透镜式锥形光纤光镊捕获力的测量与误差分析开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

最开始,经典光学主要是以电磁辐射本身为研究对象,而近代光学的发展则是以光与物质相互作用为重要的研究内容[1]。自20世纪60年代激光的发明,为人们研究光与物质相互作用提供了一种崭新的光源。

1986年Ashkin成功地利用一束强会聚激光束实现了可以移动生物微粒的三维光场,这一发明被形象地称光学镊子或光镊,直到2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Ashkin,以表彰他在“光学镊子的发明及其在生物领域的应用”突破性贡献[2][3][4]

1989年在中国科学技术大学的科学基金资助下,郭光灿教授组织成立了国内第一个光镊技术研究组,2013年他们首次将光镊技术用于动物活体内细胞,开拓了光镊研究活体动物的新领域,使得该技术向医学临床迈出了关键一步。同时在进行另一个研究方向,即利用光镊操控被捏合在单分子上的微米小球来控制单个分子,用光镊提供的皮牛顿力研究生物马达相互作用以及RNA分子结构和功能等[4]

本次设计也应用光镊技术,主要是利用流体动力学方法测量透镜式光纤光镊对微粒(如酵母菌)的捕获力,并且分析测量误差。而传统的光学镊子系统中,采用高数值孔径(NA)物镜来成像并产生朝向聚焦在样品颗粒上的梯度力,因此该系统复杂且昂贵,特别是对于多光学镊子系统[5],所以我们用了一种基于透镜光纤探头的新型简单光学捕获系统。

光是一种电磁波,具有能量,也具有动量,对照射物具有压力,即光压,光压概念的提出源于Newton时代[6]。光镊技术的发明不仅推动了光的力学效应的应用,也为演示光的力学效应,进行光力学教学提供契机 [7]。由于光镊研究的微粒大小在几μm到几十μm范围内,游离在液体中的生物细胞大多数是几μm的透明小球,所以 以透明电介质小球为模型,通过考察光穿过介质球的行为来分光作用于微粒的力,当小球处于均匀光场中,受到的力称为散射力,当小球处于非均匀的光场中,受到的力称为梯度力,光镊技术是将激光用高倍物镜会聚,形成梯度光场,能够对微粒进行捕获,然后通过光与微粒所在的环境之间的相对运动,达到操控微粒目的。

在光阱中,微粒在强会聚光场的作用下会受到三维梯度力和散射力,当梯度力大于散射力时,合力将微粒束缚在光阱中,称之为光阱力,简言之,光镊对物体的操控类似弹簧,当微粒偏离光阱中心时,就会产生光阱力,且随偏离距离增大而增大,但也是有限度的,超过这个限度,光阱力就会减小。可以根据Stokes公式计算出相应的捕获力。

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