Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các vi hạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

ĐOÀN QUỐC TUẤN

NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN

SỬ DỤNG MÀNG MỎNG MÀU HỮU CƠ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VI HẠT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

ĐOÀN QUỐC TUẤN

NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN

SỬ DỤNG MÀNG MỎNG MÀU HỮU CƠ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VI HẠT

Ngành: Mã số : Quang học 9.44.01.10

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1.TS. Nguyễn Thu Cầm

2. PGS.TS. Hồ Quang Quý

HÀ NỘI - 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng

được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo

được trích dẫn đầy đủ.

Ngƣời cam đoan

Đoàn Quốc Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Vật lý kỹ thuật-

Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự dưới sự hướng dẫn khoa học của

TS. Nguyễn Thu Cầm và PGS.TS. Hồ Quang Quý. Tác giả xin được bày tỏ

lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn, những người đã

định hướng khoa học, chỉ bảo tận tình và động viên nghiên cứu sinh trong

suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án.`

Nghiên cứu sinh gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc Viện Khoa

học và Công nghệ Quân sự, Thủ trưởng Cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất

lượng/Bộ Tổng Tham mưu, Thủ trưởng và cán bộ-nhân viên Phòng Đào tạo,

Thủ trưởng Viện Vật lý Kỹ thuật đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình

học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các giảng viên,

các nhà khoa học của Viện Vật lý kỹ thuật, Tạp chí Khoa học & Công nghệ

Quân sự và các đồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến khoa học bổ ích cho nội

dung của luận án cũng như đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốt thời

gian học tập và nghiên cứu.

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các bạn bè, đồng nghiệp và

đặc biệt cảm ơn những người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên,

giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận án

Đoàn Quốc Tuấn

iii

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................. xiii

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài luận án: .......................................................................... 1

2. Mục tiêu của luận án: ............................................................................................. 2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ....................................................................... 2

4. Nội dung nghiên cứu: ............................................................................................ 3

5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................................. 3

7. Bố cục của luận án ................................................................................................. 4

Chương 1 ........................................................................................................... 5

KÌM QUANG HỌC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN VI HẠT ............................. 5

1.1. Tổng quan về phát triển của kìm quang học .............................................. 5

1.2. Quang lực tác động lên vi hạt ......................................................................... 10

1.3. Bẫy quang học ................................................................................................. 14

1.4. Một số kìm quang học sử dụng điều khiển vi hạt .......................................... 17

1.4.1. Kìm quang học giao thoa ...................................................................... 17

1.4.2. Kìm quang học lệch tia quang-âm . ...................................................... 18

1.4.3. Kìm quét tia laser hai chiều. .................................................................. 18

1.4.4. Mảng kìm thông minh ........................................................................... 20

1.4.5. Kìm quang học điều khiển vi hạt bằng bàn gốm áp điện. ..................... 21

1.5. Kìm quang học phi tuyến ................................................................................ 23

1.6. Kết luận chương 1 ........................................................................................... 31

Chương 2 ......................................................................................................... 32

KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN SỬ DỤNG MÀNG .................................. 32

CHẤT MÀU HỮU CƠ ................................................................................... 32

2.1. Các chất màu hữu cơ phi tuyến cao ................................................................ 32

2.2. Đề xuất mẫu kìm quang học phi tuyến ........................................................... 33

2.3. Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 34

2.4. Tiêu cự của thấu kính phi tuyến ...................................................................... 35

2.5. Tái phân bố cường độ trong không gian pha (,z) của chùm laser Gauss ... 39

2.6. Quang lực dọc tác động lên vi hạt điện môi .................................................. 41

2.7. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 46

Chương 3 ......................................................................................................... 48

HIỆU SUẤT BẪY CỦA KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN ......................... 48

SỬ DỤNG MÀNG CHẤT MÀU HỮU CƠ ................................................... 48

3.1. Hiệu suất bẫy quang ........................................................................................ 48

3.2. OTE của NOTW ............................................................................................. 49

3.3. Khảo sát số ảnh hưởng của công suất laser trung bình lên OTE .................. 51

3.3.1. OTE dọc ................................................................................................ 51

3.3.2. OTE ngang .............................................................................................. 55

3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 61

Chương 4 ......................................................................................................... 62

ĐIỀU KHIỂN TOÀN QUANG VI HẠT TRONG KHÔNG GIAN .............. 62

4.1. Động học vi hạt tự do ............................................................................... 62

