشاند. از طرفی ضمن رعایت این اصل، می بایست مراقب اثرات مخرب پراش ناشی از بریده شدن باریکه¬ی لیزر باشیم.
امروزه سیستم انبرک های نوری ابزار تحقیقی مهم در بیوفیزیک به شمار می آیند. برای مثال آزمایشات DNA تک مولکولی یا برخی بررسی های سلولی به استفاده از انبرک های نوری نیازمند هستند. شتاب دهی ذرات ایجاد شده با فشار تابشی ابتدا توسط اشکین کشف شد. او با استفاده از دو پرتو لیزری رودرو منتشره، گیراندازی کره های میکروسکوپی را انجام داد. در سال 1986 تله اندازی نوری با یک پرتو لیزر که به شدت متمرکز شده بود، انجام گرفت. این تله گذاری با جابجایی تکانه بین پرتو نور و ذره به دام افتاده بوسیله یک فرآیند پراکندگی بدست آمد. این نیروی استخراج شده در ذره (یا طوقه) با نور می تواند به مولفه پراکندگی (که ذره را در جهت انتشار پرتو هل می دهد) و نیروی گرادیان (که ذره را به طرف ناحیه شدت بالا جذب می کند) تجزیه شود.
برای ایجاد یک تله ثابت محکم، نیروی گرادیان محوری باید با نیروی پراکندگی هماهنگ شود. به این مورد می توان با کانونی کردن پرتو نور با استفاده از عدسی با روزنه عددی بالا دسترسی پیدا کرد.
علاوه بر توانایی دستکاری ذرات کوچک، انبرک های نوری همچنین می توانند یک تکنیک مفید را برای اندازه گیری نیروها در دنیای میکروسکوپی تشکیل بدهند. وقتی یک نیروی خارجی به یک ذره گیر افتاده اعمال شود ذره به سوی مکان تعادلی جدیدی حرکت می کند که در آن مکان نیروی نوری، نیروی خارجی را خنثی میکند. از آن جایی که پتانسیل تله هارمونیک در نظر گرفته می شود آن می تواند در یک فرآیندی تنظیم شود که بدست آوردن ثابت سفتی( stiffness ) را شامل شود. اخیراً چندین شیوه تجربی برای اندازه گیری نیروی استخراج شده با پرتو نوری توسعه و پیشرفت پیدا کرده است.
نیروهای شامل شده در آزمایشات تله گذاری نوری را می توان با استفاده از تئوری تعمیم یافته لورنتز –می(GLMT) پیش بینی کرد. این تئوری در کل یک شیوه قاطع و پیچیده می باشد که می توان نتایج صحیح را از آن کسب کرد. به هر حال وقتی اندازه ذره کوچکتر از طول موج پرتو نوری باشد می توان از تقریب سازی معروف رایلی استفاده کرد. شیوه ریلی ساده تر از شیوه GLMT می باشد و نتایج کافی و مناسب برای اهداف بیشتر در درون محدوده قابلیت کاربرد تهیه می کند. ولی مدل پرتو نوری توصیف ساده و مستقیم را از تله گذاری نوری برای ذراتی ارائه می دهد که اندازه قطر آنها بزرگتر از طول موج لیزر بکار برده شده می باشد.
انبرک های نوری در حال حاضر یک بخش چند رشته ای و جذاب برای مطالعه در محدوه وسیع از رشته ها ارئه می دهد. برای مثال تشکیل یک گروه OTشامل مهندسی نور (طراحی سیستم نوری، میکروسکوپی) فیزیک ها (تئوری الکترومغناطیس، مکانیک های سیال)، فتونیک ها (تکنولوژی لیزر) مهندسی برق ( پردازشگر سیگنال، کنترل سخت افزار) و … می باشد.
انبرک های نوری می توانند با طیف بینی رامان، طیف بینی دو فوتونی و میکروسکوپی کانفوکال ترکیب شوند. با ترکیب انبرک های نوری با پرتوهای لیزر، محققان می توانند میکرو جراحی هایی روی ذرات انجام دهند. برای نمونه آنها می توانند کروموزوم ها را جذب کنند و سپس آنها را به ذرات کوچکتر تقسیم کنند تا با استفاده از تله گذاری IR و لیزر برنده ی سبز که به قیچی نوری معروف است، برای آنالیز بیشتر استفاده شوند. این موضوع به این دلیل امکان پذیر است که بیشتر موضوعات بیولوژیکی به جای روش نور IR استفاده در طول موج سبز جذب می شود.

1-5 دینامیک انبرک های نوری:
اگر چه انبرک های نوری منفرد در یک موقعیت ثابت شده کاربردهای بسیاری را دارند اما اغلب تمایل به داشتن یک تله ای که بتواند در نمونه های چنبری جابه جا شود وجود دارد. در شکل1-3 (آ) ساختار پایه ای انبرک های نوری نشان داده شده است. یک باریکه لیزر مستقیم به واسطه یک عدسی با طول کانون کوتاه متمرکز می شود که معمولا یک شیء میکروسکوپی است و در درون یک چنبر نمونه محتوی یک سیال با ذرات پراکنده کننده است. برای حرکت نقطه کانون و بنابراین تله اپتیکی به موقعیت مختلف در صفحه عمود به محور باریکه لیزر فرودی لازم است تا یک زاویه نسبت به محور باریکه به صورت نشان داده شده در شکل1-3(ب) داشته باشد. یک باریکه همگرا یا واگرا در سوی دیگر، صفحه کانون را در امتداد محور باریکه بالا خواهد برد 1-3(ج).
مهم است که باریکه به روزنه عقبی عدسی میکروسکوپی همیشه با قطر یکسان و در موقعیت مرکز شده یکسان برای نگه داشتن عملکرد تله نوری ضربه بزد و خصوصیاتش تغییر نکند. یک امکان، استفاده از تلسکوپ کانونی دو عدسی برای ایجاد یک صفحه در هم آمیخته اپتیکی از روزنه پشتی عدسی شیء میکروسکوپی می باشد ( شکل1-3د ). هر زاویه نشان داده شده در این صفحه، به عنوان مثال به وسیله یک آینه نگه داشته شده به وسیله یک قاب حلقوی، یک زاویه متناظر در روزنه پشتی عدسی شیء میکروسکوپی بدون یک جابه جایی در موقعیت نتیجه خواهد داد. به طور مشابه هر واگرایی ایجاد شده با یک قطر باریکه ثابت در این صفحه، با یک قطر باریکه ثابت در روزنه پشتی عدسی شیء میکروسکوپی باز تولید خواهد شد.
اگر آینه های اسکن کننده کنترل شده با کامپیوتر استفاده شود کنترل موقعیت می تواند به صورت خودکار درآید [5] . یک سازوکار مشابه، تیغه های صوتی اپتیکی در صفحه درهم آمیخته استفاده می کند (AODs) .اما AODs ها می توانند یک زاویه به وسیله استفاده کردن یک شبکه براگ دینامیکی درون یک ماده پیزوالکتریک معرفی کنند و این تابع، تنظیم شدن آهنگ خیلی بالای زاویه های انحراف مختلف را اجازه می دهد. یک کاربرد قدرتمند، انبرک های نوری زمان اشتراک می باشد که باریکه لیزر به یک مکان جهت گیری می شوند. ( نگه داشته شده در آن جا