CN116013575A - 一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光热镊技术领域，尤其涉及一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法，系统包括流通池、冷却降温装置、第一光源、透镜组件、反射镜、物镜、电荷耦合装置；冷却降温装置设置于流通池背离衬底一侧；冷却降温装置与流通池之间设置有存液空间，存液空间存储有低于5℃的水。本发明不需要额外添加辅助捕获的溶质的光热镊操控系统，利用5℃以下的水具有负的膨胀系数的特性，在存液空间存储有低于5℃的水，通过将光热镊的环境温度保持在0‑5℃之间，并将光热效应和水反常膨胀特性相结合实现了对微纳米粒子平移、聚集和释放后重新捕获；并且有利于在生物实验中较长时间地保持蛋白质等生物大分子的活性。
Description
技术领域
本发明涉及光热镊技术领域，尤其涉及一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法。
背景技术
在Ashkin于1969年发明光镊以来，依靠激光照射以达到捕获、操纵目标粒子的光镊技术得到了长足的发展，贴别是在生化等领域，光镊技术对单个微纳米粒子的操纵为单个微纳米粒子的研究作出了卓越贡献；同时光镊也可以通过增加光强的方式实现对目标粒子的大规模、大范围操纵，但这也不可避免的带来了热损伤的问题。其中，美国德州大学奥斯汀分校在2018年发明的光热电镊技术利用溶液中正、负离子的Soret系数的不同，用光诱导溶液中温度梯度场使溶液中正、负粒子分离，这使得溶液内产生内电场并同时使目标粒子带上相应的电性，从而在相对传统光镊较低的功率下实现了对任意电性的粒子单独或大规模的操纵并在一定程度上，减小了热损伤。
但是，该技术需要在被捕获粒子所在的溶液中加入表面活性剂(如：CTAC、SDS)以形成内电场；另外，此种光热光电镊需要表面活性剂被吸附在操控颗粒表面，以将被操控颗粒改性成相应的电性才能实现操控；由于上述原因，其应用范围受限，尤其对于生物样品的操控来说，表面活性剂的生物相容性问题使得此种技术很难实现大范围的生物应用。而一般来说，包括一般的生物大分子在内，大多数微纳粒子都有着一个正的Soret系数，即在温度梯度场下表现出厌热的行为，即趋向于远离温度高的区域，所以与以上光热电镊类似的传统光热镊操控技术，都需要加入特定的溶质(如表面活性剂、PEG等)进行辅助操控使得目标粒子的Soret系数由正变负，从而实现对目标粒子的操控。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法，旨在解决现有的光热镊操控技术需要加入特定的溶质，导致光热镊操控技术难以实现大范围的生物应用的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，包括：
流通池，包括设置在所述流通池底部的衬底、与所述衬底围成收容空间的侧壁；
冷却降温装置，设置于所述流通池背离所述衬底一侧；所述冷却降温装置与所述流通池之间设置有存液空间，所述存液空间存储有低于5℃的水；
第一光源、透镜组件，用于发射激光，并通过所述透镜组件进行扩束；
反射镜、物镜，用于将扩束后的激光反射至所述物镜，通过所述物镜将激光汇聚至所述衬底；
电荷耦合装置，设置于所述反射镜背离所述物镜的一侧，用作对被捕获微纳米粒子的显微成像。
所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其中，所述基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统还包括：
蠕动泵，用于驱动所述冷却降温装置中的冷却液流动；
温控台，用于控制所述冷却液的温度。
所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其中，所述衬底的表面涂覆有光热材料。
所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其中，所述冷却降温装置包括散热板、设置于所述散热板表面的散热管、以及用于固定所述散热板的固定件；所述散热板设有透光口。
所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其中，所述固定件包括首尾相互连接的第一挡壁、第二挡壁、第三挡壁、第四挡壁；所述第一挡壁开设有卡口，用于固定所述散热板。
所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其中，所述冷却降温装置与所述流通池之间安装有玻片，与所述固定件围成所述存液空间。
所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其中，所述侧壁的高度低于30μm。
一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控方法，包括步骤：
