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上篇 光镊原理、技术和装置 3

第1章 光压 3

1.1 光压 3

1.1.1 光压的概念 3

1.1.2 光压的观测 4

1.2 激光光压 6

1.2.1 激光特点 6

1.2.2 激光光压 7

1.3 光压的应用 8

1.3.1 太阳帆宇航器 8

1.3.2 原子冷却和原子捕陷 11

1.3.3 微米微粒的光悬浮 15

1.4 总结 17

Arthur Ashkin简介 17

参考文献 18

第2章 光镊原理、功能和特点 19

2.1 光镊名称的由来 19

2.2 光的辐射压力 20

2.2.1 光力 20

2.2.2 光与物体相互作用 20

2.3 梯度力和散射力 22

2.3.1 梯度力和散射力的形成 22

2.3.2 高斯光场的梯度分布 23

2.4 光阱 25

2.4.1 二维光阱 25

2.4.2 三维光阱 26

2.5 光操控 28

2.5.1 光陷阱效应 28

2.5.2 直接操控微米微粒 29

2.5.3 间接操控纳米微粒 30

2.6 光镊特点 30

2.7 光镊的无损伤性 31

2.7.1 光镊的热效应 32

2.7.2 光阱中的局部温度 32

2.7.3 光源波长的选择 33

2.8 微纳米操控技术的比较 33

2.9 总结 34

参考文献 34

第3章 光镊的构建和参数 36

3.1 光镊装置 36

3.2 光捕获元件 37

3.2.1 捕获光源 37

3.2.2 捕获聚焦镜 39

3.2.3 光耦合器 39

3.3 光镊操控方式 42

3.3.1 被动操控 42

3.3.2 主动操控 43

3.4 样品和样品室 45

3.4.1 样品 45

3.4.2 样品室 46

3.4.3 样品室种类 49

3.5 视频法位置探测 55

3.5.1 视频法照明系统 55

3.5.2 视频显微成像系统 56

3.5.3 视频法特点 56

3.6 光镊参数的定义 57

3.6.1 光阱力 57

3.6.2 光阱势能曲线 58

3.6.3 光阱阱位 59

3.6.4 光阱阱域 59

3.6.5 光阱刚度 59

3.6.6 光阱捕获效率 60

3.7 光镊系统设计 60

3.7.1 有限远显微成像的光镊 60

3.7.2 无限远显微成像的光镊 62

3.7.3 系统设计 64

3.8 光镊仪器 64

3.8.1 光镊微操作仪 64

3.8.2 单分子光镊力谱仪 66

3.9 总结 69

参考文献 70

第4章 各种类型的光镊 71

4.1 时间调制光镊 71

4.1.1 时间调制原理 71

4.1.2 时分复用光阱有效刚度的数值模拟 73

4.1.3 扫描光力驱动法 75

4.1.4 旋转玻片位移法 78

4.2 空间调制光镊 81

4.2.1 贝塞尔光束光镊 81

4.2.2 空心光束光镊 84

4.2.3 偏振光束光镊 87

4.3 全息光镊 89

4.3.1 全息光镊原理和算法 90

4.3.2 空间光调制器 96

4.3.3 全息光镊的应用 102

4.4 光纤光镊 114

4.4.1 光在光纤中传播 114

4.4.2 光纤光镊与微粒受力 115

4.4.3 光纤端头加工 120

4.4.4 光纤光镊装置 122

4.4.5 光纤光镊特点 124

4.5 近场光镊 125

4.5.1 近场光学衍射极限 125

4.5.2 近场光镊 127

4.6 微型光镊 130

4.6.1 微型光镊微操作仪 131

4.6.2 双光镊单分子力谱仪 132

4.6.3 微型全息光镊 134

4.6.4 芯片光镊 135

4.7 融合其他技术的光镊 138

4.7.1 光刀光镊 139

4.7.2 拉曼光镊 141

4.7.3 磁光镊 142

4.8 总结 143

参考文献 143

中篇 光镊技术 151

第5章 光镊参数的测量和标定 151

5.1 探测器工作原理 151

5.1.1 数码相机 151

5.1.2 光电位置探测器 152

5.2 图像分析法 155

5.2.1 图像灰度重心法 156

5.2.2 图像相关运算法 156

5.2.3 图像尺寸法标定轴向位置 159

5.2.4 图像信息熵法 160

5.3 位置测量与分析 161

5.3.1 微粒的散射光探测 161

5.3.2 散射光测量的理论模拟 162

5.3.3 散射光的测量 165

5.3.4 位置探测器的标定 168

5.4 光阱力的测量 169

5.4.1 光阱中微粒的受力分析 169

5.4.2 流体力学法测量光阱力和最大光阱力 171

5.4.3 双光阱法测量横向力场分布 172

5.5 光阱刚度的标定 174

5.5.1 流体力学法 175

5.5.2 热运动分析法 179

5.5.3 刚度标定方法的比较 182

5.6 光阱势能曲线的测量 184

5.6.1 测量原理 184

5.6.2 简谐区势阱的测量 184

5.6.3 非简谐区势阱的测量 185

5.7 光镊中多微粒的分辨 185

