一种光镊系统的可控旋转操作装置及方法与流程

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。

技术实现要素：

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；

所述的装置实现的操作步骤如下：

步骤一、半波片光轴位置初始化；将去离子水作为空白样品放置在样品台上；将半波片光轴方向调节到与线偏振激光器出射光偏振方向近似平行的位置，控制半波片顺时针方向和逆时针方向分别旋转15度，记录两个四象限探测器输出信号，当其比值达到极值时，半波片光轴方向与线偏振激光器出射激光偏振方向平行，即此时的半波片光轴方向为竖直方向，将其设定为初始值；

步骤二、样品制备；将聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯组合二元异质微球均匀分散在十二烷基硫酸钠溶液中，放置在样品台上；

步骤三、在光阱中捕获单个二元异质球，通过电动马达控制半波片旋转光阱偏振态从而实现对二元异质球的旋转操纵，受激光偏振态影响，二元异质球与半波片同步旋转，旋转方向一致，旋转角度及旋转速度为半波片的二倍。

在步骤三中，对二元异质球的旋转操纵包括三类：第一类，使半波片顺时针或者逆时针以角速度ω连续不停旋转，此时二元异质球以角速度2ω与半波片同向连续不停旋转；第二类，使半波片顺时针或者逆时针以角速度ω旋转θ角度后停止旋转，此时二元异质球以角度2ω同向旋转2θ角度后停止旋转；第三类通过软件为半波片设置一系列旋转操作，规定其在不同时间段的旋转方向和旋转速度，此时二元异质球将按照软件规定的旋转序列顺序执行，并自动切换旋转参数。

采用聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯两种材料合成的二元异质微球。

本发明的有益效果：本发明采用线偏振高斯光阱捕获二元异质球，通过改变光阱处偏振态方位角，实现对二元异质球的可控旋转操作。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。在本发明中，二元异质球的旋转方向、旋转角度、旋转速度、稳定取向均可实时控制，相比于之前基于光镊的旋转操作技术，本发明增加了对被捕获粒子的可控性。

附图说明

图1为本发明所述一种基于线偏振光镊系统的可控旋转实验装置

图中：1、线偏振激光器；2、激光准直扩束装置；3、二向色镜；4、高数值孔径物镜；5、样品台；6、半波片；7、电动马达；8、计算机；9、偏振分束立方体；10、四象限探测器；11、照明光源；12、成像相机。

图2为本发明所述的通过半波片实现二元异质球旋转操纵的实验原理

图3为二元异质球稳定去向与光阱偏振态方位角对照图

图中黑色箭头代表光阱偏振态方向，箭头下方对应的两幅图像为在此偏振态下二元异质球的稳定取向。图中图像均直接来源于成像相机，为二元异质球在垂直于光传播方向的平面的成像。二元异质球成像中较深色部分为聚苯乙烯材质，较浅色部分为聚甲基丙烯酸甲酯材质。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种光镊系统的可控旋转操作方法及装置做出详细说明。

本发明采用图1所示的实验装置作为光镊操控平台。该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。由于二元异质球由折射率不等的两半球组合而成，其在平行于两半球分界面方向的光程大于垂直于分界面方向的光程，因此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。偏振态控制模块可以实时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。在整个旋转操作中，光阱处的激光偏振态可以通过偏振态检测模块解算出，被控二元异质球的位置和取向可以由照明和成像模块实时记录保存。

本实施方式所述光镊生成模块由线偏振激光器1、激光准直扩束装置2，高数值孔径物镜4等光学元件组成。所述激光器1是美国spectra-physics公司的j201-bl-106c二极管泵浦激光器，出射光为竖直方向线偏振高斯激光，激光经装置2准直扩束后，被高数值孔径物镜4(德国zeiss公司，na＝1.2)聚焦，在样品台5附近形成线偏振高斯光阱。

