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

1、本文通過對光鑷技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀、光鑷技術(shù)的新形勢、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)對時分復(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)驗方面，采用傅里葉光學(xué)原理計算全息相位片，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，搭建了帶熒光探測的高精度激光雙光鑷，系

2、統(tǒng)研究了抑制劑對DNA折疊動力學(xué)的影響。
　　 在全息光鑷?yán)碚撗芯恐?，本文通過對全息光鑷所涉及的理論進(jìn)行一個詳細(xì)的研究，運(yùn)用適應(yīng)算法計算實(shí)現(xiàn)全息陣列光鑷所需的相位片，并在實(shí)驗中得到很好的驗證。全息光鑷實(shí)驗方面，我們成功實(shí)現(xiàn)全息陣列光鑷捕獲和排布多個粒子、全息渦旋光鑷旋轉(zhuǎn)單個或者多個細(xì)胞等。全息光鑷應(yīng)用方面，我們采用高性能計算機(jī)對全息陣列光鑷進(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酵母細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)動力學(xué)特性進(jìn)行

3、較詳細(xì)的研究；設(shè)計、制備并表征納米碟，采用全息光鑷對納米碟進(jìn)行操控和排布實(shí)驗：設(shè)計軟物質(zhì)綜合測量系統(tǒng)。
　　 在時分復(fù)用光鑷的理論研究方面，我們采用蒙特卡洛模擬技術(shù)對不同占空比的時分復(fù)用光阱中的粒子運(yùn)動位置進(jìn)行模擬，進(jìn)而計算出光阱的剛度。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)增長關(guān)系，在高頻段穩(wěn)定到一個恒定的值。我們采用旋轉(zhuǎn)玻片法和聲光衍射器等形成時分復(fù)用光鑷，分別在低頻段和寬頻段有效地驗證了數(shù)值模擬的結(jié)

4、果。
　　 在調(diào)制光鑷應(yīng)用方面，我們將時分復(fù)用光鑷和單分子熒光探測技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)1bp探測精度的基于時分復(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、寬場熒光成像等。實(shí)驗中，我們設(shè)計一系列不同長度、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DNA發(fā)卡折疊動力學(xué)特性的影響。寬場熒光成像方面，我們實(shí)現(xiàn)對單個λDNA進(jìn)行熒光成像。這一系列實(shí)驗表明，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，還對疊加光場的軌道角動量分布作了詳細(xì)的研究。我們還通過對數(shù)字微鏡器件特性的詳細(xì)研究，設(shè)計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)本身也是一個比較寬泛的課題。即包括光鑷技術(shù)本身的設(shè)計、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并行操控微納米粒子的能力，在膠體的自組裝，多個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生物分子力和伸長的變化關(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力學(xué)行為，得到與傳統(tǒng)基于粗快實(shí)驗的生物學(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)可以測量蛋白質(zhì)和DNA復(fù)合物的構(gòu)象變化并對某個特定的分子進(jìn)行可視化等。
　　 本文的新型調(diào)制光鑷主要涉及時間調(diào)制所形成的時分復(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；第八章對本文的工作進(jìn)行一個最后的總