Since their invention just over 20 years ago, optical traps have emerged as a powerful tool with broad-reaching applications in biology and physics. Capabilities have evolved from simple manipulation to the application of calibrated forces on—and the measurement of nanometer-level displacements of—optically trapped objects. We review progress in the development of optical trapping apparatus, including instrument design considerations, position detection schemes and calibration techniques, with an emphasis on recent advances. We conclude with a brief summary of innovative optical trapping configurations and applications.

1.
A.
Ashkin
,
Phys. Rev. Lett.
24
,
156
(
1970
).
2.
A.
Ashkin
and
J. M.
Dziedzic
,
Appl. Phys. Lett.
19
,
283
(
1971
).
3.
A.
Ashkin
et al.,
Opt. Lett.
11
,
288
(
1986
).
4.
A.
Ashkin
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
6
,
841
(
2000
).
5.
S.
Chu
et al.,
Phys. Rev. Lett.
57
,
314
(
1986
).
6.
A.
Ashkin
,
J. M.
Dziedzic
, and
T.
Yamane
,
Nature (London)
330
,
769
(
1987
).
7.
A.
Ashkin
and
J. M.
Dziedzic
,
Science
235
,
1517
(
1987
).
8.
M. J.
Lang
and
S. M.
Block
,
Am. J. Phys.
71
,
201
(
2003
).
9.
K.
Svoboda
and
S. M.
Block
,
Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.
23
,
247
(
1994
).
10.
A. D.
Mehta
,
J. T.
Finer
, and
J. A.
Spudich
,
Methods Enzymol.
298
,
436
(
1998
).
11.
A. D.
Mehta
et al.,
Science
283
,
1689
(
1999
).
12.
S. C.
Kuo
,
Traffic
2
,
757
(
2001
).
13.
A.
Ishijima
and
T.
Yanagida
,
Trends Biochem. Sci.
26
,
438
(
2001
).
14.
Y.
Ishii
,
A.
Ishijima
, and
T.
Yanagida
,
Trends Biotechnol.
19
,
211
(
2001
).
15.
S.
Jeney
,
E. L.
Florin
, and
J. K.
Horber
,
Methods Mol. Biol.
164
,
91
(
2001
).
16.
S.
Khan
and
M. P.
Sheetz
,
Annu. Rev. Biochem.
66
,
785
(
1997
).
17.
R.
Simmons
,
Curr. Biol.
6
,
392
(
1996
).
18.
C.
Bustamante
,
J. C.
Macosko
, and
G. J.
Wuite
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
1
,
130
(
2000
).
19.
M. D.
Wang
,
Curr. Opin. Biotechnol.
10
,
81
(
1999
).
20.
D. G.
Grier
,
Nature (London)
424
,
810
(
2003
).
21.
D. G.
Grier
,
Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
2
,
264
(
1997
).
22.
J.K. H.
Horber
, Atomic Force Microscopy in Cell Biology (Academic, San Diego,
2002
), pp.
1
31
.
23.
H.
Lowen
,
J. Phys.: Condens. Matter
13
,
R415
(
2001
).
24.
R.
Bar-Ziv
,
E.
Moses
, and
P.
Nelson
,
Biophys. J.
75
,
294
(
1998
).
25.
P. T.
Korda
,
M. B.
Taylor
, and
D. G.
Grier
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
128301
(
2002
).
26.
L. A.
Hough
and
H. D.
Ou-Yang
,
Phys. Rev. E
65
,
021906
(
2002
).
27.
B. H.
Lin
,
J.
Yu
, and
S. A.
Rice
,
Phys. Rev. E
62
,
3909
(
2000
).
28.
J. C.
Crocker
and
D. G.
Grier
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
1897
(
1996
).
29.
J. C.
Crocker
and
D. G.
Grier
,
Phys. Rev. Lett.
73
,
352
(
1994
).
30.
C.
Bustamante
,
Z.
Bryant
, and
S. B.
Smith
,
Nature (London)
421
,
423
(
2003
).
31.
C.
Bustamante
et al.,
Curr. Opin. Struct. Biol.
10
,
279
(
2000
).
32.
L. H.
Pope
,
M. L.
Bennink
, and
J.
Greve
,
J. Muscle Res. Cell Motil.
23
,
397
(
2002
).
33.
J. F.
Allemand
,
D.
Bensimon
, and
V.
Croquette
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
13
,
266
(
2003
).
34.
A.
Janshoff
et al.,
Angew. Chem., Int. Ed.
39
,
3213
(
2000
).
35.
B.