4.1.1. Mẫu NOTW cho vi hạt tự do ................................................................ 62

4.1.2. Hệ phương trình Langevin .................................................................... 64

4.1.3. Quỹ đạo của vi hạt trong vùng bẫy ....................................................... 65

4.2. Kéo căng phân tử ADN. .................................................................................. 69

4.2.1. Mẫu NOTW kéo căng phân tử ADN. ................................................... 69

4.2.2. Hệ phương trình Langevin tổng quát .................................................... 70

4.2.3. Động học của vi hạt gắn với phân tử ADN ........................................... 71

4.3. Lựa chọn NOTW phù hợp với phân tử ADN ................................................ 80

4.3.1. NOTWsử dụng kéo căng phân tử ADN chủng lamda .......................... 80

4.3.2. NOTW dùng để kéo căng phân tử BEC ................................................ 83

4.4. Kết luận Chương 4........................................................................................... 85

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 87

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ................ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 91

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

a [m] - Bán kính vi hạt c [3.108 m/s]-Vận tốc ánh sáng trong chân không

d [m] - Độ dày lớp chất lưu

⃗ (| ⃗|) [ N] - Véc tơ quang lực (độ lớn quang lực) Fgrad,z [N] - Quang lực gradient dọc Fgrad,ρ [N] - Quang lực gradient ngang f, fnl [m] - Tiêu cự thấu kính (phi tuyến)

[J.s/rad] - Hằng số Planck I, I0 [W/cm2] - Cường độ laser ⃗⃗ - Véc tơ sóng

| ⃗⃗| [1/m] - Số sóng kB [1.38064852 ×10-23m2kgs-2K-1] - Hằng số Boltzman L [m] - Chiều dài môi trường Lb[m] - Chiều dài bền của ADN Lc[m] - Chiều dài tổng của ADN Lstr[m] - Chiều dài căng có thể của ADN m - Tỉ số chiết suất

mpt - Tỉ số chiết suất phi tuyến

mh[kg] - Khối lượng vi hạt

N - Số phô tôn

nh- Chiết suất hạt điện môi

nm (nf) - Chiết suất môi trường (chất lưu) n2(nnl)[cm2/W] - Hệ số chiết suất phi tuyến

nK - Chiết suất môi trường Kerr

n0 - Chiết suất tuyến tính của môi trường Kerr

vii

P[W] - Công suất laser

⃗ [kg.m/s] - Véctơ xung lượng

Q - Hiệu suất bẫy quang T[oK] - Nhiệt độ tuyệt đối t[s] - Thời gian U[J] - Năng lượng laser

W0[cm] - Bán kính thắt chùm

Win[cm] - Bán kính thắt chùm LGB vào

Wz [cm] - Bán kính chùm tia LGB tại z

Wi [0...1] - Giá trị của hàm ngẫu nhiên

z[m] - Tọa độ dọc trục laser

z0[m] - Độ dài Rayleigh α[N.cm3/W] - Hệ số phân cực của vi cầu lưỡng cực

[N.cm2/W] - Hệ số tán xạ của vi cầu

h[m/W] - Hệ số hấp thụ của chất màu hữu cơ

 [kg/s] - Hệ số ma sát nhớt

[kg/m.s (Pa.s)] - Độ nhớt

[m] - Tọa độ hướng tâm

[nm] - Bước sóng laser

0 [8,85 10-12 F/m] - Độ điện thẩm của chân không

AND - Phân tử AND (Deoxyribonucleic acid)

AOT - Kìm quang âm (Acousto-optical tweezers)

AOCM - Phương pháp điều khiển quang-âm (Acousto-Optical Control)

AoML - Mảng vi thấu kính (Array of microlens) Method)

AoOTW - Mảng kìm quang học (Array of Optical Tweezers)

ApoLB - Công suất trung bình của chùm laser (Average power of Laser Beam)

viii

aOCM - Phương pháp điều khiển toàn quang (All Optical Control Method)

BEC - Vi khuẩn E. Coli (Bacteria Escherichia Coli)

CL - Chiều dài tổng của ADN (Contour Length)

DMP - Vi hạt điện môi (Dielectric Micro Particles)

EF - Lực đàn hồi (Elastic force)

EMCM - Phương pháp điều khiển điện-cơ (Electro-Mechanical Control)

EOCM - Phương pháp điều khiển điện-quang (Electro-Optical Control Method) Method)

FDE - Phương trình vi phân hữu hạn (Finite Different Equation)

FDM - Phương pháp vi phân hữu hạn (Finite Different Method)

GLE - Phương trình Langevin tổng quát (General Langevin Equation)

GOF - Lực gradient quang (Gradient Optical Force) ICOTW - Kìm quang học thông minh (Intelligent Control Technique Optical Tweezers)

IOTW - Kìm quang học giao thoa (Interference Optical Tweezers)

KE - Hiệu ứng Kerr (Kerr Effect)

KF - Chất lưu Kerr (Kerr Fluid)

KMP - Vi hạt Kerr (Kerr Micro Particle)

