光镊--光的力学效应的研究及应用

激光的发明使得光的力学效应走向了实际应用,光镊是光的力学效应的典型事例。简述了光镊技术的原理和特点——无损伤操控功能和微小力的传感器,介绍具有代表性的研究成果,并展望了光的力学效应研究和应用的发展。     

光纤光镊在生物系统中的应用

对生物细胞及大分子进行无接触、无损伤、高精度的捕获及操控,是目前集成光子学、生物光子学及临床医学等交叉学科领域的国际研究热点之一。本文总结了目前光纤光镊在生物系统中的重要应用,特别是光纤光镊在单细胞操控、多细胞组装及生物细胞成像与探测领域的研究进展。因其具有制备简单、可操控及体积小等优点,光纤光镊在细胞生长、组织分化、疾病诊断与断层显微术等领域具有潜在的应用价值。     

基于电动现象的细胞光镊阱力测量

提出了一种新的细胞光阱力标定的实验方法，利用细胞电泳原理，设计并研制了一套符合用光镊测力的电动样品池系统，用它替代单光镊操作系统中的普通样品池和高精密压电位移驱动平台，可以用电压调控细胞运动速度，系统相对简单、经济．实验测量结果为：在2～18V／cm电压梯度范围内，酵母细胞的运动速度与电压梯度成正线性关系，即在皮牛量级以下，最大光阱力与光镊光源的功率成线性增加关系．测量结果表明，该方法可实现对细胞光阱力的测量，还可用来测量细胞表面电量．     

贝塞尔光镊颗粒物观测系统的设计研究

搭建贝塞尔光镊颗粒物观测系统。通过圆锥透镜产生贝塞尔光, 利用贝塞尔光施加的光压力和反向气流施加的阻力, 稳定地悬浮气溶胶颗粒物。结合弹性光散射信号, 实现对气溶胶单颗粒粒径和折射率的测量。该系统还可用于研究不同环境条件下气溶胶的吸湿性、挥发性以及折射率等物理化学性质。     

光阱中多个金纳米棒的双光子荧光效应及热熔合过程

本文利用单束、波长对应金纳米棒长轴表面等离子共振的飞秒脉冲激光对多个长度为40 nm,直径为10 nm的金纳米棒颗粒进行了光捕获,系统研究了金纳米棒颗粒在共振激光作用下的双光子荧光及光致热熔合效应.实验结果表明,在光阱捕获过程中金纳米棒颗粒会激发出明显的双光子荧光.当多个金纳米棒被光力捕获在光斑中心时,金纳米棒发生热熔化并熔合成大尺寸的金纳米团簇.利用这种单光束光镊熔合技术,我们在玻璃衬底上制备了二维有序的金纳米团簇阵列.这一研究对利用金纳米棒颗粒来制备微纳光子结构及多功能光子器件等具有重要的指导意义.     

微粒在飞秒激光光场中的受力特性分析

在分析微粒处于连续高斯光束光场和飞秒脉冲激光光场中轴向光阱力特性的基础上,用数值方法计算了两种情况下微粒所受的轴向力,比较了微粒在两种光场中所受轴向力和热效应的异同,导出了飞秒激光光镊实现对微粒捕获的条件．     

用光镊研究介质微粒在交流电场下的相互作用

综合利用光镊定位、高速摄像、图像处理系统和低介电常数电流变液颗粒，在动态情况下，直接验证交流外电场下电偶极子对间的相互作用。测量了2个μm量级的玻璃微珠之间作用力与球心间距和结构形成时间的关系，获得电流变颗粒在交流电场作用下的结构响应时间和相互作用强度。所采用的光镊－摄像－影像处理系统的空间分辨率为0．26μm，图像最高采样率为8000幅／s，对应的最优时间分辨率为125μs。由于所研究的体系使用同真实电流变颗粒同样大小的颗粒，所以对寻找更好的电流变液材料具有意义。     

光镊理论模型研究进展

根据微粒尺度与入射光波长间的关系,给出几何光学模型和电磁模型.详细描述几何光学法、时域有限差分法(FDTD)、有限元法(FEM)、广义洛伦兹-米理论(GLMT)和瑞利散射方法等计算光镊捕获力的理论,并列出T矩阵法、离散偶极子近似法(DDA)、矩量法(MOM)及耦合偶极子法(CDM)等多种数值计算方法.研究表明:在光镊技术中,这些方法可用于不同性质的光束及微粒的研究,其研究方法与过程均有所不同.     

