（光學(xué)專業(yè)論文）光鑷技術(shù)在液相體系微區(qū)特性參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用.pdf

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘要 隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)物質(zhì)特性的認(rèn)識(shí)日益向微小尺度深入，因此，微 區(qū)物性的測(cè)量越來越受到人們的重視。本論文的中心之一就是利用光鑷微操作 技術(shù)研究微區(qū)物性，特別是微區(qū)溫度的測(cè)量。溫度不僅是重要的物理量，也是 國際單位制中七個(gè)基本量之一。在自然界中任何物體的物理和化學(xué)性質(zhì)都與溫 度有著密切的關(guān)系。比如在光鑷微( 微米尺度) 操作系統(tǒng)中，需要了解被操作對(duì) 象所處環(huán)境溫度變化的情況，從而可以更好的了解和控制被操作對(duì)象的行為。 本文的工作之一就是建立利用光鑷技術(shù)測(cè)量液相微區(qū)溫度的方法。溫度的 測(cè)量都是利用物質(zhì)某些性質(zhì)隨溫度變化的特性，而所建立的新方法是通過直接 測(cè)量被探測(cè)體系微區(qū)內(nèi)微粒的布朗運(yùn)動(dòng)來確定該微區(qū)的溫度。由于用作測(cè)溫 “探頭”的微粒的尺寸是微米量級(jí)的，解決了微區(qū)溫度測(cè)量中微小探測(cè)頭難以 制各的困難；與此同時(shí)，利用光鑷技術(shù)可操控及移動(dòng)微小粒子至任意確定空間 位置的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精確定位的溫度測(cè)量，滿足了對(duì)液相微區(qū)溫度測(cè)量的實(shí)際 需求。論文闡述了該方法的原理，從實(shí)驗(yàn)上論證了方法的可行性，并對(duì)方法的 精度和進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了討論。 本論文進(jìn)而利用所發(fā)展的新方法，從實(shí)驗(yàn)上研究了光鑷應(yīng)用中一直困擾人 們的光鑷光束的熱效應(yīng)問題，首次從實(shí)驗(yàn)上確證了光鑷加熱效應(yīng)，并對(duì)光鑷關(guān) 閉后此熱效應(yīng)耗散過程進(jìn)行了初步研究，由此推斷得到光鑷引起的小球溫升， 與先前的理論估測(cè)一致。所發(fā)展的方法將為針對(duì)具體研究對(duì)象選擇合適的光鑷 參數(shù)( 波長(zhǎng)、強(qiáng)度) 提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。我們還運(yùn)用光鑷技術(shù)研究了混合液體 黏滯系數(shù)的組分依賴關(guān)系，這種非接觸式的測(cè)量技術(shù)是采用微容量樣品池進(jìn)行 的，所以大大降低了對(duì)樣品的需求量；此外，所用樣品池可以是密閉式的，使 得該方法特別適用于對(duì)易揮發(fā)液體及其混合溶液的黏度測(cè)量。 本論文的另一項(xiàng)工作是“便攜式分子馬達(dá)生物傳感超靈敏檢測(cè)儀”的研 制。面臨當(dāng)前世界性疾病對(duì)人類健康、社會(huì)穩(wěn)定帶來危害的嚴(yán)峻問題，尋求一 種能對(duì)疾病做到早期的快速、靈敏且可靠診斷的新技術(shù)、新方法，開發(fā)出超靈 敏的測(cè)定技術(shù)和便利的檢測(cè)儀器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本工作是基于合作方( 中 科院生物物理所的樂加昌老師研究小組) 在a t p 合酶旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)與免疫識(shí)別 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 技術(shù)上的研究成果提出的。我們從物理和技術(shù)的角度討論了相關(guān)檢測(cè)分析方法 和技術(shù)，提出了配套的檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案，完成了原理性裝置的搭建和驗(yàn)證 工作，以及樣機(jī)的設(shè)計(jì)、研制及測(cè)試工作。結(jié)果顯示，樣機(jī)已具備觀測(cè)和處理 生物樣品的熒光圖像等最基本的功能。論文還給出了進(jìn)步完善儀器性能的改 進(jìn)意見。以上工作進(jìn)展，為達(dá)成最終的研制目標(biāo)，成就造福人類的美好愿望， 奠定了工作基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：光鑷，溫度，黏度，布朗運(yùn)動(dòng)，生物傳感器，檢測(cè)儀 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ep r o g r e s s i n go fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h eu n d e r s t a n d i n go ft h e m a t t e rc h a r a c t e r i s t i c si ss p r e a d i n gt om i c r os c a l e s ot h em e a s u r e m e n to ft h em a t t e r p r o p e r t i e si na w a n t e dm i c r o - a r e ab e c o m e sm u c hm o r ei m p o r t a n tt h a nb e f o r e o n eo f t h em a i nw