LGB - Chùm laser Gauss (Laser Gausian Beam)

LGOF - Quang lực gradient (Longitudinal Gradient Optical Force)

LHGB - Chùm laser Hollow (Laser Hollow-Gaussian Beam)

LOTW - Kìm quang học tuyến tính (Linear Optical Tweezers)

ML - Vi thấu kính (Microlens)

MO - Kính hiển vi (Mircoscope Objectives)

NcoRI - Hệ số chiết suất phi tuyến (Nonlinear Coefficient of Refractive Index)

NL - Thấu kính phi tuyến (Nonlinear Lens)

NML - Vi thấu kính phi tuyến (Nonlinear Microlens)

NOTW - Kìm quang học phi tuyến (Nonlinear Optical Tweezers)

OD - Chất màu hữu cơ (Organic Dye)

OF - Quang lực (Optical Force)

OMCM - Phương pháp điều khiển cơ - quang (Opto-Mechanical Control)

OT - Bẫy quang học (Optical Trap) Method)

OTE - Hiệu suất bẫy quang (Optical Trap Efficiency)

OTW - Kìm quang học (Optical Tweezers)

NML - Vi thấu kính phi tuyến (Nonlinear Micro Lens)

NA - Khẩu độ số (Numerical Aperture)

PL - Độ dài biên (Persistence Length)

SFE - Hiệu ứng tự hội tụ (Self-Focus Effect)

SOF - Quang lực tán xạ (Scattering Optical Force)

TGOF - Lực gradient ngang (Transverse Gradient Optical Force)

TC - Tâm bẫy (kìm) (Trap (Tweezers) Center)

TR - Vùng bẫy (Trap Region)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Xung lượng và lực do phản xạ (a) và khúc xạ (b) của ánh sáng chiếu

vào DMP ......................................................................................................... 11

Hình 1.2 Hướng lực tác động lên DMP tương ứng vị trí ................................ 12

Hình 1.3 GOF của LGB tác động lên vi cầu. .................................................. 13

Hình 1.4 a: LGB bẫy hạt với m > 1; b: LHGB bẫy hạt với m < 1 .................. 13

Hình 1.5 Cấu hình nguyên lý tối thiểu của OT. .............................................. 15

Hình 1.6 Sơ đồ chức năng chi tiết cấu tạo OT sử dụng một chùm laser . ...... 16

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của IOTW ............................................................ 17

Hình 1.8 Kìm quang học AOTW ................................................................... 19

Hình 1.9 OPTW sử dụng bộ quét tia Galvo. ................................................... 19

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của ICOTW ............................................................. 21

Hình 1.11 LOTW điều khiển DMP dọc trục laser .......................................... 22

Hình 1.12 Mô tả mẫu NOTW hai chiều .......................................................... 24

Hình 1.13 Phân bố TGOF trên trục hướng tâm của KF ................................. 26

Hình 1.14 Phân bố TGOF trên trục hướng tâm của KP .................................. 27

Hình 1.16 LGOF tổng trên trục chùm tia với các trường hợp: ....................... 28

Hình 1.17 NOTW ứng dụng điều khiển 3D . .................................................. 29

Hình 1.18 Phân bố lại cường độ của laser. ..................................................... 30

Hình 1.19 Sự phụ thuộc của vị trí cân bằng dọc trục vào APoLB. ................. 30

Hình 2.1 Cấu trúc hóa học và công thức phân tử của Acid Blue. ................... 33

Hình 2.2 Cấu hình NOTW .............................................................................. 34

Hình 2.3 Biễu diễn các tham số của LGB và vị trí DMP trong (,z). ............ 37

Hình 2.4 Tiêu cự của các lớp màng có độ dày phụ thuộc APoLB ................. 38

Hình 2.5 Tiêu cự của màng có độ dày được chiếu bởi LGB có

APoLB thay đổi trong khoảng (90160) mW. ............................................... 39

Hình 2.6 Phân bố cường độ laser trong không gian pha với các giá trị khác

nhau của APoLB ............................................................................................. 41

Hình 2.7 Phân bố của LGOF trong không gian pha với các giá trị khác nhau

của APoLB. ..................................................................................................... 43

Hình 2.8 Phân bố của LGOF tác động lên DMP với các giá trị khác nhau của

APoLB. ............................................................................................................ 43

Hình 2.9 Hình thành TC trên trục chùm laser. ................................................ 44

Hình 2.10 Xác định vùng bẫy và ổn định của DMP trên trục laser. ............... 45

Hình 3.1 LGOF với APoLB khác nhau . ........................................................ 52

Hình 3.2 “Chuông” lực - TR. .......................................................................... 53

Hình 3.3 Thay đổi TR (đường kính zst) và TC theo APoLB. ......................... 53

