掃描探針顯微鏡生物成像研究與光鑷的FDTD模擬.pdf

1、本文描述了掃描探針顯微鏡在生物領(lǐng)域的應(yīng)用和光鑷的數(shù)值模擬研究。對于前者，闡述了原子力顯微鏡(AFM)對生物樣品的成像研究，原子力與光子掃描隧道組合顯微鏡(AF/PSTM)的實(shí)驗(yàn)操作及其對各種樣品的成像，特別是生物樣品的成像。對于后者，探討了時(shí)域有限差分法在光鑷?yán)碚撗芯恐械膽?yīng)用。 掃描探針顯微鏡是對固體表面進(jìn)行高分辨研究的工具。原子力顯微鏡由于對樣品的導(dǎo)電性沒有特殊要求，并且能在接近生理?xiàng)l件下測量活的生物樣品，從而成為生物領(lǐng)域的重

2、要研究工具。本文通過對變形桿菌、狗腎上皮細(xì)胞和流感病毒的原子力顯微鏡成像研究，說明了原子力顯微鏡對臨床醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)的應(yīng)用。在對狗腎上皮細(xì)胞成像時(shí)，觀察到細(xì)胞表面的小孔凹陷和突起，并獲得了細(xì)胞膜表面細(xì)胞被(糖萼)的結(jié)構(gòu)。在對流感病毒成像時(shí)，觀察到了病毒表面的糖蛋白突起。 原子力與光子掃描隧道組合顯微鏡結(jié)合了原子力顯微鏡與光子掃描隧道顯微鏡的功能，能夠在獲得原子力顯微鏡形貌和相位圖像的同時(shí)，通過對稱照明樣品，減少了原有光子掃描隧道

3、顯微鏡所存在的假象；通過圖像分解，可以獲得樣品的透過率和折射率圖像。本文探討了原子力與光子掃描隧道組合顯微鏡的實(shí)驗(yàn)操作，即如何具體實(shí)現(xiàn)原子力顯微鏡與光子掃描隧道顯微鏡的功能。文章通過對各種樣品成像，驗(yàn)證了原子力與光子掃描隧道組合顯微鏡的功能。論文探討了原子力與光子掃描隧道組合顯微鏡在生物領(lǐng)域的應(yīng)用，揭示出它也能成為生物應(yīng)用的重要研究工具。特別是在對海灣扇貝雄性生殖腺切片成像時(shí)，不僅觀察到了海灣扇貝精子切片的表面形貌，通過光子掃描隧道顯微

4、鏡透過率和折射率圖像，還觀察到精子頭部細(xì)胞核內(nèi)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。 光鑷是利用光的輻射壓來研究微觀及介觀粒子的工具。光鑷能對生物樣品進(jìn)行非侵入式微操作。本文利用光鑷對酵母菌細(xì)胞進(jìn)行了捕獲與操作。 光鑷的理論是不完備的，特別是對于微米尺度(光波長)的粒子，至今尚沒有較好的理論來描述。本文用三維時(shí)域有限差分法，探討了微米尺度粒子所受的光輻射壓力。光輻射壓力由Minkowski電介質(zhì)中的動(dòng)量轉(zhuǎn)換推出，入射聚焦光場用Richards-W

5、olf散射場理論來確定。計(jì)算所得的輻射壓力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常符合。 論文的研究結(jié)果表明： (1)用AFM對生物樣品成像，可以得到樣品表面精細(xì)結(jié)構(gòu)的信息；用自行研制的AF/PSTM不僅可以得到表面形貌，還可以得到生物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。以AFM為基礎(chǔ)的顯微成像工具在生物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 (2)Richards-Wolf矢量衍射理論與三維FDTD方法結(jié)合可獲得光束焦點(diǎn)區(qū)域小球所產(chǎn)生的散射場。利用Minkowski電