光镊与差动共焦显示术整合系统在蛋白质弹性研究中的应用

由于光镊对被操纵物的轴向位移检测技术发展并未不成熟,因此引入差动共焦显微术与光镊相结合,并以肌凝蛋白与肌动蛋白为样本,测量蛋白质对微球在缓冲液中自然扰动的影响。结果表明,微球在蛋白质环境中有较大的扰动现象,但此扰动在肌凝蛋白-肌动蛋白的结合影响下随轴向抬升而明显降低。此外,还即时检测到肌凝蛋白-肌动蛋白的结合会延迟微球的轴向运动的特性。本系统的动态测量范围可达3μm以上,结合其纳米解析度,适合应用于蛋白质的弹性研究中。     

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.     

利用光镊计算工具箱实现光镊系统的参量评价

光镊所捕获的微球尺度常常落在中间尺度上,导致相关参量难于计算.OTT1光镊工具箱是一种基于广义Lorenz-Mie理论的T-matrix方法,它的发展使得对光镊系统的详细计算和评价成为可能.本文对光镊的轴向捕获特性曲线、线性性和刚度,以及杜克系列微球的互换性做了计算和评价.结果表明:光镊所用物镜的数值孔径越接近水的折射率捕获效果越好;0.8~1.2 μm的聚苯乙烯微球组成的光镊刚度较大;直径在2 μm以下的聚苯乙烯微球组成的光镊线性度较好;0.8~2 μm的Duke系列聚苯乙烯微球的互换性较好,便于纳米光镊的修正与实验;要避免米共振微球的直径要在2.5 μm以下.     

利用光镊计算工具箱实现光镊系统的参量评价

光镊所捕获的微球尺度常常落在中间尺度上,导致相关参量难于计算.OTT1光镊工具箱是一种基于广义Lorenz-Mie理论的T-matrix方法,它的发展使得对光镊系统的详细计算和评价成为可能.本文对光镊的轴向捕获特性曲线、线性性和刚度,以及杜克系列微球的互换性做了计算和评价.结果表明:光镊所用物镜的数值孔径越接近水的折射...     

时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力

本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近俘获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播.讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊俘获微球时,邻近微球对光阱力的影响.特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,仿真结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的俘获力更大;被光镊稳定俘获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态. 关键词： 光镊 光阱力 介质微球 时域有限差分法(FDTD)     

基于视觉原理和流体力学法的全息光镊三维光阱刚度测量

为了检测全息光镊的捕获能力,将基于视觉原理的光学测量系统用于全息光镊三维光阱刚度的测量.光学系统采用对称分布的双光源照射样品池,形成两个像点,通过跟踪像点位移获取被全息光镊捕获微球的三维位移信息.结合流体力学法测出本光学系统中单、双光阱的三维光阱刚度.实验结果表明:单光阱中,沿X、Y水平方向光阱刚度相差不大,而轴向光阱刚度落在水平方向的1/3~1/4范围;双光阱中,离光轴(即衍射中心)近的光阱其三维刚度要比距离光轴稍远的光阱要大,说明越靠近衍射中心,光的衍射效率越高,产生的光阱捕获能力也越强.     

有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析

光镊是研究单分子生物物理特性的独特工具, 因而光镊设备的研发是一个极为重要的课题. 本文根据矩阵光学, 对基于有限远共轭显微镜的光镊操控光路进行计算, 得出了阱位径向操控和轴向操控方程, 并分析了光束调控系统、 共焦系统后置透镜和耦合透镜安装位置误差及物镜轴向位置调整对光镊阱位径向及轴向操控精度的影响. 计算结果显示, 当物镜初级像面和耦合透镜像方焦面完全重合, 光束调控系统和耦合透镜的距离误差对阱位径向和轴向操控精度没有影响. 光镊系统元器件定位不准时, 基于无限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差都小于基于有限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差. 当光镊耦合透镜定位误差控制在小于10 mm时, 基于有限远共轭显微镜光镊的径向和轴向操控误差分别小于5.9%和11.4%, 有限远共轭显微镜仍然存在改造为光镊的价值.本文理论为基于有限远共轭显微镜的光镊设计、改造和操控提供理论和实验指导. 关键词： 光镊 光学设计 矩阵 误差     

微米级锥形光纤的近场光镊

分别从理论和实验上分析了光纤表面倏逝场强度的分布(z=10 nm, 100 nm, 500 nm,1 000 nm),研究了微米级光纤光镊对微球的操纵。实验中把直径为125 m的普通单模光纤拉制成锥腰直径为2 m的锥形光纤。当光纤通光时,在光纤锥区倏逝场的作用下,直径3 m的聚苯乙烯微球保持平衡状态,并且光纤附近的微球被吸引到光纤表面,以5.3 m /s的速度沿着光束的传播方向运动。这个实验不仅实现了对微球的成功捕获,而且验证了光纤光镊的力学作用。光纤光镊对微球的无接触、无损伤操纵,将在生物传感领域有潜在的应用。     

