光镊技术【2025|PDF下载-Epub版本|mobi电子书|kindle百度云盘下载】

光镊技术PDF格式电子书版下载

注意：本站所有压缩包均有解压码： 点击下载压缩包解压工具

上篇 光镊原理、技术和装置3

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 Ashkin简介17

参考文献18

第2章 光镊原理、功能和特点19

2.1 光镊名称的由来19

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 光阱阱域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115

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 近场光学衍射极限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151

第5章 光镊参数的测量和标定151

5.1 探测器工作原理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

6.3.4 GLMT理论计算光镊辐射力222

6.3.5 瑞利模型计算辐射力223

6.3.6 T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 光镊系统的优化设计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

7.2 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 自旋角动量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 轨道角动量与自旋角动量313

9.4 线性动量314

9.5 总结316

参考文献316

第10章 非光力镊子319

10.1 机械镊319

10.1.1 微针吸入法理论模型319

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 原子力操控原理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337

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

11.1.5 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

11.5.2 光镊制造血管堵塞与疏通360

11.6 总结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

12.3 DNA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

12.3.7 DNA与蛋白质相互作用380

12.4 RNA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

12.6.2 RNA聚合酶390

12.6.3 噬菌体门马达391

12.6.4 核糖体391

12.6.5 DNA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416

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419

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13.1 DLVO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