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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:闕壯迪
研究生(外文):Chuang-Di Chueh
論文名稱:倒立內嵌式雷射光鉗系統應用於不同介質中微球體及血球細胞作用力之量測
論文名稱(外文):Acting Force Measurement of Microbeads and Hemocytes in Different Mediums Using Inverted-Embedded Optical Tweezers System
指導教授:鍾永強鍾永強引用關係
指導教授(外文):Yung-Chiang Chung
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:106
中文關鍵詞:雷射光鉗血球細胞作用力影響半徑
外文關鍵詞:Laser tweezersHemocytesacting forceinfluence radius
相關次數:
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本文實驗架構主要是量測細胞及塑膠微粒懸浮於不同黏性介質中之作用力影響,並且藉由改變雷射功率大小來紀錄作用力的變化,最後我們再將各實驗狀態下的作用力做相互關係的比較。我們建置一套倒立內嵌式雷射光鉗系統,其是將雷射光鉗結合倒立式光學顯微鏡,賦予系統具有同時觀察及操控兩種能力。於建置階段我們使用便於觀看的可見光雷射及易於觀察的螢光微粒來驗證本系統之可行性;於應用階段我們使用對生物體較不具傷害性的近紅外光雷射作為光源,並且我們將選用人體血液中的細胞作為主要的實驗樣本。本文同時也模擬光鉗以非侵入性及非接觸性的方式於血管中進行細胞的捕捉及作用力的研究,實驗中以牛血清取代血液,因為牛血清的黏滯性及環境特性均較接近於人體血液,如此在加入純化的細胞或微粒後,可減少因介質中雜質所造成的實驗誤差,可得到較可靠之數據。
我們由實驗中量測到直徑為6μm的塑膠微粒懸浮於純水中,雷射源功率為6.5mW,此時光鉗作用力常數K值約為38.9nN/μm,而光鉗作用力約為0.554pN,影響半徑14.2μm。若直徑大小約為9μm的嗜中性白血球細胞懸浮於血清中,雷射源功率為4.5mW,此時K值約為56.4nN/μm,而光鉗作用力約為0.368pN,影響半徑6.51μm。而12μm大小的血癌細胞懸浮於純水中,雷射源功率為4.5mW,此時K值約為12.8nN/μm,光鉗作用力約為0.168pN,影響半徑則為12.6μm。由上述結果可看出雷射功率大小與光鉗作用力成正比關係,而相同條件下,懸浮於水中的物體所受的作用力較懸浮於血清中所受的作用力為小。
We used the IR Laser to trap and manipulate particles and hemocytes in the different medium and the influence between the object and viscosity of medium can be measured by experimentation. We installed an “inverted-embedded optical tweezers system” that combined the optical tweezers and the inverted microscopy, and possessed the ability to observe and manipulate simultaneously. The content contains the introduction of optical tweezers and the setup and results of experiment. We test the feasibility of this study by using visible laser and fluorescent beads which are easier to be observed in the installing stage. Then, in the process of experiment, we applied a less harmful IR laser for the biological object as the light source. Finally, we compared with their acting force. The goal of this experiment is to trap hemocytes by optical tweezers in blood (serum) and measured their acting force reliably.
It was obtained that the acting force constant K=38.9nN/μm, acting force F=0.554pN and the influence radius was 14.2μm when the 6μm bead suspended in water and the power source was 6.5mW. The constant K=56.4nN/μm, force F=0.368pN and the influence radius was 6.51μm when the 9μm WBC (White Blood Cell) cell suspended in serum and the power source was 4.5mW. The constant K=12.8nN/μm, force F=0.168pN and the influence radius was 12.61μm when the 12μm blood cancer cell suspended in water and the power source was 4.5mW. The acting force would be enhanced when the laser’s power was increased and the acting force of the object suspend in serum would be larger than that suspend in water at the same conditions.
