基于多焦点光场调控的动态光学捕获研究
发布时间：2022-02-14 13:29
光学捕获技术（也称光镊技术）因其可以对微粒进行高精度、无破坏的捕获、操控以及观察而被广泛研究。从生物化学、医药科学到物理研究等诸多领域,光镊技术都发挥了重要作用。多焦点光场调控因其高效、多位置和可并行等优点一直受到众多研究者的重视,并在多个领域得到了应用。因为多焦点光场应用在光学捕获上可实现多微粒同时捕获,微粒独立可控的优点。所以,近年来,利用多焦点光场去进行光学捕获的研究成为一个趋势。实现高稳定性和高精确性的多焦点光学捕获,关键点在于多焦点光场的调控设计。因此为了得到焦点能量分布均匀、焦点位置准确、衍射效率高、焦点可控的阵列光斑以实现多焦点光学捕获,本文对多焦点阵列光场的产生进行了多方面的研究。具体内容如下:1.基于Richards–Wolf矢量衍射理论提出了一种在紧聚焦系统中,利用环形分区相位（annular subzone phases,ASPs）的非迭代方法产生三维可控动态多焦点阵列的方法,此方法的优势体现在使用了非迭代的算法得到了高准确度、高均匀性、位置可调以及可加载涡旋光束的三维多焦点阵列,简化了运算过程,提高了效率。并且,此方法的可行性在计算模拟和实验上都得到了很好的验证...
【文章来源】：鲁东大学山东省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光束透射介电微粒的受力示意图
基于多焦点光场调控的动态光学捕获研究5图1.2利用光镊提取单条染色体[12,13]。(a)中期分裂的水稻活细胞；(b)脉冲激光对细胞穿孔使之破裂，释放出染色体；(c)荧光激发的染色体，用光镊提取其中单条染色体；(d)-(f)光镊操控单条染色体分离；(g)-(h)利用微吸管收集分离的染色体1.2.2光镊与分子生物学由于生物分子的空间尺度在纳米量级以及生物分子间的作用力的皮牛量级，因此，若想对其进行微观操作研究，如研究生物分子水平的微小力和运动步幅，测量速度、力、位移等，自然生物分子或突变生物分子的周期和其他物理量来解释生命运动的规律，光镊技术正好满足要求。由于光镊具有自由灵活的操控性，因此生物学研究者们利用光镊对生物分子的运动进行实时跟踪，进而计算得到生物分子的动力学及力学性质。光镊在生物分子及其他分子上的成熟应用，逐渐让研究者们用在了研究生物物理学或生物化学的精细过程中，促进了人们从根本上对生命活动和生命规律的探索和认识。光镊对大分子的测量和控制并不是直接控制，而是通过一个“手柄”小球间接的测量和控制。依据此间接性的原理，目前已发展了多种方法通过光镊实现对生物大分子的测量，比如利用单光镊、双光镊以及光镊与微针的结合的方式等，具有很好的应用前景。在对生物分子的研究中，驱动蛋白作为一种可以自我驱动运动的酶一直是热门的研究对象。图1.3（a）显示了利用光镊和“手柄”小球对驱动蛋白运动特性的实验研究[14]。首先在干净的载玻片上固定一个微管，然后把预敷好驱动蛋白的纳米硅球利用光镊的方法放置到刚固定好的微管上。在显微镜的观察下，纳米硅球将会沿着微管运动。驱动蛋白运动实验的分子分解过程如图1.3（b）所示。图1.3（b）左侧显示为移交手模型中染料分子移动了16.6纳米；图1.3（b）?