Hình 3.5 Phân bố OTE ngang với APoLB khác nhau. ....................................... 55

Hình 3.4 Phân bố OTE dọc với APoLB khác nhau. ....................................... 54

Hình 3.6 TGOF và đường kính TR ổn định st; .............................................. 56

Hình 3.7 với APoLB khác nhau. ...................................................... 57

Hình 3.8 OTE dọc với APoLB khác nhau của NOTW ................................... 58

Hình 3.9 OTE ngang với ApoLB khác nhau của NOTW. ............................. 59

Hình 3.10 Phụ thuộc của OTE ngang cực đại của NOTW. ............................ 60

Hình 3.11 Phụ thuộc của OTE dọc cực đại của NOTW. ............................... 60

Hình 4.1 Cấu hình NOTW với DMP tự do. .................................................... 63

Hình 4.2 Vị trí ngang (a) và dọc (b) của DMP tự do trong thời gian bẫy ..... 66

Hình 4.3 Các đặc trưng vị trí dọc - thời gian kéo của DMP ........................... 67

Hình 4.4 Các đặc trưng vị trí ngang - thời gian kéo của DMP. ...................... 67

Hình 4.5 Quỹ đạo của vi hạt............................................................................ 68

Hình 4.6 Cấu hình NOTW kéo thẳng phân tử ADN. ...................................... 70

Hình 4.7 OF và EF tại các vị trí khác nhau của DMP. ................................... 72

Hình 4.8 Đặc trưng vị trí-thời gian hướng tâm, dọc trục của DMP. ............... 73

Hình 4.9 Đặc trưng vị trí - thời gian của DMP có vị trí ban đầu khác nhau... 74

xii

Hình 4.10 Đặc trưng vị trí-thời gian của DMP trên trục laser ........................ 77

Hình 4.11 Vận tốc tức thời của DMP . ........................................................... 78

Hình 4.12 Các đường đặc trưng vị trí-thời gian của DMP bẫy tại hai vị trí ban

đầu khác nhau trên trục laser của NOTW ....................................................... 78

Hình 4.13 Quỹ đạo của DMP bẫy trên trục laser khảo sát với cường độ đỉnh

laser khác nhau. ............................................................................................... 79

Hình 4.14 Chuyển động Brown của DMP tại vị trí bẫy, ................................ 79

Hình 4.15 Cấu hình NOTW sử dụng kéo căng ADN. .................................... 81

Hình 4.16 Đặc trưng vị trí - thời gian của ADN chủng lambda ..................... 82

Hình 4.17 Đặc trưng vị trí-thời gian của phân tử BEC ................................... 85

xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 4.1 Vài tham số động học của DMP bẫy. .............................................. 76

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài luận án:

Năm 1970, A. Ashkin đã khẳng định có thể sử dụng áp suất bức xạ để

tăng tốc và giam giữ các vi hạt điện môi. Phát hiện đó đã được chính Ashkin và

cộng sự minh chứng bằng thực nghiệm khi khảo sát quang lực gradient của một

chùm laser được hội tụ mạnh tác động lên vi hạt. Từ đây, hàng loạt các công

trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm đã công bố về kết quả tính

toán, xác định độ lớn quang lực của chùm tia laser tác động lên vi hạt và một số

mẫu bẫy quang học khác nhau. Không chỉ dừng lại ở chức năng giam giữ các vi

hạt tại một vị trí nhất định, mà bẫy quang học có thể điều khiển di chuyển các vi

hạt trong không gian bằng cách thay đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser. Kìm

quang học-từ đây định nghĩa là kìm quang học tuyến tính là thiết bị quang học

có thể đồng thời giam giữ và di chuyển vi hạt trong không gian ra đời. Ngay sau

khi ra đời, kìm quang học tuyến tính được đánh giá như một thiết bị trợ giúp hữu

hiệu trong nghiên cứu các đối tượng sinh học như tế bào sống, tế bào vi khuẩn,

đặc biệt các phân tử AND và điều khiển chúng trong không gian bằng các

phương pháp điều khiển khác nhau như: quang-cơ, quang-điện, quang-âm,

quang-từ. Tuy được đưa vào ứng dụng thực tế, song các phương pháp trên chưa

có độ chính xác cao, đồng thời, hệ thống thiết bị phức tạp, cần phải thay đổi ít

nhất hai yếu tố khi cần điều khiển trong không gian ba chiều. Gần đây phương

pháp toàn quang được nghiên cứu dựa trên hiệu ứng Kerr của môi trường chất

lưu. Mặc dù đã có những phát triển về độ chính xác, tuy nhiên vẫn gặp phải khó

khăn đó là cần đến hai yếu tố và hệ thống chưa hoàn thiện.

