新型調(diào)制光阱的理論、實(shí)驗(yàn)與單分子應(yīng)用.pdf

1、本文通過(guò)對(duì)光鑷技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀、光鑷技術(shù)的新形勢(shì)、與光鑷技術(shù)相關(guān)的新技術(shù)以及面向應(yīng)用中出現(xiàn)的新問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研和充分的論述，確定新型調(diào)制光阱的理論、實(shí)驗(yàn)與單分子應(yīng)用研究這一主題。在光鑷捕獲理論方面，利用蒙特卡洛技術(shù)對(duì)時(shí)分復(fù)用光鑷的有效剛度隨光阱切換頻率變化關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)地研究；全息光鑷?yán)碚摵蛯?shí)驗(yàn)方面，采用傅里葉光學(xué)原理計(jì)算全息相位片，探索細(xì)胞層次的捕獲和旋轉(zhuǎn)，納米碟的并行操控等；在單分子生物物理方面，搭建了帶熒光探測(cè)的高精度激光雙光鑷，系

2、統(tǒng)研究了抑制劑對(duì)DNA折疊動(dòng)力學(xué)的影響。
　　 在全息光鑷?yán)碚撗芯恐?，本文通過(guò)對(duì)全息光鑷所涉及的理論進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的研究，運(yùn)用適應(yīng)算法計(jì)算實(shí)現(xiàn)全息陣列光鑷所需的相位片，并在實(shí)驗(yàn)中得到很好的驗(yàn)證。全息光鑷實(shí)驗(yàn)方面，我們成功實(shí)現(xiàn)全息陣列光鑷捕獲和排布多個(gè)粒子、全息渦旋光鑷旋轉(zhuǎn)單個(gè)或者多個(gè)細(xì)胞等。全息光鑷應(yīng)用方面，我們采用高性能計(jì)算機(jī)對(duì)全息陣列光鑷進(jìn)行并行標(biāo)定，有效地提高光阱剛度的標(biāo)定速度：采用全息渦旋光鑷對(duì)酵母細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行

3、較詳細(xì)的研究；設(shè)計(jì)、制備并表征納米碟，采用全息光鑷對(duì)納米碟進(jìn)行操控和排布實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)軟物質(zhì)綜合測(cè)量系統(tǒng)。
　　 在時(shí)分復(fù)用光鑷的理論研究方面，我們采用蒙特卡洛模擬技術(shù)對(duì)不同占空比的時(shí)分復(fù)用光阱中的粒子運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行模擬，進(jìn)而計(jì)算出光阱的剛度。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，光阱有效剛度隨光阱切換頻率的變化關(guān)系呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，在高頻段穩(wěn)定到一個(gè)恒定的值。我們采用旋轉(zhuǎn)玻片法和聲光衍射器等形成時(shí)分復(fù)用光鑷，分別在低頻段和寬頻段有效地驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)

4、果。
　　 在調(diào)制光鑷應(yīng)用方面，我們將時(shí)分復(fù)用光鑷和單分子熒光探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)1bp探測(cè)精度的基于時(shí)分復(fù)用光鑷的高精度激光雙光鑷。該光鑷可以工作在多種模式，如恒力模式、變力模式、單分子熒光探測(cè)、寬場(chǎng)熒光成像等。實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)計(jì)一系列不同長(zhǎng)度、不同序列、不同位置的短單鏈DNA片段作為抑制劑，研究抑制劑對(duì)DNA發(fā)卡折疊動(dòng)力學(xué)特性的影響。寬場(chǎng)熒光成像方面，我們實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)λDNA進(jìn)行熒光成像。這一系列實(shí)驗(yàn)表明，高精度激光光鑷在蛋白質(zhì)

5、折疊、蛋白與DNA相互作用、馬達(dá)蛋白、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 在全息光鑷工作之前，我們嘗試用激光直寫(xiě)技術(shù)制作掩模板，再用離子束刻蝕技術(shù)加工純相位型衍射光學(xué)元件，成功實(shí)現(xiàn)將高斯光束整形成疊加的拉蓋爾高斯光束，還對(duì)疊加光場(chǎng)的軌道角動(dòng)量分布作了詳細(xì)的研究。我們還通過(guò)對(duì)數(shù)字微鏡器件特性的詳細(xì)研究，設(shè)計(jì)一系列叉形光柵透射到數(shù)字微鏡上，將高斯光束整形成拉蓋爾高斯光束，并研究了整形前后光束的偏振特性。
　　 新型調(diào)

6、制光鑷技術(shù)本身也是一個(gè)比較寬泛的課題。即包括光鑷技術(shù)本身的設(shè)計(jì)、搭建，也包括向應(yīng)用方面深化。如膠體科學(xué)、軟物質(zhì)等領(lǐng)域，采用空間光調(diào)制器形成的全息光鑷可以同時(shí)并行操控微納米粒子的能力，在膠體的自組裝，多個(gè)膠體粒子相互作用等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。在微納米尺度研究單個(gè)生物分子力和伸長(zhǎng)的變化關(guān)系，有助于人們了解蛋白質(zhì)/RNA/DNA或他們的復(fù)合物等生物大分子的動(dòng)力學(xué)行為，得到與傳統(tǒng)基于粗快實(shí)驗(yàn)的生物學(xué)手段互補(bǔ)的信息。結(jié)合單分子熒光的高精度光鑷

7、技術(shù)可以測(cè)量蛋白質(zhì)和DNA復(fù)合物的構(gòu)象變化并對(duì)某個(gè)特定的分子進(jìn)行可視化等。
　　 本文的新型調(diào)制光鑷主要涉及時(shí)間調(diào)制所形成的時(shí)分復(fù)用光鑷和基于液晶空間光調(diào)制器的全息光鑷。其中時(shí)間調(diào)制光鑷主要在第四章和第五章介紹；空間調(diào)制光鑷在第二章和第三章介紹；相關(guān)的應(yīng)用主要在第三章和第五章介紹；在全息光鑷的早期論證工作中，我們還采用二元相位片和數(shù)字微鏡器件對(duì)光束進(jìn)行整形，這兩部分內(nèi)容分別在第六章和第七章介紹；第八章對(duì)本文的工作進(jìn)行一個(gè)最后的總