基于多焦点光场调控的动态光学捕获研究6移动。实验结果证明，驱动蛋白的运动模式是一种移交手模式[15]。图1.3(a)驱动蛋白的运动研究[14]；(b)两种经典运动模式图1.2.3光镊与胶体科学一种物质或者几种物质高度分散到另一种物质(称为分散介质)中所形成的体系叫做分散体系。分散程度的大小是表征分散体系特性的重要依据，所以通常按分散程度的不同把分散体系分成三类：粗分散体系（悬浊液）；胶体分散体系（胶体）和分子分散体系（溶液）。对于分散体系的研究，一定会牵涉到微粒与流体相互作用的研究。然而众所周知，流体的科学研究通过实验的方式是非常困难的，因为各种不确定性因素的存在，我们不能很好的控制变量。对于我们科研者来说，实验困难从不意味着放弃实验，任何一个好的理论总离不开实验的验证与完善。因此，为了更好的控制变量，更清晰的从实验中认识分散体系中的物理学特性，对于分散体系的研究便成了单粒子相互作用过程的研究。捕获，夹持是光镊最大的特点，而此特点正好可以帮助我们控制微粒，进而精确研究微粒在流体中的物理学参数。如利用光镊研究微粒相互作用势[16]，长程引力相互作用[17]，研究布朗运动和扩散以及其他动力学性质，研究流体动力学相互作用[18]等。在光镊发展的历史进程中，光镊早已不仅仅是生物科学的得力助手，更是胶体科学研究中的重要工具。Xu等人利用光镊捕获微粒使两微粒碰撞并直接用显微镜进行观察[19]，通过统计两粒子在多次碰撞后的结合和分散状态，得到两粒子相互作用的物理学特性。具体的实验方法为：用同一个光镊同时捕获到两个粒子，然后短时的关闭光镊。观察两例子的分散结合情况，统计得出两粒子碰撞后的结合概率。由光镊控制后的粒子的三种状态如图1.4所示。两个粒子在光阱中被光镊连续捕获并
【参考文献】：
期刊论文
[1]光镊技术的研究现况[J]. 李银妹,龚雷,李迪,刘伟伟,钟敏成,周金华,王自强,姚焜. 中国激光. 2015(01)
[2]Tunable rectangular array illuminator in periodically poled LiNbO3 crystal[J]. 李秋颖,霍娟,赵晓辉,陈险峰. Chinese Optics Letters. 2014(05)
[3]双光镊测量胶体微粒间相互作用势[J]. 任洪亮,庄礼辉,李银妹. 中国激光. 2008(01)
[4]生命科学研究中的光镊技术[J]. 李银妹,楼立人. 生命科学仪器. 2004(04)
[5]光镊技术中的纳米位移探测及其测量误差讨论[J]. 陈洪涛,李银妹,楼立人,孙黎,张达,龚錾. 中国激光. 2004(06)
[6]应用光学微操作技术分选单条水稻染色体[J]. 王浩威,刘晓辉,李银妹,韩斌,楼立人,王康俊. 生物物理学报. 2004(01)
[7]利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转[J]. 高明伟,高春清,何晓燕,李家泽,魏光辉. 物理学报. 2004(02)
[8]纳米光镊技术——新兴的纳米生物技术[J]. 李银妹,楼立人. 激光与光电子学进展. 2003(01)
本文编号：3624648
【文章来源】：鲁东大学山东省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光束透射介电微粒的受力示意图
基于多焦点光场调控的动态光学捕获研究5图1.2利用光镊提取单条染色体[12,13]。(a)中期分裂的水稻活细胞；(b)脉冲激光对细胞穿孔使之破裂，释放出染色体；(c)荧光激发的染色体，用光镊提取其中单条染色体；(d)-(f)光镊操控单条染色体分离；(g)-(h)利用微吸管收集分离的染色体1.2.2光镊与分子生物学由于生物分子的空间尺度在纳米量级以及生物分子间的作用力的皮牛量级，因此，若想对其进行微观操作研究，如研究生物分子水平的微小力和运动步幅，测量速度、力、位移等，自然生物分子或突变生物分子的周期和其他物理量来解释生命运动的规律，光镊技术正好满足要求。由于光镊具有自由灵活的操控性，因此生物学研究者们利用光镊对生物分子的运动进行实时跟踪，进而计算得到生物分子的动力学及力学性质。光镊在生物分子及其他分子上的成熟应用，逐渐让研究者们用在了研究生物物理学或生物化学的精细过程中，促进了人们从根本上对生命活动和生命规律的探索和认识。光镊对大分子的测量和控制并不是直接控制，而是通过一个“手柄”小球间接的测量和控制。依据此间接性的原理，目前已发展了多种方法通过光镊实现对生物大分子的测量，比如利用单光镊、双光镊以及光镊与微针的结合的方式等，具有很好的应用前景。在对生物分子的研究中，驱动蛋白作为一种可以自我驱动运动的酶一直是热门的研究对象。图1.3（a）显示了利用光镊和“手柄”小球对驱动蛋白运动特性的实验研究[14]。首先在干净的载玻片上固定一个微管，然后把预敷好驱动蛋白的纳米硅球利用光镊的方法放置到刚固定好的微管上。在显微镜的观察下，纳米硅球将会沿着微管运动。驱动蛋白运动实验的分子分解过程如图1.3（b）所示。图1.3（b）左侧显示为移交手模型中染料分子移动了16.6纳米；图1.3（b）?