利用第一光源发射激光，通过透镜组件进行扩束，然后利用反射镜将扩束后的激光反射至物镜中，并汇聚到衬底表面的光热材料上；
照明光通过冷却降温装置上的透光口入射，再经过低于5℃的水照射到流通池中；
利用电荷耦合装置对所述流通池内被捕获微纳米粒子的显微成像。
所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控方法，其中，所述流通池内的微纳米粒子在溶液中的运动由边界层近似描述，根据边界层近似粒子周围的热渗透流vB和边界层近似粒子导致的热泳速度u由式(1)和式(2)表示：
其中，η为溶液粘度，P为静水压力，fx为粒子对粒子周围流体施加的力的密度的平行于粒子表面的分量，vB为粒子周围的热渗透流的流速，u为粒子的热泳速度。
所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控方法，其中，所述流通池内的微纳米粒子不带电或带电较弱时，所述微纳米粒子的热泳由温度梯度场导致的不均匀的溶剂带来的色散力主导，溶剂分子在距离粒子表面z时的势能由式(3)表示：
其中，AH为描述范德华相互作用的Hamaker系数，V0为溶剂分子的体积；
由于势能
的梯度垂直于粒子表面并且有
即式(1)中的fx分量为0，将
带入式(1)中，得到式(4)：
将式(4)代入式(2)中，并有
得到式(5)：
其中，β为粒子膨胀系数，DT为热扩散系数用于描述粒子热泳，当DT为正数时粒子向溶液冷端漂移，当DT为负数时粒子向溶液热端漂移，d0为截止长度。
有益效果：本发明提供一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法，系统包括流通池、冷却降温装置、第一光源、透镜组件、反射镜、物镜、电荷耦合装置；所述流通池包括设置在所述流通池底部的衬底、与所述衬底围成收容空间的侧壁；所述冷却降温装置设置于所述流通池背离所述衬底一侧；所述冷却降温装置与所述流通池之间设置有存液空间，所述存液空间存储有低于5℃的水；第一光源用于发射激光，并通过透镜组件进行扩束；反射镜用于将扩束后的激光反射至物镜，通过所述物镜将激光汇聚至所述衬底；电荷耦合装置设置于所述反射镜背离所述物镜的一侧，用作对被捕获微纳米粒子的显微成像。本发明提出了一种不需要额外添加辅助捕获的溶质的光热镊操控系统，利用5℃以下的水具有负的膨胀系数的特性，在所述存液空间存储有低于5℃的水，通过将光热镊的环境温度保持在0-5℃之间，并将光热效应和水反常膨胀特性相结合实现了对微纳米粒子平移、聚集和释放后重新捕获；并且，0-5℃也是临时保存蛋白质的常用温度，在进一步减小了光热镊热损伤的同时又不破坏溶液的组分，这将有利于在生物实验中较长时间地保持蛋白质等生物大分子的活性。
附图说明
图1为本发明一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统的结构示意图；
图2为本发明中冷却降温装置的结构爆炸示意图；
图3为本发明实施例1的实验结果图；
附图标记说明：流通池10、衬底11、收容空间12、侧壁13、冷却降温装置20、散热板21、散热管22、固定件23、第一挡壁231、第二挡壁232、第三挡壁233、第四挡壁234、卡口235、透光口24、存液空间30、第一光源40、透镜组件50、反射镜60、物镜70、电荷耦合装置80、蠕动泵90、温控台100、管道101、玻片102。
具体实施方式
本发明提供一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1所示，本发明提供一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，包括：
流通池10，包括设置在所述流通池10底部的衬底11、与所述衬底11围成收容空间12的侧壁13；
冷却降温装置20，设置于所述流通池10背离所述衬底11一侧，所述冷却降温装置20与所述流通池10之间设置有存液空间30，所述存液空间30存储有低于5℃的水；
第一光源40、透镜组件50，用于发射激光，并通过所述透镜组件50进行扩束；
反射镜60、物镜70，用于将扩束后的激光反射至所述物镜70，通过所述物镜70将激光汇聚至所述衬底11；
电荷耦合装置80，设置于所述反射镜60背离所述物镜70的一侧，用作对被捕获微纳米粒子的显微成像。
由于在微纳米粒子不带电或电性较小可忽略的情况下，大多数粒子正的Soret系数是由于大多数溶液都具有正的膨胀系数；当溶液的膨胀系数为负数时，目标粒子将会有一个负的Soret系数，即该粒子所受到的热泳力将会指向热端。
因此，本发明利用水在5℃以下具有负的膨胀系数，在所述冷却降温装置与所述流通池之间的存液空间存储有低于5℃的水，将光热镊的环境温度控制在0-5℃之间，并将光热效应和水反常膨胀特性相结合实现了对微纳米粒子平移、聚集和释放后重新捕获；此系统的第一光源的工作功率密度为10-100μW/μm2，与光热电镊功率密度类似，比传统光镊小三个数量级；此外，0-5℃也是临时保存蛋白质的常用温度，在进一步减小了光热镊热损伤的同时又不破坏溶液的组分，这将有利于在生物实验中较长时间地保持蛋白质等生物大分子的活性。因此，这也是本发明所述基于水反常膨胀特性的光热镊操控系统的重要优势，通过进一步的发展，有望成为纳米生物医学等领域的研究的有力工具。