目錄
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員會審定書 ii
明志科技大學學位論文授權書 iii
碩博士論文電子檔案上網授權書 iv
誌謝 v
中文摘要 vi
英文摘要 vii
目錄 viii
表目錄 xi
圖目錄 xii
第一章 序論 1
1.1 前言 1
1.2 導論 2
1.3 研究動機及目的 5
1.4 論文架構 5
第二章 理論背景 6
2.1 光鉗基本原理 6
2.2 研究歷史 8
2.3 理論模型 11
2.3.1 幾何光學模型 11
2.3.1.1 單一細光束作用力推導 13
2.3.1.2 整道光束作用力推導 15
2.3.2 電磁波模型 17
2.4 基本架設 18
2.4.1 雷射功率的控制 19
2.4.2 濾波與擴束 19
2.4.3 雷射聚焦最佳化 20
2.4.4 攝影機觀察 20
2.4.5 雷射光源 21
2.5 光鉗顯微鏡種類 23
2.5.1 內嵌式 23
2.5.2 內嵌反轉式 25
第三章 光學顯微鏡原理 27
3.1 顯微鏡種類 27
3.2 相關名詞定義 29
3.3 成像原理 35
第四章 實驗設計及方法 43
4.1 實驗架構 43
4.1.1 雷射光鉗系統 46
4.1.1.1 雷射光源 49
4.1.1.2 擴束透鏡組 50
4.1.1.3 聚焦物鏡 51
4.1.1.4 功率濾片 53
4.1.2 顯微影像系統 55
4.1.2.1 倒立式顯微鏡 57
4.1.2.2 數位攝影機 59
4.1.2.3 濾波片 60
4.1.3 光路校準系統 63
4.2 樣品製備 65
4.3 實驗樣本及介質流體 67
第五章 實驗結果與分析 70
5.1 實驗樣本捕捉及操控實驗 70
5.2 作用力分析 76
5.3 實驗結果 77
第六章 結論與未來展望 98
參考文獻 100
附錄一 106

表目錄
表3. 1 顯微物鏡放大倍率 30
表3. 2 物鏡色彩標示 34
表3. 3 Nikon Eclipse E6000共軛平面組 40
表4. 1 平凸透鏡規格表 50
表4. 2 系統中透鏡相對尺寸規格表 51
表4. 3 本系統所使用之物鏡規格比較 52
表4. 4 ND Filter規格表 54
表4. 5 Zero Order Waveplates規格表 55
表4. 6 本研究中所使用之顯微鏡各機型光導入路徑比較 59
表4. 7 RNF規格表 62
表4. 8 RNF規格表(續) 63
表4. 9 血球細胞種類 67
表4. 10 本研究中介質流體及實驗樣本相關特性表 69
表5. 1 不同條件下之K值 95
表5. 2 不同條件下之光鉗作用力 96
表5. 3 不同條件下之光鉗影響範圍 97

圖目錄
圖1. 1 生物分子作用力範圍 1
圖1. 2 光壓對微粒作用示意圖 3
圖2. 1 雷射光鉗工作原理示意圖 6
圖2. 2 高斯光束中之微粒作用力分佈圖 7
圖2. 3 雷射光鉗初步實驗設計圖 8
圖2. 4 雙光束與單光束雷射光嵌住作用示意圖 9
圖2. 5 單光束光學漂浮作用示意圖 10
圖2. 6 幾何光學模型示意圖 12
圖2. 7 單一細光束在球內的光路路徑圖 13
圖2. 8 光束入射球心位於光軸上之球體示意圖 16
圖2. 9 電磁波模型示意圖 17
圖2. 10 光鉗系統架設方塊圖 18
圖2. 11 空間濾波器作用示意圖 19
圖2. 12 商用顯微物鏡規格 20
圖2. 13 不同波長光源之光譜圖 21
圖2. 14 不同半徑之雷射光束通過入射光瞳的情形 22
圖2. 15 匹配透鏡的使用 23
圖2. 16 內嵌式光鉗顯微鏡雛形 24
圖2. 17 內嵌反轉式光鉗顯微鏡示意圖 25
圖3. 1 正立顯微鏡 27
圖3. 2 倒立顯微鏡 28
圖3. 3 立體解剖顯微鏡 28
圖3. 4 物鏡開口值 29
圖3. 5 介質種類 30
圖3. 6 色像差 31
圖3. 7 像場彎曲 32
圖3. 8 鏡筒長(a)有限的系統(b)無限的系統 34
圖3. 9 物與像的共軛關係 35
圖3. 10 雙透鏡系統共軛關係 36
圖3. 11 成像示意圖 36
圖3. 12 影像擷取設備 37
圖3. 13 顯微鏡光路徑圖(Nikon Eclipse E6000) 39
圖3. 14 Nikon Eclipse E6000螢光顯微鏡 40
圖3. 15 成像共軛平面組與照明共軛平面組的比較 42
圖4. 1 系統裝置設計圖 43
圖4. 2 倒立內嵌式雷射光鉗系統 44
圖4. 3 水平防震光學桌 45
圖4. 4 暗房環境 45
圖4. 5 光鉗系統光路Layout圖 46
圖4. 6 光束經光束轉折器之路徑走向 47
圖4. 7 雷射光源(a)近紅外光雷射(b)綠光雷射 49
圖4. 8 近紅外光雷射功率輸出穩定檢測 49
圖4. 9 綠光雷射功率輸出穩定檢測 50
圖4. 10 匹配透鏡尺寸圖 51
圖4. 11 相同透鏡及物鏡使用條件下對光鉗效率的影響 51
圖4. 12 物鏡(100X、40X、20X、10X) 52
圖4. 13 顯微物鏡工作原理 53