o r k si nt h i st h e s i si st od e v e l o pan e wm e t h o db a s e do no p t i c a lt w e e z e r sf o r s t u d y i n g t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r si n m i c r o a r e a ，e s p e c i a l l yt h et e m p e r a t u r e t h e t e m p e r a t u r ei sn o to n l ya l li m p o r t a n tp h y s i c a lq u a n t i t y , b u ta l s oo n eo ft h es e v e n f u n d a m e n t a lq u a n t i t i e si nt h ei n t e r n a t i o n a ls y s t e mo fu n i t s t h ep h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa l lo b j e c t si nn a t u r ea r et e m p e r a t u r ed e p e n d e n t w h e nt h e m i c r os c a l em a t t e ri ss t u d i e ds u c ha si nt h ec a s eo fo p t i c a lt w e e z e r sa p p l i c a t i o n ，i n o r d e rt ou n d e r s t a n db e t t e rt h eb e h a v i o ro ft h et r a p p e do b je c t ，i ti sn e c e s s a r yt ok n o w t h el o c a lt e m p e r a t u r ef i e l dw i t hh i g hs p a c er e s o l u t i o n ，t h a ti s ，t h em e a s u r e m e n ti n m i c r oa r e ai sn e e d e d i n t h i sw o r kan e wm e t h o do fm e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r ea taw a n t e dm i c r o - a r e ai nl i q u i d b yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fo p t i c a l t w e e z e r si s d e v e l o p e d a l lm e t h o d so fm e a s u r i n g t h e t e m p e r a t u r ea r eb a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ea n ds o m ep r o p e r t y o ft h e m a t t e r t h em e t h o dh e r ei sd i r e c t l yb a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ea n dt h e b r o w n i a nm o t i o no fap a r t i c l es u s p e n d i n gi nt h el i q u i d h e r et h eb r o w n i a np a r t i c l e s e r v e sa st h et e m p e r a t u r es e n s o r ，o fw h i c ht h es i z ei su s u a l l ya r o u n dm i c r o n ，m u c h s m a l l e rt h a nt h es i z eo ft h eo r d i n a r ys e n s o r t h i sf a c te n a b l e st h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tw i t hh i g hs p a c er e s o l u t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ef e a t u r eo ft h eo p t i c a l t w e e z e r s ，t h a ti t i se a s yt oc o n t r o lt h ed e t e c t o ri nag i v e ns m a l la r e ao ft h el i q u i d ，m a k et h e d e t e c t i o na ta n yw a n t e dm i c r oa r e ap o s s i b l y b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，w es t u d i e dt h ec h a n g i n go ft e m p e r a t u r ec a u s e db yo p t i c a l t w e e z e r si nam i c r o m e t e r - s i z er e g i o n t h em e a s u r e dt e m p e r a t u r er i s i n gc a u s e db yt r a p p i n gb e a mi s c o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u ee s t i m a t e