Onoa
et al.,
Science
299
,
1892
(
2003
).
36.
J.
Liphardt
et al.,
Science
292
,
733
(
2001
).
37.
Z.
Bryant
et al.,
Nature (London)
424
,
338
(
2003
).
38.
S. B.
Smith
,
Y. J.
Cui
, and
C.
Bustamante
,
Science
271
,
795
(
1996
).
39.
M. D.
Wang
et al.,
Biophys. J.
72
,
1335
(
1997
).
40.
T. T.
Perkins
et al.,
Science
264
,
822
(
1994
).
41.
T. T.
Perkins
,
D. E.
Smith
, and
S.
Chu
,
Science
264
,
819
(
1994
).
42.
T. T.
Perkins
et al.,
Science
268
,
83
(
1995
).
43.
K.
Wang
,
J. G.
Forbes
, and
A. J.
Jin
,
Prog. Biophys. Mol. Biol.
77
,
1
(
2001
).
44.
A.
Ashkin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
94
,
4853
(
1997
).
45.
D.
McGloin
,
V.
Garces-Chavez
, and
K.
Dholakia
,
Opt. Lett.
28
,
657
(
2003
).
46.
M. P.
MacDonald
et al.,
Science
296
,
1101
(
2002
).
47.
V.
Garces-Chavez
et al.,
Nature (London)
419
,
145
(
2002
).
48.
L.
Paterson
et al.,
Science
292
,
912
(
2001
).
49.
K.
Visscher
,
S. P.
Gross
, and
S. M.
Block
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
2
,
1066
(
1996
).
50.
K.
Visscher
and
S. M.
Block
,
Methods Enzymol.
298
,
460
(
1998
).
51.
J. E.
Molloy
,
Methods Cell Biol.
55
,
205
(
1998
).
52.
J. E.
Molloy
and
M. J.
Padgett
,
Contemp. Phys.
43
,
241
(
2002
).
53.
G. J.
Brouhard
,
H. T.
Schek
 III
, and
A. J.
Hunt
,
IEEE Trans. Biomed. Eng.
50
,
121
(
2003
).
54.
M.P.
Sheetz
, in Laser Tweezers in Cell Biology. Methods in Cell Biology, edited by
L.
Wilson
and
P.
Matsudaira
(Academic, San Diego,
1998
), Vol.
55
.
55.
S.M.
Block
, in Noninvasive Techniques in Cell Biology, edited by
J. K.
Foskett
and
S.
Grinstein
(Wiley-Liss, New York,
1990
), pp.
375
402
.
56.
S. E.
Rice
,
T. J.
Purcell
, and
J. A.
Spudich
,
Methods Enzymol.
361
,
112
(
2003
).
57.
S. B.
Smith
,
Y.
Cui
, and
C.
Bustamante
,
Methods Enzymol.
361
,
134
(
2003
).
58.
S.M.
Block
, in Constructing Optical Tweezers, Cell Biology: A Laboratory Manual, edited by
D.
Spector
,
R.
Goldman
, and
L.
Leinward
(Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, NY,
1998
).
59.
M. J.
Lang
et al.,
Biophys. J.
83
,
491
(
2002
).
60.
E.
Fallman
and
O.
Axner
,
Appl. Opt.
36
,
2107
(
1997
).
61.
E. J. G.
Peterman
et al.,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
3246
(
2003
).
63.
A.
Rohrbach
,
H.
Kress
, and
E. H.
Stelzer
,
Opt. Lett.
28
,
411
(
2003
).
64.
A.
Rohrbach
and
E. H. K.
Stelzer
,
J. Appl. Phys.
91
,
5474
(
2002
).
65.
A.
Rohrbach
and
E. H.
Stelzer
,
Appl. Opt.
41
,
2494
(
2002
).
66.
A.
Rohrbach
and
E. H.
Stelzer
,
J. Opt. Soc. Am. A Opt. Image Sci. Vis
18
,
839
, (
2001
).
67.
J.D.
Jackson
, Classical Electrodynamics, 2nd ed. (Wiley, New York,
1975
).
68.
A.
Ashkin
, Methods in Cell Biology (Academic, San Diego,
1998
), Vol.
55
, pp.
1
27
.
69.
A.
Ashkin
,
Biophys. J.
61
,
569
(
1992
).
70.
E.
Fallman
and
O.
Axner
,
Appl. Opt.
42
,
3915
(
2003
).
71.
A. T.
O’Neill
and
M. J.
Padgett
,
Opt. Commun.
193
,
45
(
2001
).
72.