基于多焦点光场调控的动态光学捕获研究6移动。实验结果证明，驱动蛋白的运动模式是一种移交手模式[15]。图1.3(a)驱动蛋白的运动研究[14]；(b)两种经典运动模式图1.2.3光镊与胶体科学一种物质或者几种物质高度分散到另一种物质(称为分散介质)中所形成的体系叫做分散体系。分散程度的大小是表征分散体系特性的重要依据，所以通常按分散程度的不同把分散体系分成三类：粗分散体系（悬浊液）；胶体分散体系（胶体）和分子分散体系（溶液）。对于分散体系的研究，一定会牵涉到微粒与流体相互作用的研究。然而众所周知，流体的科学研究通过实验的方式是非常困难的，因为各种不确定性因素的存在，我们不能很好的控制变量。对于我们科研者来说，实验困难从不意味着放弃实验，任何一个好的理论总离不开实验的验证与完善。因此，为了更好的控制变量，更清晰的从实验中认识分散体系中的物理学特性，对于分散体系的研究便成了单粒子相互作用过程的研究。捕获，夹持是光镊最大的特点，而此特点正好可以帮助我们控制微粒，进而精确研究微粒在流体中的物理学参数。如利用光镊研究微粒相互作用势[16]，长程引力相互作用[17]，研究布朗运动和扩散以及其他动力学性质，研究流体动力学相互作用[18]等。在光镊发展的历史进程中，光镊早已不仅仅是生物科学的得力助手，更是胶体科学研究中的重要工具。Xu等人利用光镊捕获微粒使两微粒碰撞并直接用显微镜进行观察[19]，通过统计两粒子在多次碰撞后的结合和分散状态，得到两粒子相互作用的物理学特性。具体的实验方法为：用同一个光镊同时捕获到两个粒子，然后短时的关闭光镊。观察两例子的分散结合情况，统计得出两粒子碰撞后的结合概率。由光镊控制后的粒子的三种状态如图1.4所示。两个粒子在光阱中被光镊连续捕获并
【参考文献】：
期刊论文
[1]光镊技术的研究现况[J]. 李银妹,龚雷,李迪,刘伟伟,钟敏成,周金华,王自强,姚焜. 中国激光. 2015(01)
[2]Tunable rectangular array illuminator in periodically poled LiNbO3 crystal[J]. 李秋颖,霍娟,赵晓辉,陈险峰. Chinese Optics Letters. 2014(05)
[3]双光镊测量胶体微粒间相互作用势[J]. 任洪亮,庄礼辉,李银妹. 中国激光. 2008(01)
[4]生命科学研究中的光镊技术[J]. 李银妹,楼立人. 生命科学仪器. 2004(04)
[5]光镊技术中的纳米位移探测及其测量误差讨论[J]. 陈洪涛,李银妹,楼立人,孙黎,张达,龚錾. 中国激光. 2004(06)
[6]应用光学微操作技术分选单条水稻染色体[J]. 王浩威,刘晓辉,李银妹,韩斌,楼立人,王康俊. 生物物理学报. 2004(01)
[7]利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转[J]. 高明伟,高春清,何晓燕,李家泽,魏光辉. 物理学报. 2004(02)
[8]纳米光镊技术——新兴的纳米生物技术[J]. 李银妹,楼立人. 激光与光电子学进展. 2003(01)
本文编号：3624648
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