本书分为上中下三篇，系统地介绍光镊技术的原理、技术、装备和应用。上篇从光的力学效应发展的历史，全面介绍光镊技术的由来，光镊技术的原理、功能和特点，光镊设备，设备的设计，操控和测量技术与方法，给出表征光镊技术的参数。中篇对光镊仪器单元技术和测试技术做了全面介绍，详细介绍了光镊力的测量方法和精度，分析了各种方法的测量误差，给出了光镊光场的电磁场和几何光学的基本理论分析方法，较全面地分析光镊技术应用过程中遇到的光镊仪器自身的技术问题。下篇将其应用分为光镊与单分子生物学、光镊与细胞生物学、光镊与胶体科学以及光镊与物理学四个领域进行介绍，例举了国际上已用光镊技术成功解决的难题，详细阐述了每一个问题解决的方法，读者可以根据自己工作领域的需求寻找与光镊技术结合的切入点，用于解决本学科的问题。
样章试读
目录
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前言
上篇光镊原理、技术和装置
第1章光压3
1.1光压3
1.1.1光压的概念3
1.1.2光压的观测4
1.2激光光压6
1.2.1激光特点6
1.2.2激光光压7
1.3光压的应用8
1.3.1太阳帆宇航器8
1.3.2原子冷却和原子捕陷11
1.3.3微米微粒的光悬浮15
1.4总结17
Arthur Asbkin简介17
参考文献18
第2章光镊原理、功能和特点1 9
2. 1光镊名称的由来1 9
2.2光的辐射压力20
2.2.1光力20
2.2.2光与物体相互作用20
2.3梯度力和散射力22
2.3.1梯度力和散射力的形成22
2.3.2高斯光场的梯度分布23
2.4光阱25
2.4.1二维光阱25
2.4.2三维光阱26
2.5光操控28
2.5.1光陷阱效应28
2.5.2直接操控微米微粒29
2.5.3间接操控纳米微粒30
2.6光镊特点30
2.7光镊的无损伤性31
2.7.1光镊的热效应32
2.7.2光阱中的局部温度32
2.7.3光源波长的选择33
2.8微纳米操控技术的比较33
2.9总结34
参考文献34
第3章光镊的构建和参数36
3. 1光镊装置36
3.2光捕获元件37
3.2.1捕获光源37
3.2.2捕获聚焦镜39
3.2.3光耦合器39
3.3光镊操控方式42
3.3.1被动操控42
3.3.2主动操控43
3.4样品和样品室45
3.4.1样品45
3.4.2样品室46
3.4.3样品室种类49
3.5视频法位置探测55
3.5.1视频法照明系统55
3.5.2视频显微成像系统56
3.5.3视频法特点56
3.6光镊参数的定义57
3.6.1光阱力57
3.6.2光阱势能曲线58
3.6.3光阱阱位59
3.6.4光肼阱域59
3.6.5光阱刚度59
3.6.6光阱捕获效率60
3.7光镊系统设计60
3.7.1有限远显微成像的光镊60
3.7.2无限远显微成像的光镊62
3.7.3系统设计64
3.8光镊仪器64
3.8.1光镊微操作仪64
3.8.2单分子光镊力谱仪66
3.9总结69
参考文献70
第4章各种类型的光镊71
4. 1时间调制光镊71
4.1.1时间调制原理71
4.1.2时分复用光阱有效刚度的数值模拟73
4.1.3扫描光力驱动法75
4.1.4旋转玻片位移法78
4.2空间调制光镊81
4.2.1贝塞尔光束光镊81
4.2.2空心光束光镊84
4.2.3偏振光束光镊87
4.3全息光镊89
4.3.1全息光镊原理和算法90
4.3.2空间光调制器96
4.3.3全息光镊的应用102
4.4光纤光镊114
4.4.1光在光纤中传播114
4.4.2光纤光镊与微粒受力11 5
4.4.3光纤端头加工120
4.4.4光纤光镊装置122
4.4.5光纤光镊特点124
4.5近场光镊125
4.5.1近场光学衙射极限125
4.5.2近场光镊127
4.6微型光镊130
4.6.1微型光镊微操作仪131
4.6.2双光镊单分子力谱仪132
4.6.3微型全息光镊134
4.6.4芯片光镊135
4.7融合其他技术的光镊138
4.7.1光刀光镊139
4.7.2拉曼光镊141
4.7.3磁光镊142
4.8总结143
参考文献143
中篇光镊技术
第5章光镊参数的测量和标定151
5. 1探测器T作原理151
5. 1.1数码相机151
5.1.2光电位置探测器152
5.2图像分析法155
5.2.1图像灰度重心法156
5.2.2图像相关运算法156
5.2.3图像尺寸法标定轴向位置159
5.2.4图像信息熵法160
5.3位置测量与分析161
5.3.1微粒的散射光探测161
5.3.2散射光测量的理论模拟162
5.3.3散射光的测量165
5.3.4位置探测器的标定168
5.4光阱力的测量169
5.4.1光阱中微粒的受力分析169
