上篇 光镊原理、技术和装置

第1章 光压

1.1 光压

1.1.1 光压的概念

1.1.2 光压的观测

1.2 激光光压

1.2.1 激光特点

1.2.2 激光光压

1.3 光压的应用

1.3.1 太阳帆宇航器

1.3.2 原子冷却和原子捕陷

1.3.3 微米微粒的光悬浮

1.4 总结

Arthur Ashkin简介

参考文献

第2章 光镊原理、功能和特点

2.1 光镊名称的由来

2.2 光的辐射压力

2.2.1 光力

2.2.2 光与物体相互作用

2.3 梯度力和散射力

2.3.1 梯度力和散射力的形成

2.3.2 高斯光场的梯度分布

2.4 光阱

2.4.1 二维光阱

2.4.2 三维光阱

2.5 光操控

2.5.1 光陷阱效应

2.5.2 直接操控微米微粒

2.5.3 间接操控纳米微粒

2.6 光镊特点

2.7 光镊的无损伤性

2.7.1 光镊的热效应

2.7.2 光阱中的局部温度

2.7.3 光源波长的选择

2.8 微纳米操控技术的比较

2.9 总结

参考文献

第3章 光镊的构建和参数

3.1 光镊装置

3.2 光捕获元件

3.2.1 捕获光源

3.2.2 捕获聚焦镜

3.2.3 光耦合器

3.3 光镊操控方式

3.3.1 被动操控

3.3.2 主动操控

3.4 样品和样品室

3.4.1 样品

3.4.2 样品室

3.4.3 样品室种类

3.5 视频法位置探测

3.5.1 视频法照明系统

3.5.2 视频显微成像系统

3.5.3 视频法特点

3.6 光镊参数的定义

3.6.1 光阱力

3.6.2 光阱势能曲线

3.6.3 光阱阱位

3.6.4 光阱阱域

3.6.5 光阱刚度

3.6.6 光阱捕获效率

3.7 光镊系统设计

3.7.1 有限远显微成像的光镊

3.7.2 无限远显微成像的光镊

3.7.3 系统设计

3.8 光镊仪器

3.8.1 光镊微操作仪

3.8.2 单分子光镊力谱仪

3.9 总结

参考文献

第4章 各种类型的光镊

4.1 时间调制光镊

4.1.1 时间调制原理

4.1.2 时分复用光阱有效刚度的数值模拟

4.1.3 扫描光力驱动法

4.1.4 旋转玻片位移法

4.2 空间调制光镊

4.2.1 贝塞尔光束光镊

4.2.2 空心光束光镊

4.2.3 偏振光束光镊

4.3 全息光镊

4.3.1 全息光镊原理和算法

4.3.2 空间光调制器

4.3.3 全息光镊的应用

4.4 光纤光镊

4.4.1 光在光纤中传播

4.4.2 光纤光镊与微粒受力

4.4.3 光纤端头加工

4.4.4 光纤光镊装置

4.4.5 光纤光镊特点

4.5 近场光镊

4.5.1 近场光学衍射极限

4.5.2 近场光镊

4.6 微型光镊

4.6.1 微型光镊微操作仪

4.6.2 双光镊单分子力谱仪

4.6.3 微型全息光镊

4.6.4 芯片光镊

4.7 融合其他技术的光镊

4.7.1 光刀光镊

4.7.2 拉曼光镊

4.7.3 磁光镊

4.8 总结

参考文献

中篇 光镊技术

第5章 光镊参数的测量和标定

5.1 探测器工作原理

5.1.1 数码相机

5.1.2 光电位置探测器

5.2 图像分析法

5.2.1 图像灰度重心法

5.2.2 图像相关运算法

5.2.3 图像尺寸法标定轴向位置

5.2.4 图像信息熵法

5.3 位置测量与分析

5.3.1 微粒的散射光探测

5.3.2 散射光测量的理论模拟

5.3.3 散射光的测量

5.3.4 位置探测器的标定

5.4 光阱力的测量

5.4.1 光阱中微粒的受力分析

5.4.2 流体力学法测量光阱力和最大光阱力

5.4.3 双光阱法测量横向力场分布

5.5 光阱刚度的标定

5.5.1 流体力学法

5.5.2 热运动分析法

5.5.3 刚度标定方法的比较

5.6 光阱势能曲线的测量

5.6.1 测量原理

5.6.2 简谐区势阱的测量

5.6.3 非简谐区势阱的测量

5.7 光镊中多微粒的分辨

5.7.1 背散光法区分微粒的原理

