生物医学光学第四组活体成像技术.ppt

光的动量是光的一个基本属性 光不但具有能量，还具有动量。 光与物质相互作用 交换动量 在物体上的力等于光引起的单位时间内物体动量的改变，并由此引起物体的位移和速度的变化，称之为光的力学效应。 由于光辐射对物体产生的力通常称之为光的辐射压力，简称光压。 光镊下细胞受力 梯度力 散射力 梯度力:来自介质小球中的电偶极矩在不均匀电磁场中受到的力。它正比于光强的梯度，指向光场强度的最大处 散射力：来自光在散射过程中与光子交换动量获得的，被散射的光子动量改变来自介质对光的作用力，它的方向沿光的传播方向 光镊的基本原理 光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应，对于直径大于波长（约5倍波长）的米氏粒子来光镊的势阱原理可以用几何光学来解释: (1)对于直径大于波长的米氏粒子来,光镊的势阱原理可以用几何光学来解释. a 此方法计算简便。粒子尺度合适时，可以很方便讨论所关心因素对光阱的影响。但是几何近似较为粗糙，用此方法计算，可以得到光阱作用力与粒子半径无关的错误结论。同时，它也不能计算粒子形状对光阱的影响。另外，它还忽略了光阱焦点处的衍射斑的大小 (2)对于直径小于激光波长的瑞利散射颗粒（约二十分之一个波长）,可采用电磁场模型来研究粒子的行为 a 由于外加激光光场会使粒子极化,处于电磁场梯度中的粒子会受到梯度力的作 用。梯度力源于电场中感生电偶极 子 受到的洛 仑 兹力,其大小正比于光强梯度,方向指向强度梯度的方向。 此方法在计算过程中采取了种种近似，如：认为粒子不影响光波的传播，光波的表达式中不考虑散射光；认为瞬间的入射光在粒子的各个边界上是常量等等。这些近似都是建立在粒子足够小的前提下的。因此，此方法仅适用于小粒子（几十纳米尺度），目前的应用还不太广泛。但随着生命科学的发展，对单分子的捕捉的研究蓬勃发展，对此类问题的研究将会是很有意义的。 生物学中对生物进行体外研究可能没有在研究体内反应的更为准确，那是因为体内环境的复杂活动无法由体外表现，因此，在体内生物研究中，尤其是对活的动物研究，是很重要的，它可以验证我们从体外研究获得的知识。 正因为激光能穿透生物组织，所以光镊能够非侵入性的俘获和操纵活的动物中的生物细胞 光镊矫正 位移标定:由于光镊的受力与位移有关，所以首先要对位移探测进行标。不管是光镊绝对移动测量还是相对移动测量都需先对已知尺度如显微镜标尺进行测量， 计算出测量量与标准尺度的转换系数， 完成位移标定使用CCD 摄像机做位移测量时， 被探测小球成像半径与CCD 像素尺寸之比与探测精度有关。该比值越小，探测误差越大。当比值大于50 时， 探测误差趋近于零。 对力标定：微粒在光阱中受到简谐力作用，作受限布朗运动，颗粒偏离光阱中心位移工受到光阱力F作用，其线性系数为光阱度即， 。在实际应用中，标定了刚度出即可得到光阱力大小。常用刚度标定方法有流体力学法，功率谱法、熟运动法和周期驱动力法。 流体力学 流体力学的方法认为被光镊控制移动的小球在静止的介质中所受到 的粘滞力可由斯托克斯公式计算： 此 力 使 小球 偏 离 光阱 中 心 位 置,从 而 产生 光 阱恢复力。当 粘滞 力 与 光阱恢复 力 相 等 时小 球的 位 置 为平衡 位 置,测 量 此 时 的 位 移,可 求 出 光阱的 刚 度 为 光镊光路图 激光波长1064纳米，BE为扩述镜 ,L1 L2为透镜，M1，M2为反射镜，DM为分光镜，MO为显微镜物镜照明为卤素灯。 图b光束在体内的几何光学图示，NFP标称焦点位置，AFP实际焦点位置 实验光路图 光镊捕获和控制血细胞 老鼠耳朵的血细管深度接近光镊的工作距，血红红细胞的在血细管中的流动速度在0.1到2毫米每秒。在老鼠耳部皮肤下40微米的毛细血管直径约5微米，血红细胞在里面可以一个一个的流动，当流速降低到一定程度就可以捕获，捕获过程是个循序渐进的过程 横向移动红细胞 下图显示的是一种被动的方式在横向上控制细胞，其中，激光束是静止的，而我们移动样品台来移动鼠标的耳朵。作为样品台移动横向，被困细胞逐渐越来越接近血管的边缘 堵塞毛细管 光镊可以人为的诱发红细胞在毛细血管堵塞，因为一个红细胞的大小与毛细血管宽度相近，所以一个被捕获了的红细胞可以造成毛细血管的堵塞，红细胞占用了毛细管更多自由流动面积，最终导致聚集和毛细管堵塞。 光学镊子清除堵塞毛细管 光镊陷阱的红细胞，这已经阻止了毛细管，并取出他们从毛细管。我们慢慢施加外力细胞和观察小幅位移后停止。如果细胞是出陷阱中心，我们等待的细胞俘获发生。因此，它是可能