5.4.2流体力学法测量光阱力和最大光阱力171
5.4.3双光阱法测量横向力场分布172
5.5光阱刚度的标定174
5.5.1流体力学法175
5.5.2热运动分析法179
5.5.3刚度标定方法的比较182
5.6光阱势能曲线的测量184
5.6.1测量原理184
5.6.2简谐区势阱的测量184
5.6.3非简谐区势阱的测量185
5.7光镊中多微粒的分辨185
5.7.1背散光法区分微粒的原理186
5.7.2不同粒径的背散光强186
5.7.3光阱中多微粒分辨187
5.7.4粒径与散射光强187
5.8总结188
参考文献189
第6章光阱力的理论模型191
6. 1光阱力理论模型及其分类191
6.2几何光学模型理论和应用191
6.2.1光线对界面力的分析192
6.2.2光阱对球形微粒的作用力分析194
6.2.3光线追迹软件应用于光力计算198
6.2.4矢量光线追迹法计算光力202
6.3电磁模型理论和应用212
6.3.1电磁场对微粒的作用力212
6.3.2洛伦兹米氏散射理论213
6.3.3广义洛伦兹-米氏散射理论221
6.3.4GLMT理论计算光镊辐射力222
6.3.5瑞利模型计算辐射力223
6.3.6T矩阵法计算辐射力227
6.3.7时域有限差分法计算辐射力230
6.3.8角谱分析法计算辐射力231
6.4总结234
参考文献235
第7章光镊系统的优他设计237
7. 1捕获效率Q值的优化设计237
7.1.1研究光镊捕获效率的意义237
7.1.2捕获效率的理论和实验237
-.2光镊系统的球差修正240
7.2.1光阱中的球差分析240
7.2.2球差补偿方法244
7.2.3球差对光阱纵向刚度的影响245
7.3油浸物镜的数值孔径利用率246
7.3.1光镊中球差的光线光学模型246
7.3.2有效数值孔径的计算247
7.3.3捕获效率与数值孔径利用率的数值分析249
7.4提高光阱横向捕获效率252
7.4.1近轴光线对横向捕获效率的影响252
7.4.2捕获效率与位移之间的关系253
7.5纵向位移与横向位移的关系254
7.5.1流体力学法测量光阱力存在的问题254
7.5.2流体力学法测量阱中小球的纵向位移255
7.5.3纵向位移的理论计算256
7.5.4流体力学法进行刚度标定的合理性257
7.6采集带宽对刚度标定的影响259
7.7总结261
参考文献262
第8章参量测量的不确定度和噪声分析264
8. 1噪声来源和特点264
8.1.1随机噪声264
8.1.2方法学误差267
8.1.3随机噪声的特性270
8.2噪声分析方法272
8.2.1随机误差分析方法273
8.2.2建模与仿真技术274
8.2.3艾伦方差分析随机噪声特性280
8.2.4随机噪声滤波法282
8.2.5小波阈值去噪法282
8.3降低噪声的措施285
8.3.1优化系统设计285
8.3.2优化实验参量286
8.3.3提高信号处理精度288
8.3.4反馈控制技术的运用290
8.3.5差分信号探测的应用292
8.4实验环境要求294
8.5总结295
参考文献296
第9章光镊-光致旋转298
9. 1白旋角动量298
9.1.1偏振光与双折射晶体的相互作用299
9.1.2光致旋转运动的观察和测量302
9.1.3影响旋转频率的因素304
9.1.4光致旋转306
9.2轨道角动量307
9.2.1涡旋光与轨道角动量307
9.2.2典型涡旋光308
9.2.3涡旋光的生成方法310
9.2.4涡旋光的力学特性和光致旋转312
9.3轨道角动量与白旋角动量313
9.4线性动量314
9.5总结31 6
参考文献31 6
第10章非光力镊子31 9
10.1机械镊31 9
10.1.1微针吸入法理论模型31 9
10.1.2微针的制备320
10.1.3膜弹性测量321
10.2生物膜镊322
10.3磁镊323
10.3.1磁镊操控原理323
10.3.2磁镊操控DNA324
10.4电镊324
10.4.1介电泳操控原理324
10.4.2介电泳的特点325
10.5光电镊326
10.5.1光电镊操控原理326
10.5.2光电镊的特点327
10.6原子力显微镜327
10.6.1愿子力操控原理328
10.6.2原子力操控特点328
10.7冰镊329
10.7.1冰镊操控原理329
10.7.2冰镊力的特点330
10.8总结331
参考文献332
下篇光镊技术的应用
第11章光镊与细胞生物学337
11.1悬浮细胞的捕获与操控337
11.1.1观测酵母细胞繁殖337
11.1.2细胞分选338
11.1.3单细胞融合339
11.1.4免疫细胞位点识别342
1 1.1.5光阱热效应杀伤癌细胞343
