扫描探针显微镜生物成像研究与光镊的FDTD模拟

论文摘要

本文描述了扫描探针显微镜在生物领域的应用和光镊的数值模拟研究。对于前者，阐述了原子力显微镜（AFM）对生物样品的成像研究，原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF／PSTM）的实验操作及其对各种样品的成像，特别是生物样品的成像。对于后者，探讨了时域有限差分法在光镊理论研究中的应用。 扫描探针显微镜是对固体表面进行高分辨研究的工具。原子力显微镜由于对样品的导电性没有特殊要求，并且能在接近生理条件下测量活的生物样品，从而成为生物领域的重要研究工具。本文通过对变形杆菌、狗肾上皮细胞和流感病毒的原子力显微镜成像研究，说明了原子力显微镜对临床医学和环境科学的应用。在对狗肾上皮细胞成像时，观察到细胞表面的小孔凹陷和突起，并获得了细胞膜表面细胞被（糖萼）的结构。在对流感病毒成像时，观察到了病毒表面的糖蛋白突起。 原子力与光子扫描隧道组合显微镜结合了原子力显微镜与光子扫描隧道显微镜的功能，能够在获得原子力显微镜形貌和相位图像的同时，通过对称照明样品，减少了原有光子扫描隧道显微镜所存在的假象；通过图像分解，可以获得样品的透过率和折射率图像。本文探讨了原子力与光子扫描隧道组合显微镜的实验操作，即如何具体实现原子力显微镜与光子扫描隧道显微镜的功能。文章通过对各种样品成像，验证了原子力与光子扫描隧道组合显微镜的功能。论文探讨了原子力与光子扫描隧道组合显微镜在生物领域的应用，揭示出它也能成为生物应用的重要研究工具。特别是在对海湾扇贝雄性生殖腺切片成像时，不仅观察到了海湾扇贝精子切片的表面形貌，通过光子扫描隧道显微镜透过率和折射率图像，还观察到精子头部细胞核内的精细结构。 光镊是利用光的辐射压来研究微观及介观粒子的工具。光镊能对生物样品进行非侵入式微操作。本文利用光镊对酵母菌细胞进行了捕获与操作。 光镊的理论是不完备的，特别是对于微米尺度（光波长）的粒子，至今尚没有较好的理论来描述。本文用三维时域有限差分法，探讨了微米尺度粒子所受的光辐射压力。光辐射压力由Minkowski电介质中的动量转换推出，入射聚焦光场用Richards-Wolf散射场理论来确定。计算所得的辐射压力与实验结果非常符合。 论文的研究结果表明： （1） 用AFM对生物样品成像，可以得到样品表面精细结构的信息；用自行研制的AF／PSTM不仅可以得到表面形貌，还可以得到生物体内部的结构信息。以AFM为基础的显微成像工具在生物领域具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 扫描探针显微学
• 1.1 扫描隧道显微学
• 1.2 原子力显微学
• 1.2.1 针尖-样品力
• 1.2.2 力传感器（悬臂）
• 1.2.3 AFM的工作模式
• 1.2.4 存在的困难
• 1.3 扫描近场光学显微学
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 小孔SNOM
• 1.3.3 无孔径SNOM
• 1.3.4 针尖增强拉曼散射
• 1.4 本章小结
• 2 生物学中的原子力显微学
• 2.1 基本原理
• 2.1.1 AFM工作原理
• 2.1.2 成像模式
• 2.1.3 分辨率与针尖展宽
• 2.2 生物成像应用概述
• 2.3 AFM对生物样品的成像研究
• 2.3.1 变形杆菌的AFM成像研究
• 2.3.2 狗肾上皮细胞（MDCK）的AFM成像研究
• 2.3.3 流感病毒的AFM成像研究
• 2.4 本章小结
• 3 AF／PSTM及其实验研究
• 3.1 光子扫描隧道显微镜
• 3.1.1 光学近场
• 3.1.2 表面结构产生的光学近场
• 3.1.3 近场的局域探测
• 3.1.4 存在的问题
• 3.2 PSTM消假象及图像分解方法
• 3.3 AF／PSTM
• 3.3.1 AF／PSTM探针
• 3.3.2 AF／PSTM主机
• 3.3.3 扫描器
• 3.3.4 AF／PSTM的电子系统
• 3.3.5 AF／PSTM控制处理软件
• 3.4 AF／PSTM光纤探针的机械特性
• 3.4.1 弯曲光纤探针的弹性常数
• 3.4.2 弯曲光纤探针的频率
• 3.5 AF／PSTM成像的初步研究
• 3.5.1 方形定标光栅
• 3.5.2 2.4kpl／mm（2400线对每毫米）光栅样品
• 3.5.3 1kpl／mm全息光栅样品
• 3.5.4 带孔的氟化镁薄膜样品
• 3.6 AF／PSTM对生物样品成像
• 3.6.1 细胞组织切片成像
• 3.6.2 细胞成像
• 3.6.3 微生物成像
• 3.6.4 结论
• 3.7 本章小结
• 4 光镊及其操作
• 4.1 光学捕获微操纵的历史
• 4.2 捕获的基础
• 4.3 力的测量
• 4.4 力测量的定标
• 4.4.1 粘滞拉力定标
• 4.4.2 布朗运动定标
• 4.5 光镊在生物学中的应用概述
• 4.6 光镊对酵母菌的捕获与操作
• 4.6.1 光镊装置
• 4.6.2 光镊对酵母菌的捕获
• 4.7 本章小结
• 5 光镊的理论研究
• 5.1 捕获理论及其进展
• 5.1.1 瑞利粒子
• 5.1.2 Mie粒子
• 5.1.3 电磁理论
• 5.2 FDTD方法
• 5.2.1 Yee氏算法
• 5.2.2 网格与结构
• 5.2.3 散射场方法
• 5.2.4 边界条件
• 5.3 动量转换
• 5.4 聚焦电场
• 5.5 捕获力计算
• 5.5.1 半径为1μm的聚苯乙烯小球受力
• 5.5.2 半径为0.5μm的聚苯乙烯小球受力
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 存在的问题
• 6.3 前景展望
• 6.4 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A 获奖证书
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书