N. B.
Simpson
et al.,
J. Mod. Opt.
45
,
1943
(
1998
).
73.
M. E. J.
Friese
et al.,
Appl. Opt.
35
,
7112
(
1996
).
74.
E.
Almaas
and
I.
Brevik
,
J. Opt. Soc. Am. B
12
,
2429
(
1995
).
75.
J. P.
Barton
,
J. Appl. Phys.
64
,
1632
(
1988
).
76.
J. P.
Barton
and
D. R.
Alexander
,
J. Appl. Phys.
66
,
2800
(
1989
).
77.
J. P.
Barton
,
D. R.
Alexander
, and
S. A.
Schaub
,
J. Appl. Phys.
66
,
4594
(
1989
).
78.
P.
Zemanek
,
A.
Jonas
, and
M.
Liska
,
J. Opt. Soc. Am. A Opt. Image Sci. Vis
19
,
1025
(
2002
).
79.
G.
Gouesbet
and
G.
Grehan
,
Atomization Sprays
10
,
277
(
2000
).
80.
K. F.
Ren
,
G.
Greha
, and
G.
Gouesbet
,
Opt. Commun.
108
,
343
(
1994
).
81.
K.
Visscher
,
M. J.
Schnitzer
, and
S. M.
Block
,
Nature (London)
400
,
184
(
1999
).
82.
M. D.
Wang
et al.,
Science
282
,
902
(
1998
).
83.
G. J.
Wuite
et al.,
Nature (London)
404
,
103
(
2000
).
84.
R. S.
Rock
et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
98
,
13655
(
2001
).
85.
S. M.
Block
et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
100
,
2351
(
2003
).
86.
T. T.
Perkins
et al.,
Science
301
,
1914
(
2003
).
87.
K. C.
Neuman
et al.,
Cell
115
,
437
(
2003
).
88.
K.
Adelman
et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
99
,
13538
(
2002
).
89.
<http://www.cellrobotics.com>
90.
<http://www.arryx.com/home1.html>
91.
E. R.
Dufresne
et al.,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
1810
(
2001
).
92.
J. E.
Curtis
,
B. A.
Koss
, and
D. G.
Grier
,
Opt. Commun.
207
,
169
(
2002
).
93.
<http://www.palm-mikrolaser.com>
94.
S. P.
Gross
,
Methods Enzymol.
361
,
162
(
2003
).
95.
K. C.
Neuman
et al.,
Biophys. J.
77
,
2856
(
1999
).
96.
H.
Liang
et al.,
Biophys. J.
70
,
1529
(
1996
).
97.
I. A.
Vorobjev
et al.,
Biophys. J.
64
,
533
(
1993
).
98.
A.
Ashkin
and
J. M.
Dziedzic
,
Ber. Bunsenges. Phys. Chem. Chem. Phys.
93
,
254
(
1989
).
99.
Y.
Liu
et al.,
Biophys. J.
68
,
2137
(
1995
).
100.
E. J. G.
Peterman
,
F.
Gittes
, and
C. F.
Schmidt
,
Biophys. J.
84
,
1308
(
2003
).
101.
A.
Schonle
and
S. W.
Hell
,
Opt. Lett.
23
,
325
(
1998
).
102.
M. E. J.
Friese
et al.,
Phys. Rev. A
54
,
1593
(
1996
).
103.
G. J.
Wuite
et al.,
Biophys. J.
79
,
1155
(
2000
).
104.
W.
Grange
et al.,
Rev. Sci. Instrum.
73
,
2308
(
2002
).
105.
S.
Inoue
and
K.R.
Spring
, Video Microscopy: The Fundamentals, 2nd ed. (Plenum, New York,
1997
).
106.
H.
Misawa
et al.,
J. Appl. Phys.
70
,
3829
(
1991
).
107.
S. C.
Kuo
and
J. L.
McGrath
,
Nature (London)
407
,
1026
(
2000
).
108.
Y. L.
Kuo
et al.,
Arch. Androl
44
,
29
(
2000
).
109.
S.
Yamada
,
D.
Wirtz
, and
S. C.
Kuo
,
Biophys. J.
78
,
1736
(
2000
).
110.
M. K.
Cheezum
,
W. F.
Walker
, and
W. H.
Guilford
,
Biophys. J.
81
,
2378
(
2001
).
111.
R. E.
Thompson
,
D. R.
Larson
, and
W. W.
Webb
,
Biophys. J.
82
,
2775
(
2002
).
112.
J. C.
Crocker
and
D. G.
Grier
,
J. Colloid Interface Sci.
179
,
298
(
1996
).