5.7.2 不同粒径的背散光强

5.7.3 光阱中多微粒分辨

5.7.4 粒径与散射光强

5.8 总结

参考文献

第6章 光阱力的理论模型

6.1 光阱力理论模型及其分类

6.2 几何光学模型理论和应用

6.2.1 光线对界面力的分析

6.2.2 光阱对球形微粒的作用力分析

6.2.3 光线追迹软件应用于光力计算

6.2.4 矢量光线追迹法计算光力

6.3 电磁模型理论和应用

6.3.1 电磁场对微粒的作用力

6.3.2 洛伦兹－米氏散射理论

6.3.3 广义洛伦兹－米氏散射理论

6.3.4 GLMT理论计算光镊辐射力

6.3.5 瑞利模型计算辐射力

6.3.6 T矩阵法计算辐射力

6.3.7 时域有限差分法计算辐射力

6.3.8 角谱分析法计算辐射力

6.4 总结

参考文献

第7章 光镊系统的优化设计

7.1 捕获效率Q值的优化设计

7.1.1 研究光镊捕获效率的意义

7.1.2 捕获效率的理论和实验

7.2 光镊系统的球差修正

7.2.1 光阱中的球差分析

7.2.2 球差补偿方法

7.2.3 球差对光阱纵向刚度的影响

7.3 油浸物镜的数值孔径利用率

7.3.1 光镊中球差的光线光学模型

7.3.2 有效数值孔径的计算

7.3.3 捕获效率与数值孔径利用率的数值分析

7.4 提高光阱横向捕获效率

7.4.1 近轴光线对横向捕获效率的影响

7.4.2 捕获效率与位移之间的关系

7.5 纵向位移与横向位移的关系

7.5.1 流体力学法测量光阱力存在的问题

7.5.2 流体力学法测量阱中小球的纵向位移

7.5.3 纵向位移的理论计算

7.5.4 流体力学法进行刚度标定的合理性

7.6 采集带宽对刚度标定的影响

7.7 总结

参考文献

第8章 参量测量的不确定度和噪声分析

8.1 噪声来源和特点

8.1.1 随机噪声

8.1.2 方法学误差

8.1.3 随机噪声的特性

8.2 噪声分析方法

8.2.1 随机误差分析方法

8.2.2 建模与仿真技术

8.2.3 艾伦方差分析随机噪声特性

8.2.4 随机噪声滤波法

8.2.5 小波阈值去噪法

8.3 降低噪声的措施

8.3.1 优化系统设计

8.3.2 优化实验参量

8.3.3 提高信号处理精度

8.3.4 反馈控制技术的运用

8.3.5 差分信号探测的应用

8.4 实验环境要求

8.5 总结

参考文献

第9章 光镊－光致旋转

9.1 自旋角动量

9.1.1 偏振光与双折射晶体的相互作用

9.1.2 光致旋转运动的观察和测量

9.1.3 影响旋转频率的因素

9.1.4 光致旋转

9.2 轨道角动量

9.2.1 涡旋光与轨道角动量

9.2.2 典型涡旋光

9.2.3 涡旋光的生成方法

9.2.4 涡旋光的力学特性和光致旋转

9.3 轨道角动量与自旋角动量

9.4 线性动量

9.5 总结

参考文献

第10章 非光力镊子

10.1 机械镊

10.1.1 微针吸入法理论模型

10.1.2 微针的制备

10.1.3 膜弹性测量

10.2 生物膜镊

10.3 磁镊

10.3.1 磁镊操控原理

10.3.2 磁镊操控DNA

10.4 电镊

10.4.1 介电泳操控原理

10.4.2 介电泳的特点

10.5 光－电镊

10.5.1 光电镊操控原理

10.5.2 光电镊的特点

10.6 原子力显微镜

10.6.1 原子力操控原理

10.6.2 原子力操控特点

10.7 冰镊

10.7.1 冰镊操控原理

10.7.2 冰镊力的特点

10.8 总结

参考文献

下篇 光镊技术的应用

第11章 光镊与细胞生物学

11.1 悬浮细胞的捕获与操控

11.1.1 观测酵母细胞繁殖

11.1.2 细胞分选

11.1.3 单细胞融合

11.1.4 免疫细胞位点识别

11.1.5 光阱热效应杀伤癌细胞

11.2 单细胞拉曼光谱

11.2.1 细胞代谢随时间变化

11.2.2 鉴别细胞活性

11.2.3 细胞组分随温度变化

11.2.4 偶氮囊泡的光响应特点

11.3 细胞膜力学性质

