四氯化碳在光镊操控微粒过程的作用研究

论文摘要

光镊是高汇聚激光束与微粒相互作用形成的梯度力势阱,是一种无损伤、无接触的微操控技术。光镊与多学科的交叉融合架起一座桥梁,彰显出它独特而不可替代的作用,在生物学、软物质胶体科学以及微纳米科学等领域广泛应用。光镊可克服微粒在溶液中的重力、布朗力和曳力等的作用,选择性地捕获目标微粒,还可同时操控单颗或多颗微粒。采用全息光镊技术可精确操控多颗微粒,但其输送距离有限,且系统复杂;采用光纤倏逝场可捕获大量微粒,可又缺乏选择性。本文提出采用载体输运的方式,利用单光镊工具对微粒进行选择性地装载、输运和卸载,可实现选择性地多颗微粒的连续、稳定、长距离输运,大大降低阵列光镊系统及操控的复杂性。本文主要研究内容包括:(1)基于几何光学和T矩阵理论模型,对溶液中微粒受到的光阱力进行理论分析,并计算评价影响光阱力的数值孔径、相对折射率等关键参数。结果表明数值孔径越大、相对折射率越大,光阱力越大,捕获效率越高。(2)实验研究微粒粒径、溶液浓度和激光功率等参数对光镊稳定捕捉性能的影响,验证单光镊操控微粒的稳定性。(3)以四氯化碳在混溶液中形成的游离小泡为载体,实验研究采用单光镊操控技术实现多颗微粒的稳定、连续、长程输运。对小泡尺寸、微粒数目、激光功率等影响因子进行分析。结果表明小泡尺寸越大,其输运性能越好;在小泡能承受的运载量范围内,小泡的运载量增加使得相对运输速度降低。(4)首次研究发现聚苯乙烯微球在四氯化碳的混溶液中出现双链状自聚集排布,结合光镊的操控实验证明了溶液中液体分子重构以及动态变化特性。通过光镊操控悬浮状态下的聚苯乙烯微球发现,在溶液的微区部分其粘滞性存在很大差异。同时,光镊操控柔性双链状排布的微球,并改变其排布形状,发现整个双链状排布的微球由于彼此之间相互作用力的影响,会跟随端面微球一起运动,表明微球之间存在较强的吸引力。四氯化碳在光镊操控微粒的作用研究中呈现出多模式、多功能性,既直观地展现微观世界中丰富多彩的运动形态,又通过光镊操控微粒运动精确观测和计算单个微粒的运动学行为过程,扩展光镊在微粒层次分散体系性质研究中的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
•   1.1 光镊的概念及原理
•   1.2 光镊的研究进展及现状
•   1.3 光镊在分散体系中的应用现状
•   1.4 本文研究的主要内容介绍
• 第2章 光镊光阱力的理论研究
•   2.1 几何光学模型
•   2.2 电磁场模型
•     2.2.1 瑞利模型
•     2.2.2 电磁散射模型
•   2.3 小结
• 第3章 T矩阵模型的数值计算
•   3.1 光镊操控水中PS微球
•   3.2 光镊操控不同浓度Na Cl溶液中PS微球
•   3.3 光镊捕获效率的计算及分析
•   3.4 四氯化碳作为分散介质的优点
•   3.5 小结
• 第4章 光镊操控溶液中的微粒
•   4.1 界面微粒的相互作用
•   4.2 溶液中微粒的光阱力分析
•     4.2.1 实验系统及溶液配制
•     4.2.2 均匀介质微粒的光阱力计算
•     4.2.3 混合介质微粒的光阱力分析
•   4.3 光镊操控溶液中的微球
•   4.4 光镊以小泡为载体操控微球
•   4.5 小泡输运过程中的变化特性
•   4.6 小结
• 第5章 光镊操控微粒的稳定性及排布
•   5.1 布朗运动和分散体系
•   5.2 微粒的相互作用
•     5.2.1 流体力学相互作用
•     5.2.2 静电相互作用
•     5.2.3 空位相互作用与空间相互作用
•   5.3 微粒的稳定操控与四氯化碳浓度关系
•   5.4 光镊操控微粒的排布
•     5.4.1 通过小泡排布微粒
•     5.4.2 微区双链状排布微粒
•   5.5 小结
• 第6章 总结和展望
•   6.1 总结
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴琴

导师: 黄雪峰

关键词: 光镊,矩阵,四氯化碳,长程输运,分散体系

来源: 杭州电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 杭州电子科技大学

分类号: O437

DOI: 10.27075/d.cnki.ghzdc.2019.000093

总页数: 61

文件大小: 1966k