113.
C.
Gosse
and
V.
Croquette
,
Biophys. J.
82
,
3314
(
2002
).
114.
M.
Keller
,
J.
Schilling
, and
E.
Sackmann
,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
3626
(
2001
).
115.
V.
Croquette
(personal communication).
116.
J. T.
Finer
,
R. M.
Simmons
, and
J. A.
Spudich
,
Nature (London)
368
,
113
(
1994
).
117.
J. E.
Molloy
et al.,
Biophys. J.
68
,
S298
(
1995
).
118.
W.
Denk
and
W. W.
Webb
,
Appl. Opt.
29
,
2382
(
1990
).
119.
K.
Svoboda
et al.,
Nature (London)
365
,
721
(
1993
).
120.
F.
Gittes
and
C. F.
Schmidt
,
Opt. Lett.
23
,
7
(
1998
).
121.
F.
Gittes
and
C. F.
Schmidt
,
Biophys. J.
74
,
A183
(
1998
).
122.
M. W.
Allersma
et al.,
Biophys. J.
74
,
1074
(
1998
).
123.
L. P.
Ghislain
and
W. W.
Webb
,
Opt. Lett.
18
,
1678
(
1993
).
124.
L. P.
Ghislain
,
N. A.
Switz
, and
W. W.
Webb
,
Rev. Sci. Instrum.
65
,
2762
(
1994
).
125.
I. M.
Peters
et al.,
Rev. Sci. Instrum.
69
,
2762
(
1998
).
126.
M. E. J.
Friese
et al.,
Appl. Opt.
38
,
6597
(
1999
).
127.
E. L.
Florin
et al.,
J. Struct. Biol.
119
,
202
(
1997
).
128.
E. L.
Florin
,
J. K. H.
Horber
, and
E. H. K.
Stelzer
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
446
(
1996
).
129.
Z. X.
Zhang
et al.,
Appl. Opt.
37
,
2766
(
1998
).
130.
A.
Jonas
,
P.
Zemanek
, and
E. L.
Florin
,
Opt. Lett.
26
,
1466
(
2001
).
131.
K.
Sasaki
,
M.
Tsukima
, and
H.
Masuhara
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
37
(
1997
).
132.
A. R.
Clapp
,
A. G.
Ruta
, and
R. B.
Dickinson
,
Rev. Sci. Instrum.
70
,
2627
(
1999
).
133.
A.E.
Siegman
,
Lasers University Science Books
(Sausalito, CA,
1986
), p.
1283
.
134.
K.
Berg-Sorensen
et al.,
J. Appl. Phys.
93
,
3167
(
2003
).
135.
S. J.
Koch
and
M. D.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
028103
(
2003
).
136.
B. D.
Brower-Toland
et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
99
,
1960
(
2002
).
137.
S. J.
Koch
et al.,
Biophys. J.
83
,
1098
(
2002
).
138.
M. J.
Lang
,
P. M.
Fordyce
, and
S. M.
Block
,
J. Biol.
2
,
6
(
2003
).
139.
T. D.
Visser
and
S. H.
Wiersma
,
J. Opt. Soc. Am. A Opt. Image Sci. Vis
9
,
2034
(
1992
).
140.
S. H.
Wiersma
et al.,
J. Opt. Soc. Am. A Opt. Image Sci. Vis
14
,
1482
(
1997
).
141.
S. H.
Wiersma
and
T. D.
Visser
,
J. Opt. Soc. Am. A Opt. Image Sci. Vis
13
,
320
(
1996
).
142.
K.
Carlsson
,
J. Microsc.
163
,
167
(
1991
).
143.
P.
Bartlett
,
S. I.
Henderson
, and
S. J.
Mitchell
,
Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A
359
,
883
(
2001
).
144.
S.
Hell
et al.,
J. Microsc.
169
,
391
(
1993
).
145.
J.
Radler
and
E.
Sackmann
,
Langmuir
8
,
848
(
1992
).
146.
K.C.
Neuman
,
E.A.
Abbondanzieri
, and
S.M.
Block
(unpublished).
147.
H.
Brenner
,
Chem. Eng. Sci.
16
,
242
(
1961
).
148.
K.
Berg-So/rensen
and
H.
Flyvbjerg
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
594
(
2004
).
149.
I. M.
Toliæ-No/rrelykke
,
K.
Berg-So/rensen
, and
H.
Flyvbjerg
,
Comput. Phys. Commun.
159
,
225
(
2004
).
150.
T. R.
Strick
et al.,
Biophys. J.
