【毕业论文标题】 光镊的光压力测量及光镊与膜片钳结合的研究
【英文标题】 The Measurement of Optical Force from Optical Tweezers and the Research on the Combination of Optical Tweezers and Patch Clamp
【中文摘要】 本文在对光镊进行简要介绍的基础上,重点展开对光镊使用不同放大倍率显微物镜对细胞的捕获能力的分析和光镊与膜片钳结合用于研究细胞电特性的初步研究。绪论内容为光镊的发展历史、原理、特点、新技术、应用、及其与其他研究仪器的结合。第二章内容为常规单光束梯度力激光光镊仪器的主要部件的详细介绍,以及对不同的位置探测和捕获力的测量手段的介绍。第三章内容为应用上海中珂光镊科技有限公司生产的LOTⅡ型光镊,利用热力学平衡原理对光捕获力的实际测量。比较采用数值孔径为0.65的40X物镜和数值孔径为1.25的100X物镜的捕获实验结果,发现100X物镜在侧向和轴向上的捕获能力均强于40X物镜。在其他实验条件,包括入射捕获光功率,被捕获的细胞等,不变的情况下,用100X物镜得到的光势阱刚性系数比40X物镜的大。100X物镜在捕获效率上和对捕获酵母菌细胞在轴向的限制能力上都强于40X物镜。100X物镜捕获能力强还表现在实验中操作被捕获细胞更加流畅的特性中。因此光镊仪器应尽量使用放大倍率高的、数值孔径大的显微物镜进行光捕获,以便得到高的捕获效率和流畅的操作。第四章内容为基于提高对细胞的电生理特性的研究采用LOTⅡ型光镊仪器与EPC-10型膜片钳仪器结合的初步实验。实验中在捕获细胞后,膜片钳针尖接近细胞,推动细胞,但不推离光势阱,根据光镊的刚性系数推算针尖对细胞的作用力。这个结果可以为压力器中施加的压力做定量的标定。根据光镊对酵母菌细胞的捕获实验和与膜片钳结合的研究,发现光镊在生物研究领域拥有很广阔的应用前景,它将更深一步地为人们了解生命科学提供研究手段。

【英文摘要】 Based on the introduction of optical tweezers,the main points of this dissertation are the measurement of optical force from optical tweezers with different microscope objectives,and the initial research of combination of optical tweezers and patch clamp aiming to research cell's electrical characteristics.The first chapter is the introduction of optical tweezers' history,main theory, characteristics,new developments,application and the combination of optical tweezers and other approaches used in research.The second chapter is the introduction of major optical elements of single beam gradient force laser optical trap and the different methods of position detection and force measurement.The third chapter is the measurement results of optical trapping force using LOTII optical tweezers-produced by Shanghai USTC LOT Technology CO.-based on the theory of thermal equilibrium.Through the comparison of the results from using 40X microscope objective with 0.65 numerical aperture and the 100X microscope objective with 1.25 numerical aperture,it shows that 100X microscope objective having bigger optical force not only in lateral direction but also in axial direction.In the same experiment condition,like incident laser power,trapped cell etc,the stiffness coefficient using 100X microscope objective is higher than that of 40X microscope objective.The higher trapping ability of 100X microscope objective shows in the aspects of the trapping efficiency is higher and the ability to restrict trapped cell's movement in the axial direction,and the fluency of manipulation of the trapped cell.According to this result,microscope objective with higher amplification and numerical aperture should be used in optical trapping research for the purpose of higher trapping efficiency and fluent manipulation.The forth chapter is the initial research of the combination of LOTII model optical tweezers and EPC-10 model patch clamp.The aim of this combination is to improve the research of the measurement of electrical characteristics of neuron cells.Through the experiment process,after optical tweezers trapping a cell,the micropipette of patch clamp approaches the cell and pushes the cell,but maintains the cell still in the optical trapping well. Use the stiffness coefficient to calculate the force carried out by the micropipette.The result is useful in the aspect of calibration of negative pressure from the negative pressure device.