5.7.1 背散光法区分微粒的原理 186

5.7.2 不同粒径的背散光强 186

5.7.3 光阱中多微粒分辨 187

5.7.4 粒径与散射光强 187

5.8 总结 188

参考文献 189

第6章 光阱力的理论模型 191

6.1 光阱力理论模型及其分类 191

6.2 几何光学模型理论和应用 191

6.2.1 光线对界面力的分析 192

6.2.2 光阱对球形微粒的作用力分析 194

6.2.3 光线追迹软件应用于光力计算 198

6.2.4 矢量光线追迹法计算光力 202

6.3 电磁模型理论和应用 212

6.3.1 电磁场对微粒的作用力 212

6.3.2 洛伦兹－米氏散射理论 213

6.3.3 广义洛伦兹－米氏散射理论 221

6.3.4 GLMT理论计算光镊辐射力 222

6.3.5 瑞利模型计算辐射力 223

6.3.6 T矩阵法计算辐射力 227

6.3.7 时域有限差分法计算辐射力 230

6.3.8 角谱分析法计算辐射力 231

6.4 总结 234

参考文献 235

第7章 光镊系统的优化设计 237

7.1 捕获效率Q值的优化设计 237

7.1.1 研究光镊捕获效率的意义 237

7.1.2 捕获效率的理论和实验 237

7.2 光镊系统的球差修正 240

7.2.1 光阱中的球差分析 240

7.2.2 球差补偿方法 244

7.2.3 球差对光阱纵向刚度的影响 245

7.3 油浸物镜的数值孔径利用率 246

7.3.1 光镊中球差的光线光学模型 246

7.3.2 有效数值孔径的计算 247

7.3.3 捕获效率与数值孔径利用率的数值分析 249

7.4 提高光阱横向捕获效率 252

7.4.1 近轴光线对横向捕获效率的影响 252

7.4.2 捕获效率与位移之间的关系 253

7.5 纵向位移与横向位移的关系 254

7.5.1 流体力学法测量光阱力存在的问题 254

7.5.2 流体力学法测量阱中小球的纵向位移 255

7.5.3 纵向位移的理论计算 256

7.5.4 流体力学法进行刚度标定的合理性 257

7.6 采集带宽对刚度标定的影响 259

7.7 总结 261

参考文献 262

第8章 参量测量的不确定度和噪声分析 264

8.1 噪声来源和特点 264

8.1.1 随机噪声 264

8.1.2 方法学误差 267

8.1.3 随机噪声的特性 270

8.2 噪声分析方法 272

8.2.1 随机误差分析方法 273

8.2.2 建模与仿真技术 274

8.2.3 艾伦方差分析随机噪声特性 280

8.2.4 随机噪声滤波法 282

8.2.5 小波阈值去噪法 282

8.3 降低噪声的措施 285

8.3.1 优化系统设计 285

8.3.2 优化实验参量 286

8.3.3 提高信号处理精度 288

8.3.4 反馈控制技术的运用 290

8.3.5 差分信号探测的应用 292

8.4 实验环境要求 294

8.5 总结 295

参考文献 296

第9章 光镊－光致旋转 298

9.1 自旋角动量 298

9.1.1 偏振光与双折射晶体的相互作用 299

9.1.2 光致旋转运动的观察和测量 302

9.1.3 影响旋转频率的因素 304

9.1.4 光致旋转 306

9.2 轨道角动量 307

9.2.1 涡旋光与轨道角动量 307

9.2.2 典型涡旋光 308

9.2.3 涡旋光的生成方法 310

9.2.4 涡旋光的力学特性和光致旋转 312

9.3 轨道角动量与自旋角动量 313

9.4 线性动量 314

9.5 总结 316

参考文献 316

第10章 非光力镊子 319

10.1 机械镊 319

10.1.1 微针吸入法理论模型 319

10.1.2 微针的制备 320

10.1.3 膜弹性测量 321

10.2 生物膜镊 322

10.3 磁镊 323

10.3.1 磁镊操控原理 323

10.3.2 磁镊操控DNA 324

10.4 电镊 324

10.4.1 介电泳操控原理 324

10.4.2 介电泳的特点 325

10.5 光－电镊 326

10.5.1 光电镊操控原理 326

10.5.2 光电镊的特点 327

10.6 原子力显微镜 327

10.6.1 原子力操控原理 328

10.6.2 原子力操控特点 328

10.7 冰镊 329

10.7.1 冰镊操控原理 329

10.7.2 冰镊力的特点 330

10.8 总结 331

参考文献 332

下篇 光镊技术的应用 337

第11章 光镊与细胞生物学 337

11.1 悬浮细胞的捕获与操控 337

11.1.1 观测酵母细胞繁殖 337

11.1.2 细胞分选 338

11.1.3 单细胞融合 339

11.1.4 免疫细胞位点识别 342

11.1.5 光阱热效应杀伤癌细胞 343

11.2 单细胞拉曼光谱 344

11.2.1 细胞代谢随时间变化 345

11.2.2 鉴别细胞活性 345

11.2.3 细胞组分随温度变化 345

11.2.4 偶氮囊泡的光响应特点 347