在一些实施方式中，所述低于5℃的水优选为冰水混合物。
在一些实施方式中，所述基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统还包括：
蠕动泵90，用于驱动所述冷却降温装置20中的冷却液流动；
温控台100，用于控制所述冷却液的温度。
具体地，所述冷却降温装置20与所述蠕动泵90经所述温控台100用管道101进行连接，利用蠕动泵驱动所述冷却降温装置中的冷却液对流，并同时使用所述温控台100控制冷却液的温度在0℃附近，可以有效地保持低于5℃的水的温度在0℃附近，从而在长时间的操控实验的过程中满足反常膨胀的条件。
在一些实施方式中，所述第一光源优选为激光器，激光器的激光工作功率密度为10-100μW/μm2。
在一些实施方式中，所述衬底11的表面涂覆有光热材料，所述光热材料包括但不限于金涂层、石墨烯涂层、金属纳米结构、金/银薄膜、掺杂的半导体材料以及人体体内组织等等；用于吸收入射激光产生的热量，从而在流通池10中产生指向捕获中心的(激光光斑所在)温度梯度场。
以金膜为例，可通过控制退火温度的方式一定程度的控制金膜对不同波长的光的吸收，从而可方便的适配不同波长的激光器，此外使用不同的光热材料也应能够实现与金膜相近的效果。
在一些实施方式中，如图2所示，所述冷却降温装置20包括散热板21、设置于所述散热板21表面的散热管22、以及用于固定所述散热板21的固定件23；所述散热板21设有透光口24。
在一些实施方式中，所述散热管22呈U型环绕于所述透光口24。
作为优选地，所述散热管22还可以嵌设于所述散热板21内部，此时所述散热管22的两端从所述散热板21的内部延伸出，使得冷却效果更好。
具体地，利用所述散热板21以及散热管22可以使得水保持低于5℃的状态，并利用管道将蠕动泵90与散热管22经温控台进行连接，通过蠕动泵90使得所述散热管22中的冷却液对流，并同时使用温控台控制冷却液的温度在0℃附近，从而保持低于5℃的水的温度在0℃附近。
在一种优选地实施方式中，所述散热板21为铜板，所述散热管22为铜管，所述固定件的材质为塑料；同时，所述铜板上方开设有长方形开口，即透光口，使照明光能从中通过，从而照明样品；铜管中具有冷却液，铜管两端通过塑胶软管经过温控台连接到蠕动泵中，形成冷却液对流循环，通过蠕动泵驱动铜管和塑胶软管中冷却液对流并同时使用温控台控制温度在0℃附近。
在一些实施方式中，所述固定件23包括首尾相互连接的第一挡壁231、第二挡壁232、第三挡壁233、第四挡壁234；所述第一挡壁231开设有卡口235，用于固定所述散热板21。
在一些实施方式中，所述冷却降温装置20与所述流通池10之间安装有玻片102，与所述固定件围成所述存液空间，用于存储有低于5℃的水，以达到保持流通池的初始环境在0℃附近的目的。
在一种优选地实施方式中，所述玻片为盖玻片。
具体地，利用盖玻片与固定件的四个挡壁围成存液空间，并在存液空间内存储冰水混合物，然后利用所述透光口24使得照明光可以从中进入流通池，从而照明样品。而所述卡口235是通过与散热管22延伸出散热板的一端形成卡接，进而固定所述散热板。
在一些实施方式中，所述侧壁的高度低于30μm，即所述流通池10的高度保持在30μm以下，在该高度下，流通池中的液体具有很低的雷诺数，在低雷诺数的情况下，流体的流动主要由粘性力控制的层流，由此流通池中的对流被很好的抑制，这避免了对流对微纳米粒子的捕获的干扰。
除此之外，本发明还提供一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控方法，包括步骤：
步骤S10：利用第一光源发射激光，通过透镜组件进行扩束，然后利用反射镜将扩束后的激光反射至物镜中，并汇聚到衬底表面的光热材料上；
步骤S20：照明光通过冷却降温装置上的透光口入射，再经过低于5℃的水照射到流通池中；
步骤S30：利用电荷耦合装置对所述流通池内被捕获微纳米粒子的显微成像。
本实施方式中，利用水在5℃以下具有负的膨胀系数，将光热镊的环境温度通过控温台保持在0-5℃之间，并将光热效应和水反常膨胀特性相结合实现了对微纳米粒子平移、聚集和释放后的重新捕获。此方法的激光工作功率密度为10-100μW/μm2，与光热电镊功率密度类似，比传统光镊小三个数量级，且不需要额外添加辅助捕获的溶质；另外，0-5℃也是临时保存蛋白质的常用温度，在进一步减小了光热镊热损伤的同时又不破坏溶液的组分，这将有利于在生物实验中较长时间得保持蛋白质等大分子的活性。
在一些实施方式中，所述流通池内的微纳米粒子在溶液中的运动由边界层近似描述，根据边界层近似粒子周围的热渗透流vB和边界层近似粒子导致的热泳速度u由式(1)和式(2)表示：
其中，η为溶液粘度，P为静水压力，fx为粒子对粒子周围流体施加的力的密度的平行于粒子表面的分量，vB为粒子周围的热渗透流流速，u为粒子的热泳速度。