【中文关键词】 光镊; 光捕获; 光压力; 膜片钳
【英文关键词】 Optical tweezers; Optical trap; Optical force; Patch clamp
【论文目录】
摘要 4-5
Abstract 5
1 绪论 10-24
    1.1 光镊的发展历史 10-11
        1.1.1 光压力的发展历史 10
        1.1.2 光捕获的发展历史 10-11
    1.2 光镊的基本原理 11-14
        1.2.1 Mie粒子 11-12
        1.2.2 RayIeigh粒子 12-13
        1.2.3 介于Mie粒子与RayIeigh粒子之间的粒子 13-14
    1.3 光镊的特点 14-15
    1.4 光镊分类 15-21
        1.4.1 全息光镊 15-18
        1.4.2 分时扫描光镊技术 18-19
        1.4.3 非高斯光束光阱 19
        1.4.4 飞秒光镊 19-20
        1.4.5 近场光镊 20-21
    1.5 光镊与其他研究手段的结合 21-22
        1.5.1 光镊拉曼光谱技术 21-22
        1.5.2 光镊与其他微操作技术结合的微操作台 22
    1.6 光镊的应用 22-23
    1.7 本文的主要内容 23-24
2 常规光镊系统 24-31
    2.1 常规单光束梯度力光镊系统 24-26
        2.1.1 捕获激光 25
        2.1.2 物镜 25-26
        2.1.3 样品台 26
        2.1.4 外界环境的隔离 26
    2.2 各种位置探测手段及其特点 26-28
        2.2.1 以视频为基础的位置探测 26-27
        2.2.2 四象限光电二极管成像位置探测 27
        2.2.3 以激光为基础的位置探测 27
        2.2.4 轴位置探测 27-28
    2.3 力的标定—刚性系统测量 28-31
        2.3.1 均分定理 29
        2.3.2 流体力学的方法 29-30
        2.3.3 直接测量光学力 30-31
3 LOTⅡ型光镊系统对细胞的操作实验 31-51
    3.1 LOTⅡ光镊系统的整体结构 31-32
    3.2 光镊系统的调试与操作 32-36
        3.2.1 照明灯光 32
        3.2.2 聚光镜的调节 32
        3.2.3 观测和记录系统 32
        3.2.4 调节焦距 32-33
        3.2.5 样品台和平台操纵杆 33
        3.2.6 滤色片 33
        3.2.7 100X油浸物镜的使用 33
        3.2.8 光镊的捕获中心 33-34
        3.2.9 控制电流与激光输出功率的对应关系 34-36
    3.3 酵母菌样品及其制备 36
    3.4 实验步骤 36-47
        3.4.1 光陷阱现象 37
        3.4.2 采用40X物镜进行捕获的实验结果 37-44
        3.4.3 采用100X油浸物镜进行捕获的实验结果 44-46
        3.4.4 对捕获实验结果的分析 46-47
        3.4.5 误差分析 47
    3.5 光镊对较大尺寸的其他细胞的捕获操作 47-51
        3.5.1 光镊捕获球形乳腺癌细胞 47-48
        3.5.2 光镊捕获锥形大鼠海马神经元细胞 48-49
        3.5.3 对大尺寸细胞捕获实验结果的分析 49-51
4 光镊与膜片钳结合测量针尖对样品的作用力 51-58
    4.1 膜片钳技术简介 51
    4.2 光镊与膜片钳结合的优势 51-54
        4.2.1 传统膜片钳实验中的困难 51-52
        4.2.2 光镊与膜片钳结合的优势 52-54
    4.3 实验过程和数据 54-55
    4.4 实验处理 55-57
    4.5 实验结果分析 57
    4.6 实验改进 57-58
结论 58-59
参考文献 59-64
附录A 酵母菌溶液的粘滞系数与温度的对应关系 64-65
攻读硕士学位期间发表学术论文情况 65-66
致谢 66-67