11.3 细胞膜力学性质 350

11.3.1 测量细胞膜弹性的方法 351

11.3.2 病变红细胞膜的弹性模量 353

11.4 细胞器捕获与操控 355

11.4.1 探测细胞质的黏弹性 355

11.4.2 模拟生物微重力效应 356

11.4.3 分离提取单条染色体 357

11.4.4 研究染色体运动 358

11.5 活体动物内细胞的操控 360

11.5.1 活体内血管中红细胞的三维操控 360

11.5.2 光镊制造血管堵塞与疏通 360

11.6 总结 362

参考文献 362

第12章 光镊与单分子生物学 365

12.1 物理实验方法 365

12.1.1 单光镊法 365

12.1.2 多光镊法 366

12.1.3 光镊－微针法 367

12.1.4 “手柄”微球的偶联技术 368

12.2 驱动蛋白的动力学行为 369

12.2.1 实验方法 369

12.2.2 驱动蛋白－1的动力学特性 371

12.2.3 非对称移交手的行走方式 371

12.2.4 协调机制与持续行走能力 373

12.2.5 步距与亚步距 373

12.2.6 驱动蛋白动力学特性总结 374

12.3 DNA分子 375

12.3.1 双链DNA弹性理论 375

12.3.2 双链DNA相变 376

12.3.3 双链DNA分子打开 377

12.3.4 双链DNA扭矩响应 377

12.3.5 双／单链DNA分子弹性 378

12.3.6 核小体 379

12.3.7 DNA与蛋白质相互作用 380

12.4 RNA构象 380

12.4.1 力坡法 381

12.4.2 跃迁法 381

12.4.3 力跃法 383

12.5 蛋白构象 384

12.5.1 肌联蛋白 385

12.5.2 血管性假血友病因子蛋白 386

12.5.3 微管蛋白 387

12.6 分子马达 388

12.6.1 肌球蛋白 388

12.6.2 RNA聚合酶 390

12.6.3 噬菌体门马达 391

12.6.4 核糖体 391

12.6.5 DNA聚合酶 392

12.7 总结 393

参考文献 394

附录：样品室的清洗方法 397

第13章 光镊与胶体科学 398

13.1 布朗微粒和胶体体系 398

13.1.1 微粒的自由布朗运动 398

13.1.2 布朗微粒的扩散运动 401

13.2 受限微粒的扩散特性 402

13.2.1 受限的布朗微粒 402

13.2.2 布朗微粒的扩散系数 403

13.2.3 液体界面对微粒扩散运动的影响 404

13.3 微粒间的相互作用 408

13.3.1 流体动力学相互作用 408

13.3.2 静电相互作用 409

13.3.3 空位相互作用与空间相互作用 409

13.4 分散体系稳定率的测量 411

13.4.1 光镊法测量稳定率 412

13.4.2 两个微粒碰撞频率的理论模拟 413

13.4.3 光镊中两微粒的聚集时间 416

13.4.4 光镊法与浊度法和zeta电位法比较 418

13.4.5 光镊对测量稳定率的影响 419

13.5 胶体微粒的结合性质 420

13.5.1 结合面积与结合能 420

13.5.2 聚集体的剪切力 421

13.5.3 研究胶体老化 422

13.5.4 小球链的形变与受力 424

13.6 微粒的稳定排布 426

13.6.1 微粒的稳定聚集与盐浓度 426

13.6.2 平面排布微粒 428

13.6.3 空间排布微粒 428

13.7 微区流变学的测量 429

13.7.1 主动的微流变学 429

13.7.2 被动流变学方法 429

13.8 总结 430

参考文献 430

附录 432

附录13.1 DLVO理论和体系的稳定性 432

附录13.2 空间稳定理论和空缺稳定理论 435

附录13.3 稳定率的常用测量方法 435

第14章 光镊与物理学 437

14.1 光力的验证和精确测量 437

14.1.1 光力的验证 437

14.1.2 皮牛力的测量 439

14.2 液相微区温度和黏滞系数的测量 440

14.2.1 液相微区温度的测量 441

14.2.2 混合液体黏滞系数的测量 443

14.3 布朗运动的新认识 446

14.3.1 布朗微粒的瞬时速度 447

14.3.2 水中布朗微粒运动的冲击区域 448

14.4 纳米器件排布与表征 449

14.4.1 单光镊组装纳米线 450

14.4.2 阵列光镊组装纳米器件 451

14.4.3 标定纳米微粒直径 451

14.5 光子力加速度计 452

14.5.1 加速度计原理 453

14.5.2 光子力加速度计原理 454

14.5.3 光子力加速度计结构 455

14.5.4 光子力加速度计的特点 457

14.6 开辟新技术 459

14.6.1 纳米光声探针 459

14.6.2 真空中冷却微观微粒 461

14.6.3 光镊操控金刚石NV色心 462

14.7 总结 463

参考文献 464

缩略语表 466

后记 473