全内反射瞬逝场照明高精度磁镊及其在DNA解旋酶研究中的应用

传统磁镊的测量精度受限于磁球的布朗涨落, 当磁力小于约10 pN时, 磁球的布朗涨落明显增大, 对应磁镊的空间分辨率显著下降. 为了提高传统磁镊在小力条件下的测量精度, 本文将全内反射荧光技术引入到磁镊技术中, 并建立相适应的“磁球-手柄-荧光微球-待测生物分子”单分子连接系统, 在小力条件下(小于10 pN)获得纳米量级的测量精度. 应用改进的磁镊对DNA发卡的折叠-去折叠态的转变过程进行了研究, 依据DNA发卡的折叠-去折叠态转变的性质对全内反射场的穿透深度进行了校正, 并结合实验结果对改进后的磁镊的测量精度进行分析. 观察了Bloom解旋酶的解旋动力学过程, 获得初步实验结果, 证实了改进的磁镊在单分子研究中的实用性. 关键词： 磁镊 全内反射荧光 DNA发卡 解旋酶     

光镊轴向阱位操控及器件安装误差对径向阱位操控的影响

光镊利用光学梯度力捕获和操控微小粒子,已经成为深入研究生物分子间相互作用等微观机制的独特技术.光镊光束操控系统一般由扩束输入镜、扩束输出镜、调焦透镜、耦合透镜和压电转镜等光学元器件组成,以保证物镜后瞳充满的前提下实现光镊阱位操控.光镊阱位的三维精确操控是实现光镊位钳和力钳模式的基本条件.本文根据矩阵光学,对基于无穷远校正显微镜的光镊操控光路进行计算,分析扩束输入镜、调焦透镜和物镜轴向位置调整,以及压电转镜、调焦透镜和耦合透镜安装位置误差对光镊径向阱位操控精度的影响,得到了物镜高度调整基本不会影响光镊径向位置操控,压电转镜和调焦透镜的安装位置误差对光镊径向阱位操控精度影响最大等结论,提出了能够实现径向阱位精确操控的轴向阱位动态操控范围,为光镊设计和操控提供理论和实验指导.     

聚焦光场俘获微球的FDTD分析

基于动量守恒原理,采用2维时域有限差分方法(2D FDTD)建立了激光场对微米量级微球的作用力模型,讨论了入射高斯光场的波长、束腰半径、微球的折射率和半径等对聚焦光场俘获力的影响.结果表明：位于聚焦光场中特定位置的微球可被俘获,当离轴距离增加,俘获力减小.微球所受到的俘获力与微球的折射率有关,当小于环境折射率时(如汽泡),不能形成俘获,而被推离光场.模拟结果与其他文献中报道的实验结果一致. 关键词： 光镊 俘获力 时域差分有限方法(FDTD) 动量守恒     

聚焦透镜的像散对光阱力的影响

根据里查德-沃耳夫矢量积分公式,研究了径向偏振光通过具有像散的大数值孔径物镜后在焦点附近的光阱力。着重研究像散对轴向和横向光阱力的影响。研究结果表明,像散的存在导致了光阱力的势垒减弱,光阱中心的偏移,甚至是改变了有效捕捉区域,这将严重影响了光镊的轴向和横向对粒子的捕捉。通过对改变数值孔径的大小和孔径与光腰的比值,以及对不同大小的粒子捕捉效果的对比,可以改变像散对粒子捕捉影响的程度,从而改善像散对光阱力的影响,这对于光镊等精密仪器的操作是十分必要的。     

两种单光纤光镊捕获效果的数值仿真与实验研究

采用一种基于时域有限差分(FDTD)的数值算法,仿真计算了抛物线形和大锥角形两种新型单光纤光镊的出射光场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求得介质球在两种光场中受到的光阱力,得到大锥角型光纤端产生的光阱力较大的结论;讨论了不同介质球大小、折射率,光纤探针形状对光阱力的影响.在实验中这两种光纤探针都实现了对水中酵母菌细胞的捕获,且采用流体力学法对抛物线形和大锥角形二种新型单光纤光镊产生的光阱力进行了标定.结果表明:基于FDTD数值仿真方法计算受力与实验结果一致,并且这种计算光纤光镊产生的光阱力的方法简单.适用;且抛物线形和大锥角形光纤探头都具备构成单光纤光镊的条件.     