Trong những năm gần đây, các chất màu hữu cơ có tính phi tuyến cao đã

được chế tạo thành sản phẩm thương mại, có thể thay thế các chất lưu thông

thường có tính chất phi tuyến thấp. Đây là một thuận lợi để chúng tôi đề xuất và

tiến hành nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng các chất màu hữu cơ như

một vi thấu kính trong cấu trúc kìm quang học với hy vọng giảm thiểu các yếu

tố cần thiết cho việc điều khiển vi hạt, nâng cao hiệu suất bẫy và tối ưu hóa các

thông số thiết kế bẫy quang học phù hợp với các đối tượng nghiên cứu khác

nhau, đặc biệt là các chủng loại ADN với độ dài tổng khác nhau.

Nội dung nghiên cứu được thể hiện trong luận án: “Nghiên cứu kìm

quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các

vi hạt”.

2. Mục tiêu của luận án:

Trên cơ sở cấu hình của kìm quang học tuyến tính (LOTW) và kìm quang

học phi tuyến (NOTW) đã được nghiên cứu trước đây và một số chất màu (OD)

có đặc trưng phi tuyến bậc ba cao, chúng tôi đề xuất NOTW mới có thể sử dụng

điều khiển các vi hạt điện môi (DMP) và kéo căng phân tử ADN bằng phương

pháp toàn quang (aOCM).

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:

* Đối tƣợng nghiên cứu:

- Vi thấu kính phi tuyến (NML) hình thành do hiệu ứng tự hội tụ (SFE)

qua môi trường chất màu hữu cơ (OD) có đặc trưng phi tuyến cao.

- Kìm quang học phi tuyến (NOTW) sử dụng NML.

- Hiệu suất bẫy quang (OTE) và Quang lực (OF) của NOTW tác động lên

vi hạt điện môi (DMP).

* Phạm vi nghiên cứu:

Động lực học của các DMP tự do trong chất lưu dưới tác động của OF.

Động lực học của DMP bẫy gắn với phân tử ADN và quá trình kéo căng

các phân tử ADN.

Nghiên cứu được giới hạn ở tính toán lý thuyết, giải số, khảo sát các đặc

trưng của NOTW và đặc trưng động lực học của các DMP trong kìm quang học.

4. Nội dung nghiên cứu:

1. Đề xuất mẫu NOTW sử dụng các OD, khảo sát sự phụ thuộc của tiêu

cự các NML vào các tham số thiết kế, bình luận, xác định cấu hình ứng dụng.

2. Nghiên cứu khảo sát hiệu suất bẫy (Optical Trap Efficiency- OTE) của

NOTW và so sánh với OTE của LOTW.

3. Nghiên cứu ứng dụng NOTW đã đề xuất vào quá trình điều khiển DMP

tự do trong không gian ba chiều và kéo căng các phân tử ADN có chiều dài tổng

(contour length - CL) khác nhau.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu

Luận án thực hiện dựa trên phương pháp phân tích, đánh giá kết hợp với

phương pháp mô hình hóa. Sử dụng lý thuyết quang phi tuyến, kìm quang học và

động học của DMP nhúng trong chất lưu dẫn các biểu thức, phương trình mô tả

các đặc trưng của kìm quang học phi tuyến và phương trình mô tả động học của

DMP. Dùng phương pháp tính toán số, khảo sát các đặc trưng của NOTW và

động lực học của DMP, bình luận kết quả đưa ra gợi ý cho nghiên cứu thực

nghiệm chế tạo NOTW và điều khiển quang trong quá trình kéo căng phân tử

AND có chiều dài tổng (CL) khác nhau.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: i) Đề xuất cấu hình NOTW sử dụng màng OD hữu cơ

phù hợp sẽ đem lại sự đa dạng các cấu hình của OT và điều khiển các vi hạt

bằng phương pháp toàn quang ứng dụng nghiên cứu các đối tượng sinh học; ii)

Chứng minh được sự tăng cường OTE của NOTW để có thể ứng dụng trong quá

trình điều khiển DMP.

Ý nghĩa thực tiễn: i) NOTW đề xuất trong luận án có thể ứng dụng cho

quá trình nghiên cứu điều khiển các DMP tự do, các đối tượng sinh học trong

quá trình tái phân bố vi hạt trong không gian, kéo căng các phân tử ADN và

nâng cao độ phân giải trong xử lý ảnh quang.

7. Bố cục của luận án

Ngoài các mục mở đầu, kết luận chung, nội dung luận án được bố cục

thành bốn chương sau:

Chương 1: Kìm quang học ứng dụng điều khiển vi hạt

Tổng quan về OF, OT, LOTW, NOTW và các vật liệu phi tuyến bậc ba

(KF); phân tích những ưu điểm, nhược điểm của kìm quang học đã được nghiên

cứu, từ đó đề xuất NOTW sử dụng OD.