db e f o r e t h i sk i n do fm e a s u r e m e n tw i l lc e r t a i n l y g i v eac r i t e r i o nf o rc h o o s i n gp r o p e rp a r a m e t e r so f t h es y s t e mi nd i f f e r e n tc a s e ，s u c ha st h e w a v el e n g t ho rt h ei n t e n s i t yo ft h el a s e r i na d d i t i o n ，w es t u d i e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ev i s c o s i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o n sb yo p t i c a lt w e e z e r st o o t h e a m o u n to fs a m p l en e e d e di nt h i sm e a s u r e m e n ti sm u c hl e s st h 衄t h a ti no t h e rm e t h o d s i na d d i t i o n ，d u et ot h en o n c o n t a c tf e a t u r eo ft h eo p t i c a lm a n i p u l a t i o nt h es a m p l ec e l l u s e dh e r ec o u l db eas e a l i n go n e ，w h i c hm a k e si te a s yt om e a s u r et h ev o l a t i l el i q u i do r i t i 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 i t ss o l u t i o n s a n o t h e rw o r ki n t h i st h e s i si st od e v e l o pan e wk i n do fp o r t a b l es e n s i t i v e e q u i p m e n tu s e df o rd e t e c t i n gv i r u s t h i sw o r ki s b a s e do nt h er e s u l ta b o u tf o f t a t p a s eb i o s e n s o ro ft h em r y u ea n dh i st e a mi ni n s t i t u t eo fb i o p h y s i c so fc h i n e s e a c a d e m yo fs c i e n c e s w ed i s c u s s e dh e r et h ed e s i g n i n g ，b u i l d i n ga n dt e s t i n go ft h e e q u i p m e n tp r o t o t y p e t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb u i l tp r o t o t y p ep o s s e s s e s e l e m e n t a r yf u n c t i o n s a n dp r o p o s a l st oi m p r o v et h ee q u i p m e n tp e r f o r m a n c ea r ea l s o s u g g e s t e d k e yw o r d ：o p t i c a lt w e e z e r s ；t e m p e r a t u r e ；v i s c o s i t y ；b r o w n i a nm o t i o n ；b i o s e n s o r ； d e t e c t i o ne q u i p m e n t ； i v 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 第一章緒論 1 1 引言：從光壓到光鑷 光的本質(zhì)是電磁波，它既具能量也有動(dòng)量。當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生相互作用，如 被物體吸收、反射、折射時(shí)，將把它的動(dòng)量傳給物體，對(duì)物體產(chǎn)生力的作用， 從而表現(xiàn)出了光的力學(xué)特性。這種由于動(dòng)量的傳遞，使被照射物體在單位面積 上受到的光的作用力，即光壓。由此可見，光與物質(zhì)的相互作用不僅能產(chǎn)生熱 效應(yīng)，光化學(xué)效應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)。 早在1 9 0 1 年，列別捷夫首先在實(shí)驗(yàn)上觀察到了光壓現(xiàn)象。1 9 0 9 年，德拜 在他的關(guān)于輻射壓力的博士論文中首先建議用輻射壓力來抵消重力，但由于普 通光源所產(chǎn)生的輻射壓力極其微弱，故無法實(shí)現(xiàn)。直至1 9 6 0 年激光的出現(xiàn)，為 光懸浮的實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)驗(yàn)條件。1 9 6 8 年，蘇聯(lián)光譜學(xué)家l e t o k h o v 就首先提出利 用光的力學(xué)效應(yīng)來限制原子的思想【lj ，光學(xué)勢(shì)阱概念便隨之問世了。