11.3.1 测量细胞膜弹性的方法

11.3.2 病变红细胞膜的弹性模量

11.4 细胞器捕获与操控

11.4.1 探测细胞质的黏弹性

11.4.2 模拟生物微重力效应

11.4.3 分离提取单条染色体

11.4.4 研究染色体运动

11.5 活体动物内细胞的操控

11.5.1 活体内血管中红细胞的三维操控

11.5.2 光镊制造血管堵塞与疏通

11.6 总结

参考文献

第12章 光镊与单分子生物学

12.1 物理实验方法

12.1.1 单光镊法

12.1.2 多光镊法

12.1.3 光镊－微针法

12.1.4 “手柄”微球的偶联技术

12.2 驱动蛋白的动力学行为

12.2.1 实验方法

12.2.2 驱动蛋白－1的动力学特性

12.2.3 非对称移交手的行走方式

12.2.4 协调机制与持续行走能力

12.2.5 步距与亚步距

12.2.6 驱动蛋白动力学特性总结

12.3 DNA分子

12.3.1 双链DNA弹性理论

12.3.2 双链DNA相变

12.3.3 双链DNA分子打开

12.3.4 双链DNA扭矩响应

12.3.5 双／单链DNA分子弹性

12.3.6 核小体

12.3.7 DNA与蛋白质相互作用

12.4 RNA构象

12.4.1 力坡法

12.4.2 跃迁法

12.4.3 力跃法

12.5 蛋白构象

12.5.1 肌联蛋白

12.5.2 血管性假血友病因子蛋白

12.5.3 微管蛋白

12.6 分子马达

12.6.1 肌球蛋白

12.6.2 RNA聚合酶

12.6.3 噬菌体门马达

12.6.4 核糖体

12.6.5 DNA聚合酶

12.7 总结

参考文献

附录：样品室的清洗方法

第13章 光镊与胶体科学

13.1 布朗微粒和胶体体系

13.1.1 微粒的自由布朗运动

13.1.2 布朗微粒的扩散运动

13.2 受限微粒的扩散特性

13.2.1 受限的布朗微粒

13.2.2 布朗微粒的扩散系数

13.2.3 液体界面对微粒扩散运动的影响

13.3 微粒间的相互作用

13.3.1 流体动力学相互作用

13.3.2 静电相互作用

13.3.3 空位相互作用与空间相互作用

13.4 分散体系稳定率的测量

13.4.1 光镊法测量稳定率

13.4.2 两个微粒碰撞频率的理论模拟

13.4.3 光镊中两微粒的聚集时间

13.4.4 光镊法与浊度法和zeta电位法比较

13.4.5 光镊对测量稳定率的影响

13.5 胶体微粒的结合性质

13.5.1 结合面积与结合能

13.5.2 聚集体的剪切力

13.5.3 研究胶体老化

13.5.4 小球链的形变与受力

13.6 微粒的稳定排布

13.6.1 微粒的稳定聚集与盐浓度

13.6.2 平面排布微粒

13.6.3 空间排布微粒

13.7 微区流变学的测量

13.7.1 主动的微流变学

13.7.2 被动流变学方法

13.8 总结

参考文献

附录

附录13.1 DLVO理论和体系的稳定性

附录13.2 空间稳定理论和空缺稳定理论

附录13.3 稳定率的常用测量方法

第14章 光镊与物理学

14.1 光力的验证和精确测量

14.1.1 光力的验证

14.1.2 皮牛力的测量

14.2 液相微区温度和黏滞系数的测量

14.2.1 液相微区温度的测量

14.2.2 混合液体黏滞系数的测量

14.3 布朗运动的新认识

14.3.1 布朗微粒的瞬时速度

14.3.2 水中布朗微粒运动的冲击区域

14.4 纳米器件排布与表征

14.4.1 单光镊组装纳米线

14.4.2 阵列光镊组装纳米器件

14.4.3 标定纳米微粒直径

14.5 光子力加速度计

14.5.1 加速度计原理

14.5.2 光子力加速度计原理

14.5.3 光子力加速度计结构

14.5.4 光子力加速度计的特点

14.6 开辟新技术

14.6.1 纳米光声探针

14.6.2 真空中冷却微观微粒

14.6.3 光镊操控金刚石NV色心

14.7 总结

参考文献

缩略语表

后记