用射线光学法计算大粒子在激光光镊中的受力开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

从20世纪60年代激光的诞生到80年代光镊的提出,见证了光学领域的发展,而光镊技术更是将光的动量属性展现的淋漓尽致。光镊是一种利用激光与物质相互作用时产生的光力来捕获操纵微小粒子的一种装置,目前已经广泛应用于生物、医学、物理学等各个领域[1]。在这30多年的时间里,随着时间的不断推进,社会科学技术的不断进步,光镊技术也得到了飞速的发展,比如,采用的激光光束由最初的高斯光束发展为高阶厄密-高斯光束、高阶拉格尔-高斯光束和贝塞尔光束[2];实现的功能也从最初的单光陷阱俘获和二维操控[8],发展为多光陷阱俘获、三维度操控和旋转操控[3]

长期以来致力于光镊技术以及应用的研究的李银妹教授研究组,在2013年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]。在2019年2月,胡小唐等人在“蛋白质力谱测试中生物分子链耦联技术”的研究成果在天津大学学报(自然科学与工程技术版)发布,成功使用自己搭建的双光镊系统,研究蛋白质(nug2) 4的折叠/解折叠动力学特性。而且相比于传统的双光镊系统,改进的双光镊系统借助 dna 链的修饰和对待测蛋白进行标签修饰等多种修饰方法相结合的方式实现生物样品的耦联,连接效率有所提高[5]

2018年8月欧洲力学杂志-b流体期刊上,pedro almendarez-rangel研究小组发布了一篇研究论文《基于光镊的微低速测量系统:粒子跟踪测速法的比较》,文中提出在微环境中可以使用基于光镊(ot)的系统来测量流速,由此构建了基于ot的测速系统(otv)与用时间平均粒子跟踪测速仪(ta-ptv)对不同深度的渠道壁进行了速度测量,然后将测量结果进行了比较,发现otv系统具有以下优点:(1)更优秀的的空间分辨率;(2)测量过程中减弱了布朗运动的影响;(3)在不使用高粒子浓度、特殊数据处理或复杂照明系统(如其他测速技术)的情况下具有亚微米空间分辨率的可能性[6]

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2. 研究的基本内容与方案

本次研究的基本内容首先是了解光镊的概念、原理与发展概况,包括构成光镊的光压,光陷阱效应、光操控等,还有光镊的构建和参数、各种类型的光镊、以及光镊技术从出现以来到最近几年国内外在生物学、胶体科学、物理学等方面的发展情况,然后根据参考文献学习光镊中粒子受力的射线光学模型,包括光线对界面力的分析、光阱对球形微粒得的作用力分析等,做到能够完整的,正确的推导粒子的散射力和梯度力的计算公式,接着根据推导的计算公式使用Matlab软件进行编程,并计算高斯光束的聚焦场中粒子的散射力和梯度力,并根据仿真计算结果和计算公式,改变其合适的物理量的取值,讨论光镊捕获效率的影响因素。

技术方案主要为:首先学习并熟悉梯度力和散射力的形成的原理,然后根据高斯光场的梯度分布,结合二维或三维光阱捕获微粒后的情形,进行光阱对球形微粒的作用力分析,分析包括三种情况:单根光线对球形微粒的作用力、球形微粒中心与光轴z轴重合时受到的光阱力、以及球形微粒中心与光轴y轴重合时受到的光阱力,使用Matlab结合粒子在光镊中所受的散射力和梯度力的公式进行编程,从而得到对应的散射力和梯度力。根据光阱力的公式可知影响光镊捕获效率的因素,从而对光镊进行优化。

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、原理与发展概况,射线光学模型)。确定技术方案,完成开题报告。

第4~6周:学习光镊的原理,功能和特点,掌握光镊的构建和参数,包括光镊的操控方式和参数的定义;

第7~9周:进一步学习几何光学模型理论及应用,掌握光阱对球形微粒的作用力分析,了解光镊捕获效率的意义,熟悉捕获效率的影响因素;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]刘静.光镊中的janus粒子运动研究[d].北京:中国科学院大学(中国科学院物理研究所), 2017.

[2]gao dl, ding wq, nieto-vesperinas, m,ding xm, rahman, m, zhang th, lim, c, qiu cw. optical manipulation from themicroscale to the nanoscale: fundamentals, advances and prospects[r]. beijing: light-scienceamp; applications, 2017.

[3]王若鹏.由光制成的工具——2018年诺贝尔物理学奖介绍[a].北京:北京大学物理学院,2019,38(02):1-4

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