7 0 年代初 期，美國貝爾( b e l l ) 實(shí)驗(yàn)室的a a s h k i n 首次利用激光產(chǎn)生的輻射壓力對(duì)自由 懸浮在液體中的粒子成功地進(jìn)行了加速實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)上觀察到了激光的輻射壓 力【2 3 】：此后，他們又發(fā)現(xiàn)微粒會(huì)在橫向被吸入光束( 微粒的折射率大于周圍介質(zhì) 的折射率) ；在這些研究工作的基礎(chǔ)上，a a s h k i n 等人又提出了利用光壓操縱微 粒的思想，建議用兩束相向照射的激光束形成的駐波阱來俘獲較大的粒子，并 實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溶液中折射率比水大的小球的成功捕獲【4 】，建立了利用光壓操縱微 粒的工具，從而揭開了輻射壓力科學(xué)應(yīng)用的篇章。隨后，他又提出單束漂浮勢(shì) 阱( 1 e v i t a t i o n ) 的設(shè)想，并通過成功地懸浮起一個(gè)直徑為2 0 t m 的透明玻璃小球 【5 ，6 j 。但這兩種方法都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)用不便的缺點(diǎn)。1 9 7 8 年，a a s h k i n 再次 提出了另一種單光束勢(shì)阱的設(shè)想【7 8 j ，即通過顯微物鏡對(duì)激光的強(qiáng)聚焦，利用 “梯度力”形成一個(gè)三維空間穩(wěn)定的光陷阱，并于1 9 8 6 年，用此方法實(shí)現(xiàn)了對(duì) 半徑在1 0 , - 一2 5 9 m 之間的粒子穩(wěn)定地俘獲1 9 j ，即當(dāng)單獨(dú)一束高會(huì)聚激光照射到微 小粒子上的時(shí)候，光場(chǎng)和粒子的相互作用可以形成穩(wěn)定的三維光學(xué)勢(shì)阱，它可 以吸引微粒并把它局限在焦點(diǎn)附近，利用這一原理操控微小粒子的裝置就被形 象地稱為光鑷( 或光阱) 2 , 9 , 1 0 】。由于光鑷是用一束光形成的梯度力勢(shì)阱來操控 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 粒子的，因此光鑷的正式名稱為“單光束梯度力勢(shì)阱” ( s i n g l e b e a mo p t i c a l g r a d i e n tf o r c et r a p ) 。對(duì)光輻射壓力多年的探索與研究，為“光鑷”技術(shù)的研 究與應(yīng)用奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。 1 2 光鑷技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)展 迄今為止，光輻射壓力已得到了比較廣泛的研究與應(yīng)用，尤其是在此基礎(chǔ) 上發(fā)展起來的光鑷技術(shù)。 光鑷最突出的特點(diǎn)在于它可以對(duì)微小粒子進(jìn)行非機(jī)械接觸式的捕獲和操縱 【9 】。這種非接觸性的操控方式使人們可以在不影響粒子本身性質(zhì)和周圍環(huán)境的 情況下操控和觀察粒子，并對(duì)粒子的性質(zhì)以及它與周圍環(huán)境的相互作用進(jìn)行研 究。光鑷的另一基本功能是作為微小力的傳感器或探針?；谄渖鲜霆?dú)特功能 光鑷技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)，物理學(xué)和化學(xué)等涉及微小粒子的研究領(lǐng)域和 技術(shù)部門，成為研究各種凝聚態(tài)物質(zhì)微粒物性的特有工具。 直接捕獲液體、膠體或空氣中的粒子，生物活細(xì)胞、細(xì)菌、病毒，甚或單 個(gè)分子、原子等，并進(jìn)行精細(xì)地操作與控制，是光鑷技術(shù)最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。例如 利用光鑷捕獲選定的生物細(xì)胞等微小粒子，操控它們使之相對(duì)于其它微粒運(yùn) 動(dòng)、實(shí)現(xiàn)微小粒子的精細(xì)分類1 1 1 , 1 2 1 。光鑷的這種操控微粒的功能又被用來使粒 子按人們的需要排布成特定結(jié)構(gòu)的聚集體【l3 l ，這種微粒人工排布技術(shù)為將來的 納米器件組裝提供了新的手段。人們還利用光鑷操控兩個(gè)或多個(gè)微粒，研究它 們之間【1 4 - 2 s 以及與其它物體表面間的相互作用 2 6 , 2 7 】。另一方面，光鑷作為微小 力的探針，已被用來測(cè)量細(xì)胞，生物大分子及其它微小的宏觀微粒的彈性，剛 性等各種靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)，以及這些微粒在各種物理，化學(xué)和生物過程中的動(dòng)態(tài) 力學(xué)行為。一個(gè)突出的例子就是利用光鑷對(duì)生物分子馬達(dá)在生化過程中產(chǎn)生的 力和運(yùn)動(dòng)過程的研究2 8 , 2 9 】，為揭開生命運(yùn)動(dòng)本原之謎提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。微納米 粒子的操控是對(duì)它們的個(gè)體行為進(jìn)行細(xì)致研究的首要條件，除了利用光鑷本身 測(cè)力的功能研究對(duì)象的力學(xué)特性外，光鑷還與其它探測(cè)手段相結(jié)合，來獲得被 控制在一定外晃條件下的微粒的各種信息，諸如光譜特性，以深入理解微粒與 其它物體相互作用過程的微觀機(jī)制。此外，“光鑷”還可和其他的激光工具相 結(jié)合，最重要的例子當(dāng)數(shù)光鑷與光刀結(jié)合在一起的全光學(xué)微加工機(jī)器，這種光 學(xué)夾具和刀具組成的機(jī)器是對(duì)微小粒子進(jìn)行各種顯微加工的特有手段，已用于 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 選擇性的細(xì)胞融合，單條染色體分選，染色體切割和片斷回收等顯微加工【2 卜 2 9 q o 。