1．目的及意义

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。

针对流体中的微粒直接的实验很难实现，但有了光镊就不再难了^[8]。光镊是以光场的形式与物体交换动量的结果，光镊是“无形”镊子；操作是非接触的、无损的，没有机械镊子夹持物体有集中的受力点。光的可穿透物体特性，穿过封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细胞器），也可以透过透明的一封闭的样品池外壁操控池内微粒，光镊实现真正的无菌操作。根据这些特性可以解决许多生物领域的难题，光学镊子可以按照操作者的意志自如地控制目标微粒，如原子、分子、细菌或细胞等．光学镊子为研究微观物质结构和功能创造了全新的契机。它从鲜为人知，集中在少数物理学家的实验室中，只能简单地操控微米细胞到目前可以实现对单分子亚纳米级精度的测量，极大地促进了定量生物学的发展。

光镊作用的对象多为液体中的微粒，介质与布朗力成为光镊在液相中工作的特点，常用的介质为液体，而液体的温度、粘度和折射率等物理参数决定了介质的性质。因此，不同的液体性质和参数直接影响光与物体相互作用，影响到光捕获效果。光镊通过手柄小球间接操控单分子，所以手柄小球是研究单分子的桥梁，要达到亚纳米级精度的测量，超稳定系统成为实验研究的保障。

光镊发明初期，Ashkin等首次用这个新的工具尝试操纵细胞和病毒等各种生物样品，并且成功地演绎了光镊捕捉、拖动、损伤细胞和深入到细胞内部操控细胞的功能，随着光镊技术的成熟，使得在实时测量细胞的变化，细胞的相互作用，细胞的力学性质等方面的研究更加深入的展开。

近30年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的工具。中国科学技术大学对该技术进行了系统研究，并将科研成果提炼成教学实验，及时地为本科生开设了前沿物理与新技术研究性实验教学^[10][11]。总之，光镊技术将会越来越成熟且会运用到更多领域。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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目标：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