Chương 2: Mẫu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng thuốc nhuộm hữu cơ.

Đưa ra cấu hình của NOTW sử dụng OD như NML. Dẫn các biểu thức về

tiêu cự của NML, OF tác động lên DMP. Khảo sát số, sự phụ thuộc của tiêu cự

của NML, tiết diện thắt LGB trong chất lưu, phân bố của OF trong không gian

ba chiều vào các tham số thiết kế.

Chương 3. Hiệu suất bẫy của kìm quang học phi tuyến

Dẫn biểu thức của OTE dọc, ngang của NOTW. Khảo sát sự phụ thuộc của

OTE vào các tham số thiết kế. So sánh OTE của NOTW với OTE của OTW. Bình

luận rút ra đặc trưng ưu việt của NOTW đã đề xuất.

Chương 4. Điều khiển toàn quang vi hạt trong không gian.

Khảo sát quá trình bẫy và điều khiển DMP tự do trong không gian hai chiều,

ba chiều. Khảo sát quá trình bẫy và điều khiển DMP bẫy liên kết với phân tử ADN

và quá trình kéo căng phân tử ADN. Bình luận về cấu hình NOTW ứng dụng cho

quá trình kéo căng các chủng loại phân tử ADN có CL khác nhau.

Nội dung chính của luận án được công bố trong 06 bài báo khoa học đăng trên

các tạp chí: Optic Communication (02 bài, ISI), Optical and Quantum Electronics

(01 bài, ISI), Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự (01 bài), Hội nghị

Quang học Quang phổ toàn quốc (02 bài).

Chƣơng 1

KÌM QUANG HỌC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN VI HẠT

Chương này sẽ trình bày tổng quan về phát triển của bẫy quang học (OT),

khái niệm quang lực (OF); các loại OF và cơ chế hình thành chúng; cơ sở thiết

kế kìm quang học tuyến tính LOTW và điều kiện bẫy các vi hạt điện môi

(DMP); những yêu cầu nghiên cứu trong thực tế và đề xuất các dạng LOTW ứng

dụng điều khiển DMP bẫy trong không gian; những đề xuất áp dụng hiệu ứng

phi tuyến (KE) vào thiết kế kìm quang học tuyến tính (NOTW) cho mục đích

điều khiển vi hạt bằng phương pháp toàn quang (aOCM).

1.1 Tổng quan về phát triển của kìm quang học

Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A. Ashkin đã khẳng định

có thể sử dụng áp suất bức xạ để tăng tốc (accelerate) và giam giữ (trap) các vi

hạt điện môi (Dielectric MicroParticles-DMP) [7]. Phát hiện đó đã được chính

Ashkin và cộng sự minh chứng bằng thực nghiệm khi khảo sát quang lực

gradient (Gradient Optical Force-GOF) của một chùm laser được hội tụ mạnh

tác động lên DMP [8]. Từ đây, hàng loạt các công trình nghiên cứu về lý thuyết

cũng như thực nghiệm đã công bố về kết quả tính toán, xác định độ lớn quang

lực (Optical Force-OF) của chùm tia laser tác động lên DMP và một số mẫu bẫy

quang học (Optical Trap-OT) khác nhau [9],[10],[12],[17],[25]. Không chỉ dừng

lại ở chức năng giam giữ các DMP tại một vị trí nhất định, mà bẫy quang học có

thể điều khiển (Control) di chuyển các DMP trong không gian bằng cách thay

đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser. Kìm quang học - từ đây định nghĩa là kìm

quang học tuyến tính (Linear optical tweezers-LOTW) là thiết bị quang học có

thể đồng thời giam giữ và di chuyển DMP trong không gian ra đời

[11],[13],[29],[33],[36],[40],[41],[54], [57],[66],[77],[87],[88],[105],[108].

Ngay sau khi ra đời, LOTW được đánh giá như một thiết bị trợ giúp hữu hiệu

trong nghiên cứu các đối tượng sinh học như tế bào sống, tế bào vi khuẩn, đặc

biệt các phân tử ADN [53],[57],[77],[87],[88],[103]. Bằng phương pháp điều

khiển điện - cơ (Electro-Mechanical Control Method-EMCM), có sự hỗ trợ của

máy tính, vết hội tụ của chùm laser, tức là tâm bẫy được quét trong không gian

một chiều [77], hai chiều [26],[33],[69] hoặc ba chiều [19],[107], DMP bị bẫy

cũng sẽ được điều khiển theo trong không gian đó.