单光刀与单光镊激光微束系统

提出了构建一种用于细胞非接触操作的激光微束系统。该系统由 Nd:YAG激光束经声压、热膨胀、汽化等综合效应实现的光刀和 He- Ne激光束经光学动力学效应实现的光镊组成。将两激光束耦合到显微镜中 ,实现了生物细胞的捕获、移动、翻转、打孔等一系列操作。在此基础上 ,分析了形成光镊所必需产生梯度力场的条件和形成光刀对能量的要求 ,进行了系统的总体设计、关键部件设计和选择 ,构建了一套激光微束操作实验系统 ,得到了预期的试验结果。在该系统上成功地实现了非接触细胞操作 ,并对染色体进行了切割。     

光镊拉曼光谱技术检测结肠癌细胞的研究

使用激光光镊拉曼光谱分析系统,测量了结肠癌病人的3种不同细胞的拉曼光谱。实验结果显示结肠癌细胞和正常细胞的拉曼光谱有明显的差异,这种差异可以由1002cm^-1和1300cm^-1处的峰值参数来标示。与正常细胞比,结肠癌细胞在1350cm^-1,1458cm^-1,1576cm^-1,1662cm^-1处的强度增加,表明在结肠癌组织细胞中核酸含量增加。在1300cm^-1,1442cm^-1,1647cm^-1,1739cm^-1处的强度减小,表明在结肠癌组织中脂类的含量减少。     

Measurements of leucocyte membrane elasticity based on the optical tweezers

A 1-μm in diameter polystyrene bead coated with lectin is trapped by optical tweezers whics is formed by a focused laser beam (740nm).A leucocyte adhered to the bottom of sample cell is chosen to close to the trapped bead.When their stable combination is confirmed,the leucocyte is displaced by moving the sample stage.A“tether”is then formed between the trapped bead and the membrane.The force acting on the tether is measured by a detector equipped on the optical tweezers system.The deformation of the membrane is diverse in different contact conditions.When the contact area is small,the tether is very thin and the force on it is 7.4pN(10^-12N),while the tether is much thicker under a larger contact area and its corresponding force is about 14pN.It is presumed that the latter is related to the deformation of cytoskeleton.     

光阱pN量级阱力的流体力学法测量系统

根据流体力学的分析 ,研究并计算了适合光镊操作生物粒子的无限大平板流场特性和流场分布 ,设计并研制了一套符合光镊pN(皮牛 )量级力测量的液体微循环系统和样品池 ,其液体微流量分流器和缓冲器解决了蠕动泵脉冲缺点 .实际测量和光阱力测试结果显示该系统满足光阱pN量级力的测量要求 .     

拉盖尔-高斯光束光镊捕获性质

利用T矩阵法研究光镊中微粒大小与入射光束波长相近时,光镊捕获效率与入射光束的阶数、微粒的折射率和尺寸大小的关系.对拉盖尔-高斯光束光镊和高斯光束光镊的轴向和横向捕获效率进行比较.计算结果表明:不同阶数的拉盖尔-高斯光束对微粒捕获效率的影响不同,阶数不超过4的拉盖尔-高斯光束的捕获效率高;微粒半径增加时,拉盖尔-高斯光束的轴向捕获效率逐渐增大,且捕获域也增加,高斯光束的最大捕获效率基本保持不变但捕获域逐渐增大;微粒折射率增加时,拉盖尔-高斯光束和高斯光束的轴向和横向捕获效率均先增加后递减,捕获效率出现了一个峰值,微粒折射率约在1.39~1.69是稳定捕获的最佳数值.     

光镊在基因治疗中的实现

基因治疗综合了物理、化学、生物、医学等多门学科的技术,应用于基因的置换、修正、修饰、失活。治疗的关键措施是基因转移,既将目的基因导入靶细胞,这里通过介绍几种普通的物理导入方法的利弊,并通过对光镊原理的分析可以看出其在该领域的优势和重要地位。     

基于拉曼镊子的发酵过程单细胞分析：应用与展望

微生物发酵是个复杂的过程,而细胞间的异质性对微生物发酵性能有重要的影响。通过单细胞分析了解微生物细胞的异质性,利于发酵环境的优化,从而减少细胞间的异质性,提高发酵性能。整合显微拉曼光谱和光学微操控的拉曼镊子是实时、无损、无须标记且快速灵敏的单细胞分析方法。本文重点回顾拉曼镊子在聚酯、类胡萝卜素、脂肪酸、生物乙醇以及重组蛋白等发酵生产过程中的应用,并分析其在应用上存在的不足。在克服自身不足、融合新的分析技术与数据处理方法后,拉曼镊子将是了解细胞异质性、认知复杂生物过程的有力手段。