基于流体力学法测量倒置显微镜式光镊的光阱力开题报告

全文总字数：4600字

1. 研究目的与意义（文献综述）

19 世纪麦克斯韦创立了电磁场理论，指出光的本质是电磁波，具有能量和动量，光与物质间相互作用可以产生光辐射压。 20 世纪60 年代，激光这一高强度、高准直度的光源的出现，给光辐射压力的研究带来了可能。1970 年，arthur ashkin 等人在实验中观察到了激光束中粒子的二维束缚^[1]，随后用两束会聚激光产生三维束缚,粒子可被加速、减速和稳定捕获^[2]。直到 1986 年，ashkin等人发现将单束激光束经高数值孔径的物镜高度聚焦后，在光束焦点附近可形成三维光学势阱，称为单光束梯度力势阱^[3]，能够稳定地捕获和操纵粒子，通常被称为“光镊”。

光镊技术可实现对微纳米级粒子的束缚与操纵，对 pn 量级的生物微作用力以及纳米级的微小位移的定量测定，因此这种技术广泛应用于物理、化学和生命科学等领域。由于光镊对粒子的操控属于非接触性、低损伤性的操控，也不会对粒子所处的环境造成损害，与传统手段相比，在对微观粒子、细胞乃至生物大分子的操作上有着巨大优势，其在生物学尤其是单细胞分子层次的研究具有广阔的发展前景。

随着光镊技术的迅速发展，光镊由最初的单光束光镊已发展到多光束光镊、特殊光束光镊、光纤光镊以及光致旋转等技术。单光束光镊作为基本的光镊系统结构，兼具微纳粒子的捕获与测力功能，具有着结构简单、操作方便、可扩展性强等诸多优点，具有非常重要的研究意义。在研究过程中，光阱力的测量是非常重要的一个环节，特别是最大捕获力或最大光阱力，其大小也是评价光镊性能的重要指标。测量捕获力的方法主要有流体力学法、热运动分析法、功率谱法等。其中，流体力学法简单易行，对大到几十微米小到几百纳米的粒子都可以进行测量。基于此，本文主要是利用流体力学法测量倒置显微镜式光镊对微粒（酵母菌和聚苯乙烯颗粒）的捕获力，并分析其误差。

在国外光镊技术一直是研究热点之一，研究单位有最早发明光镊的美国贝尔实验室、斯坦福大学、麻省理工学院、英国曼彻斯特大学、德国欧洲生物分子学实验室以及日本osaka大学等。1993 年 block 和 svoboda 等人在美国rowland 研究院把光镊与双光束干涉仪结合起来，发现驱动蛋白分子以步进方式运动，步幅为 8nm，时间间隔为毫秒量级^[4]。1997 年，schnitzer 等人通过实验进一步得到，驱动蛋白每走一步需通过水解一个 atp 分子来提供消耗的能量^[5]。近年来一个趋势是光镊与其它技术进行结合。哈佛大学的mazur 等人使用飞秒激光与光镊相结合，从单个细胞器到多细胞组织这个范围内对生物样品进行了精确切除^[6]。美国 east carolina大学的 xie 等人采用拉曼光谱光镊技术，首先用光镊捕获固定住一个待测的目标细胞，然后激发并探测到该目标细胞的拉曼光谱^[7]。在光镊仪器方面，国外很多光学仪器公司推出的成品光镊仪器具有良好的可操作性和测量精度。如日本 jpk 公司推出的 nanotraker2 具有飞牛级别的测力分辨率，可以检测到亚纳米级别的位移，并且具有优秀的稳定性与抗噪声能力，能够适用于绝大数生物分子力学实验。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容及目标：

在本研究中，激光束进入倒置式生物显微镜的高倍显微物镜后高度聚焦形成光阱，将样品中的粒子捕获于焦点附近，利用流体力学法来测量光阱力的大小。研究内容主要为以下几项：

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需背景知识（光镊的概念、原理与发展状况、力的测量方法、实验系统构成等）。确定方案，完成开题报告。

第 4 周：完成英文文献翻译。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] a. ashkin. acceleration and trapping of particles by radiation pressure[j]. physical review letters, 1970, 24(4): 156-159.

[2] a. ashkin, dziedzic j m. optical levitation by radiation pressure[j]. applied physics letters, 1971, 19(8): 283-285.

[3] a. ashkin, j. m. dziedzic, j. e. bjorkholm, and steven chu observation of a single–beam gradient force optical trap for dielectric particles[j] . optics letters, 1986, 11(5): 288-290.