11.2单细胞拉曼光谱344
11.2.1细胞代谢随时间变化345
11.2.2鉴别细胞活性345
11.2.3细胞组分随温度变化345
11.2.4偶氮囊泡的光响应特点347
11.3细胞膜力学性质350
11.3.1测量细胞膜弹性的方法351
11.3.2病变红细胞膜的弹性模量353
11.4细胞器捕获与操控355
11.4.1探测细胞质的黏弹性355
11.4.2模拟生物微重力效应356
11.4.3分离提取单条染色体357
11.4.4研究染色体运动358
11.5活体动物内细胞的操控360
11.5.1活体内血管中红细胞的三维操控360
1 1.5.2光镊制造血管堵塞与疏通360
11.6息结362
参考文献362
第12章光镊与单分子生物学365
12.1物理实验方法365
12.1.1单光镊法365
12.1.2多光镊法366
12.1.3光镊-微针法367
12.1.4“手柄”微球的偶联技术368
12.2驱动蛋白的动力学行为369
12.2.1实验方法369
12.2.2驱动蛋白-1的动力学特性371
12.2.3非对称移交手的行走方式371
12.2.4协调机制与持续行走能力373
12.2.5步距与亚步距373
12.2.6驱动蛋白动力学特性总结374
12.3DNA分子375
12.3.1双链DNA弹性理论375
12.3.2双链DNA相变376
12.3.3双链DNA分子打开377
12.3.4双链DNA扭矩响应377
12.3.5双／单链DNA分子弹性378
12.3.6核小体379
12.3.7DNA与蛋白质相互作用380
12.4RNA构象380
12.4.1力坡法381
12.4.2跃迁法381
12.4.3力跃法383
12.5蛋白构象384
12.5.1肌联蛋白385
12.5.2血管性假血友病因子蛋白386
12.5.3微管蛋白387
12.6分子马达388
12.6.1肌球蛋白388
12.6.2RNA聚合酶390
12.6.3噬菌体门马达391
12.6.4核耱体391
12.6.5DNA聚合酶392
12.7总结393
参考文献394
附录：样品室的清洗方法397
第13章光镊与胶体科学398
13. 1布朗微粒和胶体体系398
13.1.1微粒的自由布朗运动398
13.1.2布朗微粒的扩散运动401
13.2受限微粒的扩散特性402
13.2.1受限的布朗微粒402
13.2.2布朗微粒的扩散系数403
13.2.3液体界面对微粒扩散运动的影响404
13.3微粒间的相互作用408
13.3.1流体动力学相互作用408
13.3.2静电相互作用409
13.3.3空位相互作用与空间相互作用409
13.4分散体系稳定率的测量411
13.4.1光镊法测量稳定率412
13.4.2两个微粒碰撞频率的理论模拟413
13.4.3光镊中两微粒的聚集时间41 6
13.4.4光镊法与浊度法和zeta电位法比较418
13.4.5光镊对测量稳定率的影响41 9
13.5胶体微粒的结合性质420
13.5.1结合面积与结合能420
13.5.2聚集体的剪切力421
13.5.3研究胶体老化422
13.5.4小球链的形变与受力424
13.6微粒的稳定排布426
13.6.1微粒的稳定聚集与盐浓度426
13.6.2平面排布微粒428
13.6.3空间排布微粒428
13.7微区流变学的测量429
13.7.1主动的微流变学429
13.7.2被动流变学方法429
13.8总结430
参考文献430
附录432
附录13.1DLVO理论和体系的稳定性432
附录13.2空间稳定理论和空缺稳定理论435
附录13.3稳定率的常用测量方法435
第14章光镊与物理学437
14.1光力的验证和精确测量437
14.1.1光力的验证437
14.1.2皮牛力的测量439
14.2液相微区温度和黏滞系数的测量440
14.2.1液相微区温度的测量441
14.2.2混合液体黏滞系数的测量443
14.3布朗运动的新认识446
14.3.1布朗微粒的瞬时速度447
14.3.2水中布朗微粒运动的冲击区域448
14.4纳米器件排布与表征449
14.4.1单光镊组装纳米线450
14.4.2阵列光镊组装纳米器件451
14.4.3标定纳米微粒直径451
14.5光子力加速度计452
14.5.1加速度计原理453
14.5.2光子力加速度计原理454
14.5.3光子力加速度计结构455
14.5.4光子力加速度计的特点457
14.6开辟新技术459
14.6.1纳米光声探针459
14.6.2真空中冷却微观微粒461
14.6.3光镊操控金刚石NV色心462
14.7总结463
参考文献464
缩略语表466
后记473
彩插
京公网安备 11010102004214号