Mặc dù đã có nhiều phương pháp như điện cơ EMCM, Điện-quang

(Electro-Optical Control Method-EOCM), Quang-cơ (Opto-Mechanical Control

Method-OMCM), Quang-âm (Acousto-Optical Control Method-AOCM), nhưng

cho đến nay phương pháp điều khiển toàn quang chưa được nghiên cứu và đưa

vào ứng dụng, ngoại trừ phương pháp điều khiển bằng hai chùm laser trong kìm

quang học sử dụng chất lưu Kerr (Kerr Fluid-KF) được đề xuất vào 2016 [94].

Năm 1997, Rometic Pobre và cộng sự [84] đã phân tích các đặc trưng của

lực bức xạ (Radiation force) sinh ra trong quá trình tương tác giữa chùm laser

Gauss (Laser Gausian Beam- LGB) không phân cực và vi hạt Kerr (Kerr

MicroParticle-KMP) không hấp thụ có chiết suất phụ thuộc bậc nhất vào cường

độ chùm tia. Các tính chất của lực bức xạ được xem xét như một hàm của công

suất chùm tia, khoảng cách dọc trục, bán kính của DMP, tỉ số chiết suất của

DMP và môi trường chung quanh. Các đặc trưng lực bức xạ thu được khi có

hiệu ứng Kerr đã được so sánh với lực bức xạ khi không có mặt hiệu ứng Kerr

(Kerr Effect-KE). Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tổng lực sẽ thay đổi, trong đó

có đóng góp quan trọng từ KE khi cường độ chùm bức xạ đủ lớn.

Sau đó 5 năm, các tác giả đã xác định đặc trưng của quang lực (Optical

Force - OF) của LGB hội tụ mạnh tác động lên KMP cứng, không hấp thụ

cộng hưởng [85]. Ngoài những kết quả chứng minh OF tăng lên khi tỉ số chiết

suất giữa DMP và môi trường lớn hơn 1, các tác giả còn chỉ ra sự đổi hướng

OF khi tỉ số chiết suất nhỏ hơn 1, tức là trong trường hợp này thay vì sử dụng

chùm laser dạng Hollow Gauss (Laser Hollow- Gaussian Beam-LHGB) nên

sử dụng LGB cho loại vi hạt này. Các tác giả cũng đã đề xuất kỹ thuật tạo OT

cho các KMP có tính phi tuyến yếu.

Mãi đến năm 2012, Hồ Quang Quý và cộng sự [42],[43] đã dẫn ra biểu

thức tính OF tác động lên KMP, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của cường độ

đỉnh (Peak intensity), bán kính mặt thắt (Beam waist’s radius) của LGB lên OF.

Các tác giả chỉ ra rằng, khả năng bẫy các KMP sẽ lớn hơn các DMP không nhạy

với KE. Đồng thời cũng chỉ ra rằng có thể sử dụng LGB để bẫy các DMP có

chiết suất nhỏ hơn chiết suất môi trường. Tiếp tục, các tác giả Hoàng Văn Nam

đã nghiên cứu OF tác động lên DMP trong môi trường Kerr mỏng [44]. Kết quả

cho thấy, KE đơn thuần trong môi trường chất lưu có thể làm giảm OF tác động

lên DMP, tuy nhiên, hiệu ứng tự hội tụ (Self focus effect- SFE) kèm theo có thể

tái phân bố LGB trong KF và kết quả sẽ tăng cường cường độ đỉnh và giảm bán

kính thắt chùm, vì thế tổng OF tác động DMP vẫn sẽ tăng lên đáng kể. Hơn nữa,

các tác giả phát hiện ra rằng nếu SFE xảy ra trong môi trường Kerr có độ dày

nhất định thì có thể điều khiển vi hạt trên trục chùm tia bằng cách thay đổi công

suất laser trung bình (Average power of laser beam-APoLB) của LGB thay vì

thay đổi cấu hình của kìm quang học, tức là thay hệ kính hiển vi (Mircoscope

Objectives-MO) có khẩu độ số (Numerical Aperture - NA) khác [96]. Như vậy,

các tác giả đã lần đầu tiên gợi ý kìm quang học phi tuyến (Nonlinear Optical

Tweezers - NOTW) điều khiển DMP bằng phương pháp toàn quang (all Optical

Control Method- aOCM).

Dựa trên một số kết quả công bố trong luận án tiến sĩ của Hoàng Văn

Nam, tác giả Thái Đình Trung và cộng sự [94] đã đề xuất aOCM để điều khiển

DMP gắn với phân tử ADN trong không gian 3D. Một NOTW sử dụng hai

nguồn laser, một trong đó có công suất yếu điều khiển vi hạt trong mặt thắt

chùm tia (không gian 2D) và nguồn còn lại có công suất lớn hơn sẽ điều khiển vi

hạt dọc theo trục laser (không gian 1D). Tuy nhiên, với cấu hình NOTW mà

Thái Đình Trung công bố trong luận án tiến sĩ của mình thì phương pháp điều

khiển DMP trong môi trường Kerr cũng phải sử dụng ít nhất hai yếu tố (hai

nguồn laser) giống như EMCM trước đây [27],[34],[70],[81],[107].