在一些实施方式中，所述流通池内的微纳米粒子不带电或带电较弱时，所述微纳米粒子的热泳由温度梯度场导致的不均匀的溶剂带来的色散力主导，溶剂分子在距离粒子表面z时的势能由式(3)表示：
其中，AH为描述范德华相互作用的Hamaker系数，V0为溶剂分子的体积；
由于势能
的梯度垂直于粒子表面并且有
即式(1)中的fx分量为0，将
带入式(1)中，得到式(4)：
将式(4)代入式(2)中，并有
得到式(5)：
其中，β为粒子膨胀系数，DT为热扩散系数用于描述粒子热泳，当DT为正数时粒子向溶液冷端漂移，当DT为负数时粒子向溶液热端漂移，d0为截止长度，d0数值通常取一个水分子大小0.2nm。
具体地，在粒子不带电或电性较弱可忽略时，从式(5)可知，粒子的热扩散系数DT的符号由粒子膨胀系数β决定。由此，当溶液中膨胀系数β为负数时，粒子将会被捕获到光热镊的热电处，从而可以实现对微纳米粒子的一系列操控。
下面进一步举例实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的激光器选用785nm波长，激光通过透镜组件进行扩束，并通过带通反射镜入射至100倍浸油物镜中，并汇聚到光热材料表面，光热材料为10nm厚的金膜。照明光从上方经铜板1中心长方形开口入射，再经过冰水混合物照射到流通池中，CCD用作对被捕获微纳米粒子的显微成像。
实验结果如图3所示，在室温25℃条件下，实验所用粒子为500nm的PS小球(聚苯乙烯小球)，经测量其zeta电势为-17.47mV带较弱负电，溶剂为纯水，所用激光功率为0.3mW，激光光斑半径约为1μm。图3为冷却前不捕获、降温后捕获和升温到一定温度粒子逃离的完整过程。流通池未冷却前，PS小球被激光推开在光热衬底上离焦；降温冷却后PS小球被捕获在光斑附近并操控PS小球实现了平移、释放后再捕获等操作；升温到一定温度后，在激光仍开启的情况下，PS小球从光斑中心飞出并离焦即脱离捕获。本实施例验证了基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法的可行性，证实了结合水的反常膨胀的方式能使光热镊在不添加捕获辅助剂的情况下实现对微纳米粒子的捕获。
具体地，冷却捕获500nm直径的PS小球及升温后PS小球脱离捕获的过程。白色虚线圈为光斑所在区域，(a-f)图为溶液冷却时小球被捕获到光斑中心的过程，光斑附近箭头所指的圆斑即为落入光热镊势阱中的小球。(g-i)图为光斑操控小球平移的过程。(j)暂停冷却后，溶液升温到一定温度时小球脱离捕获。图中比例尺长度为3μm。
综上所述，本发明提供的一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法，系统包括流通池、冷却降温装置、第一光源、反射镜、电荷耦合装置；所述流通池包括设置在所述流通池底部的衬底、与所述衬底围成收容空间的侧壁；所述冷却降温装置设置于所述流通池背离所述衬底一侧；所述冷却降温装置与所述流通池之间设置有存液空间，所述存液空间存储有低于5℃的水；第一光源用于发射激光，并通过透镜组件进行扩束；反射镜用于将扩束后的激光反射至物镜，通过所述物镜将激光汇聚至所述衬底；电荷耦合装置设置于所述反射镜背离所述物镜的一侧，用作对被捕获微纳米粒子的显微成像。本发明提出了一种不需要额外添加辅助捕获的溶质的光热镊操控系统，利用5℃以下的水具有负的膨胀系数的特性，在所述存液空间存储有低于5℃的水，通过将光热镊的环境温度保持在0-5℃之间，并将光热效应和水反常膨胀特性相结合实现了对微纳米粒子平移、聚集和释放后重新捕获；并且，0-5℃也是临时保存蛋白质的常用温度，在进一步减小了光热镊热损伤的同时又不破坏溶液的组分，这将有利于在生物实验中较长时间地保持蛋白质等生物大分子的活性。
并且，本发明基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统及方法，具有较低的工作功率密度(10-100μW/μm2)、无需表面活性剂辅助、远程无接触操控等优势；具体来说，本方法可以实现对微纳米粒子的平移、聚集和释放后重新捕获等操作。同时，5℃以下的溶液环境更有助于较长时间保持生物实验中蛋白质或其他生物大分子的活性，进一步减小对被捕获粒子的热损伤。并且本发明无需在溶液中添加额外的溶质以辅助捕获(如表面活性剂)，提高了生物实验中的生物相容性也防止了额外添加的辅助捕获的溶质对实验可能造成的影响。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其特征在于，包括：
流通池，包括设置在所述流通池底部的衬底、与所述衬底围成收容空间的侧壁；
冷却降温装置，设置于所述流通池背离所述衬底一侧；所述冷却降温装置与所述流通池之间设置有存液空间，所述存液空间存储有低于5℃的水；
第一光源、透镜组件，用于发射激光，并通过所述透镜组件进行扩束；
反射镜、物镜，用于将扩束后的激光反射至所述物镜，通过所述物镜将激光汇聚至所述衬底；
电荷耦合装置，设置于所述反射镜背离所述物镜的一侧，用作对被捕获微纳米粒子的显微成像。