3 2 1 ?；诠忤嚰夹g(shù)及其與其它實(shí)驗(yàn)手段的結(jié)合，對(duì)微小凝聚態(tài)粒子的研究 已經(jīng)擴(kuò)展到非線性光電效應(yīng)【3 3 1 、球狀凝聚物散射、折射率測(cè)量，微小液滴的拉 曼( r a m a n ) 光譜等研究方面。例如用光鑷移動(dòng)微膠囊，然后在指定位置上開 孔引出膠囊內(nèi)的物質(zhì)使之進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)光譜分析，跟蹤觀察化 學(xué)反應(yīng)的過程，使常規(guī)操作機(jī)械無法完成的微觀精密化學(xué)實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。 與此同時(shí)，以上這些光鑷的應(yīng)用研究領(lǐng)域也對(duì)光鑷本身提出了新的要求， 促進(jìn)了光鑷技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展。在生物大分子的操控和研究上，發(fā)展了通過操 控作為中介手柄的微米小球來實(shí)現(xiàn)對(duì)黏附于其上的更小的微粒實(shí)現(xiàn)操控的間接 操控技術(shù)，使光鑷的應(yīng)用深入到了分子層次，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子動(dòng)力原蛋白、血影 以及細(xì)胞骨架等大分子的研究【3 4 - 4 2 1 。出現(xiàn)了可有效提高捕獲力的環(huán)形光光鑷 【4 3 】；以一定頻率開關(guān)的閃頻光鑷【2 6 , 2 7 】；可以限制粒子在激光束掃描軌跡上運(yùn)動(dòng) 的掃描光鑷4 4 】；可以同時(shí)獨(dú)立操控兩個(gè)或者多個(gè)粒子的雙光鑷4 5 1 和多光鑷；可 以實(shí)現(xiàn)納米精度位移測(cè)量和皮牛力監(jiān)測(cè)的納米光鑷技術(shù)【4 6 卻】：以及拉蓋爾一高斯 ( l g ) 1 5 0 1 光束形成的可以轉(zhuǎn)動(dòng)被捕獲粒子【5 1 1 ，并可以操控低折射率小球和金 屬微?！?3 j 的光鑷等等新的光鑷技術(shù)。這些新的光鑷技術(shù)的出現(xiàn)使得光鑷可以應(yīng) 用于更多的研究領(lǐng)域，推動(dòng)微米級(jí)物質(zhì)研究的深入發(fā)展。 光鑷技術(shù)是一項(xiàng)正在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，為滿足應(yīng)用提出的需求，發(fā)展新 的技術(shù)和方法仍將是今后光鑷技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本論文就是圍繞這一 方向開展研究的。 1 3 本文主要內(nèi)容 本文主要圍繞“光鑷技術(shù)在液相體系微區(qū)特性參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用”這一課 題展開研究，提出一種利用光鑷技術(shù)測(cè)量液相微區(qū)溫度的新方法。此外，還介 紹了在已有生物學(xué)研究的基礎(chǔ)上，研制“便攜式分子馬達(dá)生物傳感超靈敏檢測(cè) 儀”已取得的工作進(jìn)展。 由于論文的主要工作是圍繞光鑷技術(shù)在液相體系微區(qū)特性參數(shù)測(cè)量中的應(yīng) 用開展的，因此在介紹我們的研究工作之前，首先在第二章中介紹了作為本研 究主要工具的光鑷的原理。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 第三、四章為我們的主要研究工作。 隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)日益向微小尺度深入，很多 相互作用局限在很小的空間區(qū)域，導(dǎo)致體系局部狀態(tài)和物性，如黏度，溫度等 的變化，因而需要對(duì)體系微區(qū)特性進(jìn)行細(xì)致的測(cè)量，為深入理解相互作用的規(guī) 律提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。作為體系狀態(tài)的重要參數(shù)的溫度，也與相互作用的特點(diǎn)和過 程密切相關(guān)，微區(qū)溫度的測(cè)量也因此越來越受到人們的重視。已有的測(cè)量體系 內(nèi)部微區(qū)溫度方法還存在很大因難。 在第三章中，我們針對(duì)以上的實(shí)際需要和存在的困難，提出了“利用光鑷 技術(shù)測(cè)量液相微區(qū)溫度”的方法，具體論述和介紹了測(cè)量原理，方法和實(shí)驗(yàn)裝 置、并通過實(shí)驗(yàn)論證了所提出的方法的可行性。在該節(jié)的最后對(duì)這新方法的測(cè) 量精度進(jìn)行了分析討論，對(duì)該方法的進(jìn)一步完善和發(fā)展作了評(píng)述。并利用所發(fā) 展的微區(qū)溫度測(cè)量方法，從實(shí)驗(yàn)上研究了光鑷應(yīng)用中一直困擾人們的光鑷光束 熱效應(yīng)問題，也即光鑷光束本身對(duì)粒子以及它周圍的環(huán)境的加熱效應(yīng)。該研究 首次從實(shí)驗(yàn)上論證了已有的對(duì)于光鑷引起的溫度變化的理論估測(cè)，得到的結(jié)果 與先前理論的估測(cè)基本一致。此外，還運(yùn)用光鑷技術(shù)研究了混合液體黏滯系數(shù) 的組分依賴關(guān)系，擴(kuò)展了方法的適用范圍。 疾病的快速、早期診斷對(duì)于挽救生命、防止傳染病的暴發(fā)和改善人類健康 具有重要意義。