圖4. 14 物鏡N.A.值對光鉗的影響 53
圖4. 15 ND Filter尺寸規格及降階程度圖 54
圖4. 16 顯微影像系統(a)正視(b)左視(c)右視(d)後視 56
圖4. 17 自行架設之三軸精密平台 57
圖4. 18 倒立式螢光顯微鏡(a)外型(b)內部照明及觀察光路徑走向 58
圖4. 19 顯微鏡光路擴充特性 58
圖4. 20 顯微鏡光導入及影像輸出路徑圖 58
圖4. 21 數位攝影機(a)實體圖(b)影像縮放鏡頭 59
圖4. 22 數位攝影機尺寸試圖 60
圖4. 23 光波濾波片(a)532nm波段濾片(b)1064nm波段濾片 60
圖4. 24 光焦點之散射情形(a)使用濾波片前(b)使用濾波片後 61
圖4. 25 本實驗中Dichroic mirror不同波長相對特性圖 61
圖4. 26 濾片支撐體 62
圖4. 27 濾片支撐體內部結構及濾片位置圖 62
圖4. 28 同心圓標靶(a)成品(b)校正物鏡光路之情況 64
圖4. 29 紅外光卡(a)實體圖(b)使用於不同波長範圍之光譜特性 64
圖4. 30 光圈(a)校正垂直光路(b)校正水平光路 64
圖4. 31 初步樣品製備流程圖 65
圖4. 32 樣品製備儀器(a)塑膠薄膜(b)微量注射器 66
圖4. 33 微粒製作(a)塑膠微粒(b)完成之樣品 66
圖4. 34 牛血清 68
圖5. 1 光鉗捕捉點繞射圖紋 70
圖5. 2 聚苯乙烯微粒懸浮至捕捉過程 71
圖5. 3 聚苯乙烯微粒操控過程 72
圖5. 4 以1064nm波段雷射捕捉並操控塑膠微粒 73
圖5. 5 血癌細胞捕捉(a ~ c)及操控過程(d ~ h) 74
圖5. 6 多微粒捕捉 75
圖5. 7 直徑2.88μm微粒於血清中0.5mW之位移時間關係圖 79
圖5. 8 直徑2.88μm微粒於血清中4.5mW之位移時間關係圖 79
圖5. 9 直徑2.88μm微粒於血清中6.5mW之位移時間關係圖 80
圖5. 10 直徑2.88μm微粒於血清中14.5mW之位移時間關係圖 80
圖5. 11 直徑2.88μm微粒於純水中0.5mW之位移時間關係圖 81
圖5. 12 直徑2.88μm微粒於純水中4.5mW之位移時間關係圖 81
圖5. 13 直徑2.88μm微粒於純水中6.5mW之位移時間關係圖 82
圖5. 14 直徑2.88μm微粒於純水中14.5mW之位移時間關係圖 82
圖5. 15 直徑6μm微粒於血清中0.5mW之位移時間關係圖 83
圖5. 16 直徑6μm微粒於血清中4.5mW之位移時間關係圖 83
圖5. 17 直徑6μm微粒於血清中6.5mW之位移時間關係圖 84
圖5. 18 直徑6μm微粒於血清中14.5mW之位移時間關係圖 84
圖5. 19 直徑6μm微粒於純水中0.5mW之位移時間關係圖 85
圖5. 20 直徑6μm微粒於純水中4.5mW之位移時間關係圖 85
圖5. 21 直徑6μm微粒於純水中6.5mW之位移時間關係圖 86
圖5. 22 直徑6μm微粒於純水中14.5mW之位移時間關係圖 86
圖5. 23 直徑9μm白血球細胞於血清中0.5mW之位移時間關係圖 87
圖5. 24 直徑9μm白血球細胞於血清中4.5mW之位移時間關係圖 87
圖5. 25 直徑9μm白血球細胞於血清中6.5mW之位移時間關係圖 88
圖5. 26 直徑9μm白血球細胞於血清中14.5mW之位移時間關係圖 88
圖5. 27 直徑9μm白血球細胞於純水中0.5mW之位移時間關係圖 89
圖5. 28 直徑9μm白血球細胞於純水中4.5mW之位移時間關係圖 89
圖5. 29 直徑9μm白血球細胞於純水中6.5mW之位移時間關係圖 90
圖5. 30 直徑9μm白血球細胞於純水中14.5mW之位移時間關係圖 90
圖5. 31 直徑12μm血癌細胞於血清中0.5mW之位移時間關係圖 91
圖5. 32 直徑12μm血癌細胞於血清中4.5mW之位移時間關係圖 91
圖5. 33 直徑12μm血癌細胞於血清中6.5mW之位移時間關係圖 92
圖5. 34 直徑12μm血癌細胞於血清中14.5mW之位移時間關係圖 92
圖5. 35 直徑12μm血癌細胞於純水中0.5mW之位移時間關係圖 93
圖5. 36 直徑12μm血癌細胞於純水中4.5mW之位移時間關係圖 93
圖5. 37 直徑12μm血癌細胞於純水中6.5mW之位移時間關係圖 94
圖5. 38 直徑12μm血癌細胞於純水中14.5mW之位移時間關係圖 94
圖5. 39 不同條件下K值分佈曲線 95
圖5. 40 不同條件下光鉗作用力分佈曲線 96
圖5. 41 不同條件下光鉗影響範圍分佈曲線 97
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[49]澤田廉士、羽根一博、日暮栄治 原著,國立編譯館 主譯,顏炳華、溫榮弘 譯,光微機電系統,全華科技圖書,民94
[50]耿繼業、何建娃,幾何光學,全華科技圖書,民90
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