2.根据权利要求1所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其特征在于，所述基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统还包括：
蠕动泵，用于驱动所述冷却降温装置中的冷却液流动；
温控台，用于控制所述冷却液的温度。
3.根据权利要求1所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其特征在于，所述衬底的表面涂覆有光热材料。
4.根据权利要求1所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其特征在于，所述冷却降温装置包括散热板、设置于所述散热板表面的散热管、以及用于固定所述散热板的固定件；所述散热板设有透光口。
5.根据权利要求4所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其特征在于，所述固定件包括首尾相互连接的第一挡壁、第二挡壁、第三挡壁、第四挡壁；所述第一挡壁开设有卡口，用于固定所述散热板。
6.根据权利要求5所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其特征在于，所述冷却降温装置与所述流通池之间安装有玻片，与所述固定件围成所述存液空间。
7.根据权利要求5所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统，其特征在于，所述侧壁的高度低于30μm。
8.一种利用如权利要求1-7任一所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控系统的光热镊操控方法，其特征在于，包括步骤：
利用第一光源发射激光，通过透镜组件进行扩束，然后利用反射镜将扩束后的激光反射至物镜中，并汇聚到衬底表面的光热材料上；
照明光通过冷却降温装置上的透光口入射，再经过低于5℃的水照射到流通池中；
利用电荷耦合装置对所述流通池内被捕获微纳米粒子的显微成像。
9.根据权利要求8所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控方法，其特征在于，所述流通池内的微纳米粒子在溶液中的运动由边界层近似描述，根据边界层近似粒子周围的热渗透流vB和边界层近似粒子导致的热泳速度u由式(1)和式(2)表示：
其中，η为溶液粘度，P为静水压力，fx为粒子对粒子周围流体施加的力的密度的平行于粒子表面的分量，vB为粒子周围的热渗透流的流速，u为粒子的热泳速度。
10.根据权利要求9所述的基于水反常膨胀特性的低温光热镊操控方法，其特征在于，所述流通池内的微纳米粒子不带电或带电较弱时，所述微纳米粒子的热泳由温度梯度场导致的不均匀的溶剂带来的色散力主导，溶剂分子在距离粒子表面z时的势能由式(3)表示：
其中，AH为描述范德华相互作用的Hamaker系数，V0为溶剂分子的体积；
由于势能
的梯度垂直于粒子表面并且有
即式(1)中的fx分量为0，将
带入式(1)中，得到式(4)：
将式(4)代入式(2)中，并有
得到式(5)：
其中，β为粒子膨胀系数，DT为热扩散系数用于描述粒子热泳，当DT为正数时粒子向溶液冷端漂移，当DT为负数时粒子向溶液热端漂移，d0为截止长度。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004097844A2 (en) * | 2003-04-25 | 2004-11-11 | Canon Kabushiki Kaisha | Apparatus for handling minute object |
| US20060134603A1 (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-22 | Arryx, Inc. | Automated extraction and purification of samples using optical tweezers |
| CN101216414A (zh) * | 2007-12-29 | 2008-07-09 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 多功能光学微操纵装置 |
| US20160245748A1 (en) * | 2015-02-24 | 2016-08-25 | Tokitae Llc | Photothermal spectroscopy systems for offset synchronous testing of flow assays and methods of using same |
| CN106898407A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-06-27 | 暨南大学 | 一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法 |