而在疾病初期，血液和體液中所含的與疾病相關(guān)的標(biāo)志性分子 的量很低，以致當(dāng)前國內(nèi)外已發(fā)展的眾多診斷各種疾病的早期檢測(cè)技術(shù)、方 法，尚難以完全做到對(duì)疾病早期、靈敏且簡(jiǎn)便但可靠地測(cè)定，滿足早期診斷的 要求。論文的最后一章介紹我們?yōu)榻鉀Q這一問題，與中科院生物物理所的樂加 昌老師研究小組合作，在他們旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)生物傳感器的研究基礎(chǔ)上，開發(fā) “便攜式分子馬達(dá)生物傳感超靈敏檢測(cè)儀”的研究結(jié)果。論文在對(duì)研究工作的 背景知識(shí)一生物領(lǐng)域f o f 一a t p a s e 分子馬達(dá)的結(jié)構(gòu)、特性以及已有的研究成果做 了簡(jiǎn)要介紹后，具體地從物理和技術(shù)的角度討論了檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)、物理設(shè) 計(jì)、方案的實(shí)驗(yàn)研究、以及檢測(cè)儀樣機(jī)研制的初步結(jié)果。該研究為儀器的進(jìn)一 步改進(jìn)與完善、最終目標(biāo)的完成，奠定了基礎(chǔ)。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 本章參考文獻(xiàn) 1 v s l e t o k o v ，p i s m uz h e k s p t e o r f i z ，t ，3 4 8 ( 19 6 8 ) ( t e t p 1 e t t t ，2 7 2 ( 19 6 9 ) ) 2 a a s h k i n a c c e l e r a t i o na n dt r a p p i n go fp a r t i c l e sb yr a d i a t i o np r e s s u r e j 】p h y s r e v 1 e t t ， 19 7 0 ，2 4 ( 4 ) ：15 6 一l5 9 3 a a s h k i n t h ep r e s s u r eo f l a s e rl i g h t s c i j a m 1 9 7 2 2 2 6 ( 5 ) ：6 3 7 1 4 a a s h k i n p h y r e x 1 e t t j ，1 9 7 0 ，2 5 ：1 3 2 1 5 a a s h k i na n dj m d z i e d z i c o p t i c a ll e v i t a t i o nb yr a d i a t i o np r e s s u r e 【j a p p l p h y s 1 e t t ， 1 9 7 1 ，1 9 ( 6 ) ：2 8 3 - 2 8 5 6 g r o o s e n ，c i m b e r t t h et e m 。0 1m o d e ll a s e rb e a mj ap o w e rt o o lf o ro p t i c a ll e v i t a t i o no f v a r i o u st y p e so f s p h e r e j ，o p t c o m m w n 1 9 7 8 ，2 6 ( 3 ) ：4 3 2 - 4 3 6 7 a a s h k i n t r a p p i n g o fa t o m s b y r e s o n a n c e sr a d i a t i o n p r e s s u r e j p h y r e x 1 e t t ， 19 7 8 ，4 0 ( 12 ) ：7 2 9 - 7 3 2 8 a a s h k i n a p p l i c a t i o no f l a s e rr a d i a t i o np r e s s u r e s c i e n c e j a m 1 9 8 0 ，2 1 0 ：1 0 8 卜1 0 8 8 9 a a s h k i n ，j m d z i e d z i c ，j e b j o r k h o l m ，a n ds c h u ，“o b s e r v a t i o no fas i n g l e - b e a mg r a d i e n t f o r c eo p t i c a lt r a pf o rd i e l e c t r i cp a r t i c l e s ，”o p t l e t t 1 1 ，2 8 8 2 9 0 ( 1 9 8 6 ) 1 0 李銀妹，光鑷原理、技術(shù)和應(yīng)用中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社1 9 9 6 11 a a s h k i na n dj m d z i e d z i c o p t i c a lt r a p p i n ga n dm a n i p u l a t i o no fv i r u s e sa n db a c t e r i a s c i e n c e ，1 9 8 7 ，2 3 5 ：1 5 1 7 1 5 2 0 12 a a s h k i n e ta 1 o p t i c a lt r a p p i n ga n dm a n i p u l a t i o no fs i n g l ec e l l su s i n gi n f r a r e dl a s e rb e a m s n a t u r e ( l o n d o n ) j 】，19 8 7 ，3 3 0 ：7 6 9 7 71 13 x us h e n g - h i a ，l iy i n m e i ，l o ul i r e n ，e ta 1 s t e a d yp a t t e r so fm i c r o p a r t i c l e sf o r m e db yo p t i c a l t w e e z e r s j p n j a p p l