基于片层光照明的新型单分子横向磁镊

磁镊是一种高精度的单分子技术,它用磁场对连有生物大分子的超顺磁球产生磁力,通过追踪磁球的位置来测量生物大分子的长度信息.磁镊包括横向磁镊和纵向磁镊.纵向磁镊空间精度高,但昂贵;横向磁镊简单便宜,但由于受其成像原理的限制,一般情况下只能连接较长的DNA等生物大分子,且其空间精度较差,进而限制了其应用范围.为了解决这个问题,本文改进了横向磁镊,用片层光照明的方法使光线主要被磁球散射,从而能够直接观察到吸附在样品槽侧壁上的磁球,这使得测量短连接的底物成为可能.对于实际应用的检测,首先测试了包含270 bp发卡结构的0.5μm双链DNA,用其中发卡结构的"折叠-去折叠"跳变过程证明了改进后的横向磁镊的确可以追踪短DNA等生物大分子.然后,进一步用16μm的λ-DNA检验了实验系统.最后,将新型横向磁镊与普通横向磁镊及纵向磁镊在小力和大力条件下拉伸不同长度DNA的噪声进行了比较,发现改进后的横向磁镊在空间精度上明显优于普通横向磁镊,与纵向磁镊相比也无明显差异.以上结果证明了改进后的横向磁镊的精度优势,并扩展了横向磁镊的应用范围.     

真空光镊技术与应用

真空光镊是一种能够在真空环境中稳定悬浮微纳颗粒的技术,在近十年中得到广泛关注并被研究改进,已成为能够进行精密测量、微观热力学研究以及宏观量子性探索等工作的重要物理平台.本文回顾了光镊的发展历史,介绍了真空光镊的原理、关键技术,列举了真空光镊的应用方向,最后展望了真空光镊未来的应用前景.     

采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验

以超连续谱激光器作为捕获光源,首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统,实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置,采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换,计算得到功率谱,与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明,捕获光束的功率为28 mW时,光阱刚度达到1.3×10-6N/m,高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同,超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势,通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。     

硅基纳米光镊结构的热分析和捕获特性

针对金属纳米光镊结构进行捕获时存在的光热效应问题,设计了一种硅基双纳米球的光镊结构。采用基于三维频域有限元的算法,对比分析了硅基双纳米球与金基双纳米球结构的增强场分布以及在对聚苯乙烯颗粒捕获势能相同条件下的热效应,发现硅基结构具有发热小、在高光场强度下捕获稳定性好的优点。对所设计的硅基双纳米球结构对聚苯乙烯颗粒的捕获特性进行模拟分析,在稳态场下研究了不同直径颗粒在不同位置受到的捕获力情况。研究结果表明,硅基纳米光镊结构在对微粒进行稳定捕获的同时可有效降低结构热效应带来的影响。     

激光应用 激光生物学

Q63 2005031772 光镊技术测量生物大分子间的结合强度=Measuring the adhesion of biomacromolecules by optical tweezers[刊, 中]／沈为民(中国科学技术大学物理系．合肥微尺度物质 科学国家实验室(筹)．安徽,合肥(230026)),李银妹…∥ 应用激光．-2004,24(4)．-233-236 构建了一个借助微米小球为“手柄”,用光镊间接操控 生物大分子,进而测定生物大分子之间结合强度的实验方 法。具体实验以抗体A6D蛋白(肌醇磷酸激酶的单克隆 抗体)与抗原P14-kinase(肌醇磷脂激酶)为例,对它们之间 结合强度进行了实验研究。该方法可望为生物大分子相     

基于光纤光镊的粒子捕获与操纵

光镊技术利用光的力学特性实现对微纳尺度物体的操纵,是研究自然科学中微观物质的重要技术手段.光纤光镊因其结构紧凑、便于集成、操作灵活、适用范围广等优点,成为广泛应用于光学捕获和光学操纵的工具.本文综述了近年来光纤光镊在微观粒子光学操纵方面的研究进展,以单模光纤、多芯光纤、环形芯光纤、同轴双波导光纤为例介绍了光纤光镊对目标粒子的捕获、旋转、输运、振动等操作,列举了光纤光镊技术在温度传感、染料激光器、粒径测量和粒子输运等领域的应用,并介绍了光纤光镊技术应用于光的波粒二象性演示实验的教学成果.     

一种用于细胞操作的单光纤光镊研究

采用一种抛物线形光纤针作为基本器件,设计制作了单光纤光镊系统.用时域有限差分（Finite Difference Time Domain,FDTD）的方法仿真了抛物线型光纤探针的出射场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求出不同介质球半径和折射率情况下,介质球受到的横向和纵向光作用力.实验中此单光纤光镊系统实现了对水中酵母细胞的空间捕获,并且结合两个抛物线形光纤针实现了酵母细胞在两个光势阱中的转移交接.这种单光纤光镊系统结构简单、紧凑,操纵灵活,便于调整.可以适应更多的生物细胞和生物分子的光微操作需求.