光鑷研究分散體系中微粒的運動.pdf

1、分散體系是自然界中廣泛存在的一種物質(zhì)體系，對分散體系性質(zhì)的研究一直具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。分散體系的宏觀性質(zhì)歸根結(jié)底是由體系中的微粒的性質(zhì)特別是微粒的動力學(xué)行為所決定，所以涉及特征尺度為微米量級的微粒、液滴或者氣泡的運動的問題，是流體力學(xué)在分散體系應(yīng)用研究的一個主要領(lǐng)域。然而長期以來，因為缺乏有效的實驗手段，對單個微粒動力學(xué)行為的實驗研究非常困難。
　　 光與物質(zhì)相互作用的過程中傳遞動量，也能夠傳遞角動量，基于此原理的光鑷

2、技術(shù)可以非機(jī)械接觸的方式三維操控水溶液中的0.1μm～10μm的微粒。另外，光鑷可以精確測量光阱對微粒施加的光阱力，使得在光鑷出現(xiàn)之后，很快就被成功地應(yīng)用于對分散體系中微粒的動力學(xué)行為進(jìn)行研究。
　　 本文的工作主要是利用光鑷研究分散體系中微粒的運動。對分散體系中微粒的擴(kuò)散運動、旋轉(zhuǎn)運動以及光鑷操控界面中的微粒等進(jìn)行了深入的研究和詳細(xì)的討論。對這些研究過程中所需要的實驗設(shè)備、實驗方法和涉及的相關(guān)問題也進(jìn)行了實驗研究和模擬計算。<

3、br>　　 分散體系中微粒運動的一個主要特征是布朗運動，可以使用微粒的擴(kuò)散系數(shù)參數(shù)描述其運動。利用光鑷操控微粒的特點，非常適合于測量微粒的擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)不同的研究對象，人們已經(jīng)發(fā)展了多種利用光鑷測量擴(kuò)散系數(shù)的方法。論文根據(jù)納米光鑷系統(tǒng)，研究了溶液中微粒擴(kuò)散系數(shù)的測量方法，測量不同濃度的溶液中微粒的擴(kuò)散系數(shù)，并發(fā)展了結(jié)合高低頻功率譜測量擴(kuò)散系數(shù)的方法。
　　 微粒在光阱中不僅會平面運動，而且會做旋轉(zhuǎn)運動。論文研究了雙折射小球旋轉(zhuǎn)

4、速度隨光阱的各種條件的變化。發(fā)現(xiàn)隨著捕獲高度的增加，微粒的旋轉(zhuǎn)速度逐漸下降，并指出該下降是由于折射率不匹配引起的球差導(dǎo)致的。在無窮遠(yuǎn)顯微系統(tǒng)上使用有限遠(yuǎn)物鏡對球差進(jìn)行補(bǔ)償，將小球最大的旋轉(zhuǎn)速度的位置平移至捕獲高度約等于50μm的位置。
　　 光鑷可以測量微區(qū)和界面中微粒的力學(xué)行為是其他研究手段無法比擬的。將光鑷應(yīng)用于界面體系研究的基礎(chǔ)是光鑷能夠操控界面上的微粒。操控界面微粒與液體中操控微粒不一樣，當(dāng)微粒處于界面時，縱向方向主要受

5、表面張力影響，而激光的輻射壓力是次要的，所以光鑷只能夠二維操控界面上的微粒。論文使用幾何光學(xué)模型，計算微粒處于界面時的光阱捕獲力，指出如何才能最大限度的增加光阱力，以更好的操控界面微粒。計算結(jié)果指出低數(shù)值孔徑的物鏡更適合于操控界面微粒，在實驗中使用了數(shù)值孔徑為0.75的物鏡對空氣一水界面上的微粒進(jìn)行了操控和移動，為光鑷研究空氣一水界面的性質(zhì)做了初步的實驗基礎(chǔ)。
　　 論文利用光鑷捕獲粘附于Hela細(xì)胞的小球，測量小球與Hela細(xì)

6、胞的非特異性結(jié)合力，研究了該結(jié)合力的強(qiáng)度和斷裂過程，并分析該結(jié)合力的來源，認(rèn)為該結(jié)合力是空間相互作用和靜電力共同作用的結(jié)果。
　　 實驗設(shè)備是實驗研究工作的基礎(chǔ)。論文前期還對光鑷系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了研究，測量了系統(tǒng)的光阱剛度包括橫向剛度和縱向剛度，縱向剛度測量中小球的縱向位移采用信息熵進(jìn)行標(biāo)定。明確光阱中的微粒個數(shù)，是光鑷在微觀層次開展實驗研究的前提。論文根據(jù)光散射原理，提出通過測量光阱內(nèi)微粒的背散光強(qiáng)度來區(qū)分光阱中的微粒個數(shù)的方法