p h y s 【j ，2 0 0 2 ，4 1 1 6 6 - 1 6 8 14 j c c r o c k e r “m e a s u r e m e n to ft h eh y d r o d y n a m i cc o r r e c t i o n st ot h eb r o w n i a nm o t i o no ft w o c o l l o i d a ls p h e r e s ，”j c h e m p h y s 1 0 6 ，2 8 37 2 8 4 0 ( 19 9 7 ) 15 j c c r o c k e r ，a n dd g g r i e r ，“m i c r o s c o p i cm e a s u r e m e n to ft h ep a i ri n t e r a c t i o np o t e n t i a lo f c h a r g e - s t a b i l i z e dc o l l o i d ，”p h y s r e v l e t t 7 3 ，3 5 2 - 3 5 5 ( 1 9 9 4 ) 16 j c c r o c k e r ，a n dd g g r i e r ，“w h e nl i k ec h a r g e sa t t r a c t ：t h ee f f e c t so fg e o m e t r i c a l c o n f i n e m e n to nl o n g - r a n g ec o l l o i d a li n t e r a c t i o n s ，”p h y s r e v l e t t 7 7 ，1 8 9 7 1 9 0 0 ( 1 9 9 6 ) 17 r j o w e n ，j c c r o c k e r ，r v e r m a ，a n da g y o d h ，“m e a s u r e m e n to fl o n g r a n g es t e r i c r e p u l s i o n sb e t w e e nm i c r o s p h e r e s d u et oa na d s o r b e dp o l y m e r ，”p h y s r e v e 6 4 ，a r t n o 11 4 0 1 ( 2 0 0 1 1 18 a d d i n s m o r e ，a g y o d h ，a n dd j p i n e ，“e n t r o p i cc o n t r o lo fp a r t i c l em o t i o nu s i n gp a s s i v e s u r f a c em i c r o s t r u c t u r e s ，”n a t u r e3 8 3 ，2 3 9 - 2 4 2 ( 19 9 6 ) 1 9 r v e r m a ，j c c r o c k e r ，t c l u b e n s k y ，a n da g y o d h ，“e n t r o p i cc o l l o i d a li n t e r a c t i o n si n c o n c e n t r a t e dd n as o l u t i o n s ，”p h y s r e v 1 e t t 8 1 ，4 0 0 4 4 0 0 7 ( 1 9 9 8 ) 2 0 j c c r o c k e r ，j a m a t t e o ，a d d i n s m o r e ，a n da g y o d h ，“e n t r o p i ca t t r a c t i o na n dr e p u l s i o ni n b i n a r yc o l l o i d sp r o b e dw i t hal i n eo p t i c a lt w e e z e r s ，”p h y s r e v l e t t 8 2 ，4 3 5 2 - 4 3 5 5 ( 1 9 9 9 ) 21 s h x u ，l r l o u ，y m l i ，a n dz w s u n ，“o nt h ea g g r e g a t i o nk i n e t i c so ft w op a r t i c l e s 5 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 t r a p p e di na no p t i c a lt w e e z e r s ，”c o l l o i d ss u r ea2 2 5 ，15 9 16 3 ( 2 0 0 5 ) 2 2 s h x u ，y m l i ，a n dl r l o u ，“a x i a lo p t i c a lt r a p p i n gf o r c e so nt w op a r t i c l e st r a p p e d s i m u l t a n e o u s l yb yo p t i c a lt w e e z e r s ，”a p p l o p t 己接收 2 3 z w s u n ，s h x u ，g l d a i ，y m l i ，l r l o u ，q s l i u ，a n dr z z h u ，“am i c r o s c o p i c a p p r o a c ht os t u d y i n gc o l l o i d a ls t a b i l i t y ，”j c h e m p h y s 11 9 ，2 3 9 9 2 4 0 5 ( 2 0 0 3 ) 2 4 z w s u n ，s h x u ，j l i u ，y m l i ，l r l o u ，a n dj c x i e ，“i m p r o v e dp r o c e d u r eo nt h e m i c r o s c o p i ca p p r o a c ht od e t e r m i n ec o l l o i d a ls t a b i l i