74
,
2016
(
1998
).
151.
T. R.
Strick
et al.,
Science
271
,
1835
(
1996
).
152.
Y.
Harada
and
T.
Asakura
,
Opt. Commun.
124
,
529
(
1996
).
153.
K.
Svoboda
and
S. M.
Block
,
Cell
77
,
773
(
1994
).
154.
P. C.
Chaumet
and
M.
Nieto-Vesperinas
,
Opt. Lett.
25
,
1065
(
2000
).
155.
P. C.
Chaumet
and
M.
Nieto–Vesperinas
,
Phys. Rev. B
61
,
4119
(
2000
).
156.
G.
Gouesbet
,
B.
Maheu
, and
G.
Grehan
,
J. Opt. Soc. Am. A Opt. Image Sci. Vis
5
,
1427
(
1988
).
157.
Y. K.
Nahmias
and
D. J.
Odde
,
Int. J. Quantum Chem.
38
,
131
(
2002
).
158.
W. H.
Wright
,
G. J.
Sonek
, and
M. W.
Berns
,
Appl. Opt.
33
,
1735
(
1994
).
159.
W. H.
Wright
,
G. J.
Sonek
, and
M. W.
Berns
,
Appl. Phys. Lett.
63
,
715
(
1993
).
160.
T.
Funatsu
et al.,
Biophys. Chem.
68
,
63
(
1997
).
161.
A.
Ishijima
et al.,
Cell
92
,
161
(
1998
).
162.
K.
Dholakia
,
G.
Spalding
, and
M.
MacDonald
,
Phys. World
15
,
31
(
2002
).
163.
S. M.
Barnett
and
L.
Allen
,
Opt. Commun.
110
,
670
(
1994
).
164.
L.
Allen
et al.,
Phys. Rev. A
45
,
8185
(
1992
).
165.
H.
He
et al.,
Phys. Rev. Lett.
75
,
826
(
1995
).
166.
M. E. J.
Friese
et al.,
Nature (London)
394
,
348
(
1998
).
167.
E.
Higurashi
,
R.
Sawada
, and
T.
Ito
,
J. Micromech. Microeng.
11
,
140
(
2001
).
168.
E.
Higurashi
,
R.
Sawada
, and
T.
Ito
,
Phys. Rev. E
59
,
3676
(
1999
).
169.
S.
Sato
,
M.
Ishigure
, and
H.
Inaba
,
Electron. Lett.
27
,
1831
(
1991
).
170.
M.
Padgett
et al.,
Am. J. Phys.
64
,
77
(
1996
).
171.
E.
Higurashi
et al.,
Appl. Phys. Lett.
64
,
2209
(
1994
).
172.
E.
Higurashi
et al.,
J. Appl. Phys.
82
,
2773
(
1997
).
173.
R. C.
Gauthier
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
2269
(
1995
).
174.
R. C.
Gauthier
,
Appl. Opt.
40
,
1961
(
2001
).
175.
A. D.
Rowe
et al.,
J. Mod. Opt.
50
,
1539
(
2003
).
176.
H.
He
,
N. R.
Heckenberg
, and
H.
Rubinsztein-Dunlop
,
J. Mod. Opt.
42
,
217
(
1995
).
177.
E. R.
Dufresne
and
D. G.
Grier
,
Rev. Sci. Instrum.
69
,
1974
(
1998
).
178.
P.
Korda
et al.,
Rev. Sci. Instrum.
73
,
1956
(
2002
).
179.
D. M.
Mueth
et al.,
Phys. Rev. Lett.
77
,
578
(
1996
).
180.
J.
Liesener
et al.,
Opt. Commun.
185
,
77
(
2000
).
181.
M.
Reicherter
et al.,
Opt. Lett.
24
,
608
(
1999
).
182.
J. E.
Curtis
and
D. G.
Grier
,
Opt. Lett.
28
,
872
(
2003
).
183.
Y.
Igasaki
et al.,
Opt. Rev.
6
,
339
(
1999
).
184.
A.
van Blaaderen
et al.,
Faraday Discuss.
123
,
107
(
2003
).
185.
W. J.
Hossack
et al.,
Opt. Express
11
,
2053
(
2003
).
186.
J. W.
Shaevitz
et al.,
Nature (London)
426
,
684
(
2003
).
187.
H.
Noji
et al.,
Nature (London)
386
,
299
(
1997
).
188.
C.
Jarzynski
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
2690
(
1997
).
189.
J.
Liphardt
et al.,
Science
296
,
1832
(
2002
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.