本实施方式所述偏振态控制模块采用机械旋转台可控旋转线性半波片方案，该模块由电动马达7控制的线性半波片6组成，可以实时可控调节光阱处的偏振态方位角。半波片6(美国thorlabs公司，wph05m-1064)安装在精密旋转台(美国thorlabs公司，prm1z8)上，位于形成光阱的高数值孔径物镜4之前。旋转台经电动马达7(美国thorlabs公司，kdc101)与计算机8相连。半波片6既可以连续不停旋转，又可以随时停止旋转，且其旋转方向、旋转角度、旋转速度均可通过计算机设定。此外，还可以通过软件编程控制半波片6按时间顺序自动切换旋转参数。经半波片6进入物镜4的激光偏振态方向与半波片6同步旋转，激光偏振态旋转方向与半波片6旋转方向一致，旋转角度和旋转速度为半波片6的二倍。

本实施方式所述偏振态检测模块采用偏振分束元件与光功率检测元件相结合的方案。模块由偏振分束立方体9(美国thorlabs公司,pbs102)和四象限光电探测器10(美国firstsensor,qp154-q-hvsd)组成。偏振态检测模块位于光阱出射光之后，其中偏振分束立方体9将光阱出射光按照矢量分解分为振动方向互相垂直的两个分量，并使其分别打到两个四象限探测器10上，四象限探测器10输出信号与接受光功率成正比，因此可以根据两个探测器输出信号的比例关系判断光阱处激光的偏振态方向。

本实施方式所述照明和成像模块由照明光源11和成像相机12组成，照明和成像模块与光镊生成模块经二向色镜3耦合在一起。

本实施方式所述的被控粒子为由聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯两种材料合成的微米级二元异质球，位于样品台5处，可以被光阱稳定捕获和操控。配比不同做出来的小球形状不一样，本实施例的小球是对半分的，用的物质质量比1:1。聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯分别组成该二元异质球的两个半球，在1064nm波长处，聚苯乙烯折射率为1.57，聚甲基丙烯酸甲酯折射率为1.48。两半球折射率的差异导致该二元异质球在平行于分界面方向的光程大于垂直于分界面方向的光程。为了使被捕获粒子局部折射率与光强乘积在二者重叠区域积分最大化，当被线性偏振高斯光阱捕获后，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。当光阱偏振态方位角受半波片6控制发生旋转时，被控二元异质球会随之同步旋转，且旋转方向一致，二元异质球旋转角度和旋转速度与光阱偏振态方向相同，均为半波片6的二倍。

本实施方式的具体操作步骤如下所述：

步骤一、半波片6光轴位置初始化。将去离子水作为空白样品放置在样品台5上。将半波片6光轴方向调节到与激光器1出射光偏振方向近似平行的位置，在本发明中，激光器1出射偏振方向为竖直方向的线偏振光，因此将半波片6光轴调节到近似竖直方向，然后控制半波片6顺时针方向和逆时针方向分别旋转15度，记录两个四象限探测器10输出信号，当其比值达到极值时，半波片6光轴方向与激光器1出射激光偏振方向平行，即此时的半波片6光轴方向为竖直方向，将其设定为初始值。

步骤二、样品制备。将聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯组合二元异质微球均匀分散在10mg/ml的十二烷基硫酸钠溶液中，放置在样品台5上。

步骤三、在光阱中捕获单个二元异质球，通过电动马达7控制半波片6旋转光阱偏振态从而实现对二元异质球的旋转操纵。受激光偏振态影响，二元异质球与半波片6同步旋转，旋转方向一致，旋转角度及旋转速度为半波片的二倍。

在步骤三中，对二元异质球的旋转操纵包括三类：第一类，使半波片6顺时针或者逆时针以角速度ω连续不停旋转，此时二元异质球以角速度2ω与半波片6同向连续不停旋转；第二类，使半波片6顺时针或者逆时针以角速度ω旋转θ角度后停止旋转，此时二元异质球以角度2ω同向旋转2θ角度后停止旋转；第三类通过软件为半波片6设置一系列旋转操作，规定其在不同时间段的旋转方向和旋转速度，此时二元异质球将按照软件规定的旋转序列顺序执行，并自动切换旋转参数。