t y ，”j c h e m p h y s 己接收 2 5 z w s u n ，y m l i ，s h x u ，l r l o u ，g l d a i ，a n dx q d o n g ，“ad i r e c tt e s to nt h ep o s s i b i l i t y o fa na g g r e g a t ei nd i s p e r s i o nb e i n gd i s r u p t e db ys h e a rf l o w ，”j c o l l o i di n t e r f a c es c i 2 4 2 ， 1 5 8 1 6 3 ( 2 0 0 1 ) 2 6 b h l i n ，j y u ，a n ds a r i c e ，“d i r e c tm e a s u r e m e n t so fc o n s t r a i n e db r o w n i a nm o t i o no fa n i s o l a t e ds p h e r eb e t w e e nt w ow a l l s ，”p h y s r e v e6 2 ，3 9 0 9 3 919 ( 2 0 0 0 ) 2 7 b h l i n ，j y u ，a n ds a r i c e ，“d i f f u s i o no fa ni s o l a t e dc o l l o i ds p h e r ec o n f i n e db e t w e e nf l a t p l a t e s ，”c o l l o i d ss u r f a1 7 4 ，121 131 ( 2 0 0 0 ) 2 8 j e f f f r e y ，t f i n e r ，e ta 1 s i n g l em y o si nm o l e c u l em e c h a n i c s ：p i c o n e ut o nf o r c e sa n dn a n o m e t e r s t e p s n a t u r e j ，1 9 9 4 ，3 6 8 ：11 3 一1 1 9 2 9 r o b e r tm s i m m o n s ，j j f i n e r ，s c h u ，e ta 1 q u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t so ff o r c ea n d d i s p l a c e m e n tu s i n ga no p t i c a lt r a p b i o p h y s i c a lj o u r n a l j ，19 9 6 ，7 0 ：18l3 一l8 2 2 3 0 r w s t e u b i n g ，s c h e n g ，w h w r i g h t ，e ta 1 l a s e ri n d u c e dc e l lf u s i o ni nc o m b i n a t i o nw i t h o p t i c a lt w e e z e r s ：t h el a s e rc e l lf u s i o nt r a p j 】c y t o m e t r y ，1 9 9 1 ，1 2 ( 6 ) ：5 0 5 - 5 1 0 3 1 l iy i n m e i ，l o ul i r e n l a s e r i n d u c e dt o b a c c op r o t o p l a s ti nf u s i o n j s c i e n c ec h i n a ，1 9 9 9 ， 4 2 ( 2 ) ：1 2 2 1 2 7 3 2 m w b e r n s ，w h w r i g h t ，b j t r a m s e r g ，e ta 1 u s eo fal a s e r - i n d u c e df o r c et r a pt os t u d y c h r o m o s o m em o v e m e n to nt h em i t o t i cs p i n d l e j 】n a t l a c a d s c i u s a ，1 9 8 9 ，8 6 ：4 5 3 9 - 4 5 4 3 3 3 k s o s a k i ，m k o s h i o k a ，h m i s a w a ，e ta 1 o p t i c a lt r a p p i n go fam e t a lp a r t i c l ea n daw a t e rd r o p l e t b yas c a n n i n gl a s e rb e a m j 】a p p l l e t t ，19 9 2 ，6 0 ( 7 ) ：8 0 7 - 8 0 9 3 4 k s u o b o d a ，c f s c h m i d t ，b t s c h n a p pe ta 1 d i r e c to b s e r v a t i o no f k i n e s i ns t e p p i n gb yo p t i c a l t r a p p i n gi n t e r f e r o m e t r y n a t u r e j ，1 9 9 3 ，3 6 5 ( 2 1 ) ：7 2 1 7 2 7 3 5 h r u b i n s z t e i n d u n l o p ，m e j f r i e s e ，e ta 1 o p t i c a lt r a p p i n g o fa b s o r b i n g p a r t i c l e s i n p r e s s ( 1 9 9 7 ) f r o mt h ea u t h o r sd e p t o fp h y s i c s ，t h eu n i v e r s i t yo fq u e e s l a n d ，q u e e s l a n d ， b r i s b a m e ，q l o d4 0 7 2 a u s t r a l i