[发明专利]一种光镊系统的可控旋转操作装置及方法

说明书

本发明涉及一种光镊系统的可控旋转操作装置，包括光镊生成模块、偏振态控制模块、偏振态检测模块、样品台、照明和成像模块，其特征是，线性偏振态高斯激光束经高数值孔径物镜聚焦，在样品台附近形成光阱并稳定捕获二元异质球；偏振态控制模块用以调节激光偏振态方位角，从而操控被捕获粒子绕光轴同步旋转。偏振态检测模块用以在整个旋转操作中解算光阱处的激光偏振态，被控二元异质球的位置和取向由照明和成像模块实时记录保存。并给出利用所述的装置实现的操作步骤。本发明装置简单，操作方便，不仅可以控制二元异质球连续不停旋转，也可以随时控制其停止旋转，稳定在任意取向。

技术领域

本发明涉及一种光镊系统的可控旋转操作方法。特别是实现了线偏振高斯光阱对二元异质球的可控旋转操作。

背景技术

光镊作为单分子力谱领域的重要工具，在探测核酸、蛋白质等生物大分子的结构和功能方面发挥了巨大的作用。传统的光镊只能实现三维平动，即只能对生物分子实现拉伸操作而不能实现旋转操作。然而，众所周知，生物分子的空间结构及其复杂，脱氧核糖核酸的双螺旋结构，蛋白质二级结构力中的α螺旋结构、三级结构中的卷曲盘绕等都涉及旋转操作。传统光镊只能拉伸不能旋转的特点使得生物分子的拉伸特性与旋转特性杂糅在一起，不利于精确探测生物分子的结构属性。因此扩展光镊操纵自由度，发展可旋转光镊操纵系统至关重要。

目前，可以实现旋转操纵的光镊系统大致可以分为两类。一类是调制光束，以涡旋光束代替传统高斯光束作为光阱光源，搭配螺旋形粒子，可以实现连续旋转。然而此方法需要对激光进行调制，光路较为复杂，制作具有螺旋形微结构的被控粒子也具有一定困难，此外，由于粒子形状不规则，很难应用于单分子力谱领域，因此近年来发展缓慢。另一类是采用部分包被金属层的电介质微球作为受控粒子，金属层在光阱中吸收光能使局部温度升高，与未包被金属层的部分形成温度差而引入热梯度力，当热梯度力与光阱力大小相等方向相反但不共线时，微球被稳定捕获并绕光轴不停旋转。此项技术近年发展迅速，但由于微球局部温度过高引起表面生物分子结构破坏，其在单分子力谱领域的应用仍具有局限性。此外上述两种技术只能使被控粒子连续不停旋转，不能使粒子保持在某一状态，且旋转方向、旋转速度均不受控制，这些缺点都限制了其在单分子领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种光镊系统的可控旋转操作装置及方法，以实现对微米尺度二元异质球的可控旋转操作。该二元异质球由两种透明材质半球组合而成，且两半球折射率不同，当被线偏振高斯光阱捕获时，二元异质球倾向于使其两半球分界面平行于光阱光轴与偏振态方向组成的平面。通过旋转光阱偏振态方位角，可以实现二元异质球绕光轴方向的同步可控旋转。本发明既可以使二元异质球随时旋转，又可以使二元异质球稳定在某一取向，且旋转方向、旋转速度、旋转时间、稳定取向均可实时调节，并可以在此基础上通过软件实现多种旋转参数的顺序进行和自动切换。本发明采用的技术方案如下：

一种光镊系统的可控旋转操作装置，包括光镊生成模块、偏振态控制模块、偏振态检测模块、样品台、照明和成像模块，其特征是，线性偏振态高斯激光束经高数值孔径物镜聚焦，在样品台附近形成光阱并稳定捕获二元异质球；偏振态控制模块用以调节激光偏振态方位角，从而操控被捕获粒子绕光轴同步旋转。偏振态检测模块用以在整个旋转操作中解算光阱处的激光偏振态，被控二元异质球的位置和取向由照明和成像模块实时记录保存，其中，

光镊生成模块包括线偏振激光器、激光准直扩束装置和高数值孔径物镜，所述线偏振激光器出射光的线偏振高斯激光光束经准直扩束后，被高数值孔径物镜聚焦，在样品台附近形成线偏振高斯光阱，并稳定捕获二元异质球；

偏振态控制模块，包括电动马达控制的线性半波片，半波片安装在旋转台上，位于形成光阱的高数值孔径物镜之前，经半波片进入物镜的激光偏振态方向与半波片同步旋转，激光偏振态旋转方向与半波片旋转方向一致，旋转角度和旋转速度为半波片的二倍；

所述的二元异质球，其直径在微米尺度，由两种不同材质的半球组合而成，这两种材质需透光，且折射率不相等；