| KR20180075956A (ko) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | 부산대학교 산학협력단 | 광 핀셋을 사용하여 입자를 분석하는 방법 및 장치 |
| CN208834754U (zh) * | 2018-09-18 | 2019-05-07 | 湖北第二师范学院 | 一种基于正置显微镜的单光束激光光镊装置 |
| CN112880912A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-06-01 | 浙江大学 | 基于真空全息光镊的空间分辨压强测量系统及方法 |
| CN113327698A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-31 | 深圳大学 | 一种基于局部制冷效应的光镊装置及方法 |
| CN114843002A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-02 | 深圳大学 | 一种基于光热扩散泳的光镊装置及微粒的操控方法 |
-
2022
- 2022-12-21 CN CN202211647981.XA patent/CN116013575B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004097844A2 (en) * | 2003-04-25 | 2004-11-11 | Canon Kabushiki Kaisha | Apparatus for handling minute object |
| US20060134603A1 (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-22 | Arryx, Inc. | Automated extraction and purification of samples using optical tweezers |
| CN101216414A (zh) * | 2007-12-29 | 2008-07-09 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 多功能光学微操纵装置 |
| US20160245748A1 (en) * | 2015-02-24 | 2016-08-25 | Tokitae Llc | Photothermal spectroscopy systems for offset synchronous testing of flow assays and methods of using same |
| KR20180075956A (ko) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | 부산대학교 산학협력단 | 광 핀셋을 사용하여 입자를 분석하는 방법 및 장치 |
| CN106898407A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-06-27 | 暨南大学 | 一种精准操控纳米颗粒和生物分子的纳米光镊装置及方法 |
| CN208834754U (zh) * | 2018-09-18 | 2019-05-07 | 湖北第二师范学院 | 一种基于正置显微镜的单光束激光光镊装置 |
| CN112880912A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-06-01 | 浙江大学 | 基于真空全息光镊的空间分辨压强测量系统及方法 |
| CN113327698A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-31 | 深圳大学 | 一种基于局部制冷效应的光镊装置及方法 |
| CN114843002A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-02 | 深圳大学 | 一种基于光热扩散泳的光镊装置及微粒的操控方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 余娜;蔡志岗;梁业旺;王嘉辉;王福娟;: "光镊系统的组建及光阱效应的观察", 大学物理, no. 03 * |
| 孟祥旺, 李岩, 张书练, 张志诚: "单光刀与单光镊激光微束系统", 清华大学学报(自然科学版), no. 08 * |
| 窦红星;朱艳英;沈军锋;郝雪娟;: "光镊在生物细胞及生物大分子中的应用研究", 激光与红外, no. 01 * |
| 闫树斌;赵宇;杨德超;李明慧;张安富;张文栋;薛晨阳;: "基于近场光学理论光镊的研究进展", 红外与激光工程, no. 03 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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