光纤光镊微操作系统

光镊是一种基于光辐射压效应的微观微粒操作工具，能够实现对百纳米到几十微米直径的透明粒子的捕获与操纵。光镊能够非接触捕获生物细胞，并且其使用红外光时对生物细胞具有很好的透射性，这大大减少了微粒或细胞在被操纵时受到的伤害，因此光镊技术广泛应用于生物及医学领域。除此之外，光镊还可以应用于微小力测量、传感等领域。随着光镊技术的发展，其应用将会更加广阔。

光纤光镊系统的光路设计是光纤光镊系统设计与开发的基础。首先，为光纤光镊系统提供光源的激光器的光功率要可调，能够产生不同大小的光功率，以实现光纤光镊实验不同的要求；其次，为了实现对激光器功率的实时监测，需要光学器件将激光器产生的光传输出来，并且还不能过大影响光镊捕获粒子所需的光功率；再次，光纤光镊系统还需要观测系统，这个观测系统要求是多视场观测，因此采用多个 CCD 来实现对实验现象的观察以及记录；最后，光纤光镊的实验大多是在液体中进行，而对微粒的捕获或者对光阱刚度的测量需要相对稳定的环境，要尽量避免液体的流动，因而照明光源应在保证照明的前提下，尽量减少热量的产生。

光纤光镊系统的机械结构设计是对光纤光镊系统稳定性与可靠性的保证。机械结构设计主要包括三维微操作系统的设计和四象限探测器固定装置的设计。要实现对实验现象多视场的观测，仅凭光学设计并不能够实现，还需要结合机械结构。设计机械结构的同时，还需要考虑到光纤光镊很可能在某一视场以外的环境下工作，这就要求机械结构能够按照要求移动，实现多视场观测的目的。另外，对光阱刚度的测量，需要借助于四象限探测器。四象限探测器本身灵敏度很高，这就需要对四象限探测器头稳定的固定装置，以尽量减少外界环境的扰动。

电学系统的设计是光纤光镊系统精度的重要保证。光纤光镊捕获微粒的过程中，如何保证光纤探针稳定和均匀的进行微小位移是要解决的一个重要问题。光纤光镊捕获到微粒时，需要把微粒移动到一个合适的位置，如果光纤探针移动的不稳定，很可能将微粒抖掉，使得之前光镊捕获微粒前功尽弃；另外，为了保证测量的准确性，还要要求光纤探针的移动具有可重复性，因此选用电动微操作位移台；为了实现光功率的实时监测，需要设计光功率计模块，这个模块不仅能够检测光功率，还应能够将检测的光功率发送给上位机，以便于实时观察，利于系统的仪器化；最后，要实现对光阱刚度的测量，需要使用四象限探测器，它是一种常用的位置检测敏感器件，然而其输出信号在毫瓦量级，需要设计合适的放大电路来配合数据采集卡使用。

系统软件设计是光纤光镊系统设计的“灵魂”。设计的系统软件应实现控制、观测等功能。控制程序应主要实现对三维微操作平台的控制以及光功率输出大小的控制。观测程序主要应包括多 CCD 的视频采集程序以及录像程序，将其与光学元件，机械结构相结合，以实现多视场观测及记录的目的。测量程序除了应满足对光功率计模块输出的信号进行采集的要求，还要能够处理四象限探测器的采集数据，进而测出光阱刚度。

项目成熟情况  

系统集成完备。

应用范围  

目前，光纤光镊技术的应用主要分为以下几个方面：

（1）生物大分子静态力学特性研究：使用光镊技术将单分子拉伸、 弯曲、打结等，从而评估其静态力学特性。例如：对附着在聚苯乙烯小球上的微管蛋白进行弯曲，对微管蛋白的刚性进行了评估；固定在肌动蛋白上的手柄小球对肌动蛋白的刚性特性进行测量；对红细胞膜的弹性系数进行测量等。

（2）生物大分子动态力学特性研究：驱动蛋白是利用三磷酸腺苷水解释放出能量驱动自身和携带分子的一种生命原动力，科学家们将其称之为―马达蛋白。利用光镊技术对驱动蛋白进行研究是生命科学领域中生物分子动力学这一分支的一项重要成果。科学家们使用光镊技术观察到了马达蛋白步进运动的形态，测量出分子马达的运动步长、单个驱动蛋白分子产生的力和速度，以及它们与 ATP浓度的关系。测量出了驱动蛋白产生的力的大小。

（3）光镊光刀技术：将光镊技术与激光脉冲技术相结合对单个细胞器进行了微加工，用于细胞融合、染色体分离重组、人工授精等研究领域。

（4）纳米生物器件组装：将光镊技术与光束扫描技术相结合，可以使微粒按照使用者的意志进行排列，用光镊实现了对微粒的稳定俘获和移动，最终排列出需要的图样，将光镊技术引入到了微纳生物器件组装的领域中。