Năm 2017, trong luận án tiến sĩ của mình, tác giả Nguyễn Văn Thịnh đã

đề xuất một cấu hình mảng kìm quang học (Array of Optical Tweezers-

AoOTW) mới, trong đó sử dụng vật liệu quang âm (Acousto-optical material) và

sử dụng nguồn âm có tần số và cường độ phù hợp để tạo ra mảng vi thấu kính

(Array of microlens- AoML). Kết quả nghiên cứu AoOTW đã chỉ ra rằng, có thể sử

dụng duy nhất tần số sóng âm để điều khiển DMP trong không gian 3D.

Đề xuất của Nguyễn Văn Thịnh đã được các tác giả Hồ Quang Quý và

cộng sự áp dụng cho quá trình kéo căng phân tử ADN trong không gian 3 chiều

của chất lưu [95]. Kết quả cho thấy chỉ thay đổi tần số của sóng âm là có thể

kéo căng phân tử ADN mà không quan tâm đến quá trình thay đổi hướng của

lực đàn hồi (Elastic Force- EF) trong quá trình kéo.

Các công trình mới trên đây đã đề xuất những cải tiến cho LOTW ứng

dụng trong nghiên cứu các quá trình lý sinh (Biophysical process) của các đối

tượng sinh học (Bio objects). Mỗi NOTW đã nghiên cứu đều có những ưu điểm

riêng và bổ trợ cho nhau, tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.

- Với LOTW sử dụng KF có thể ứng dụng điều khiển DMP trong không

gian ba chiều, nhưng sẽ gặp khó khăn trong quá trình chọn môi trường Kerr phù

hợp với DMP có chiết suất khác và tính chất hóa, sinh khác nhau.

- AoOTW tránh được nhược điểm của NOTW sử dụng KF, tuy nhiên, một

lần nữa gặp phải khó khăn trong thực tế là cường độ sóng âm phải đạt giá trị cao

phù hợp nào đó.

Đến đây, một câu hỏi đặt ra là có phương pháp nào để tránh được hai

nhược điểm trên không?. Một ý tưởng hé mở, khi trong những năm gần đây,

rất nhiều chất màu hữu cơ có tính chất phi tuyến bậc ba cao đã được quan tâm

và nghiên cứu chế tạo.

Các chất khí thông thường như khí N2, O2, N2O, và Ar và chất lỏng như

nước (H2O), ethanol (C2H5OH), benzen (C6H6),…có độ phi tuyến bậc ba rất

thấp, hệ số chiết suất phi tuyến có giá trị dao động trong khoảng (10-2210-20)

cm2/W [55],[74]. Các vật liệu cổ điển này không thể ứng dụng để chế tạo các

thiết bị quang học như: xử lý tín hiệu toàn quang (All optical signal processor),

công tắc quang (Optical switch), xử lý ảnh quang (Optical image processor),

giới hạn quang (Optical limiter),…vì phải cần đến nguồn laser có công suất

cực cao [66],[112], [113], do đó, cần tìm kiếm các vật liệu có độ cảm phi tuyến

bậc ba cao hơn nhiều. Từ năm 2010 đến nay đã có rất nhiều vật liệu có hệ số

chiết suất phi tuyến (Nonlinear coefficient of Refractive index- NCoRI) cao

đến 10-6 cm2/W như tinh thể lỏng (Lquid crystals) [52], đặc biệt các chất màu

hữu cơ (Organic Dye-OD). Thuốc nhuộm Acid Blue [32], [65],

Mercurochrome [86], Paten Green [68], polyacrylamide: Orange G [37], Acid

Green 25 [89] và một số dung dịch thuốc nhuộm khác có hệ số chiết suất phi

tuyến dao động trong khoảng  (10-710-5) cm2/W. Thuốc nhuộm hữu cơ có

NCoRI âm đã được nghiên cứu ứng dụng chế tạo thiết bị hạn chế quang, đặc

biệt gần đây, đã được ứng dụng tạo màng bảo vệ cảm biến laser công suất cao

[2]. OD có NCoRI dương lớn là nhân tố gây nên hiệu ứng tự hội tụ (SFE)

mạnh được ứng dụng chế tạo khóa toàn quang [38].

SFE của lớp KF khi được chiếu bởi một LGB sẽ biến chính KF thành thấu

kính phi tuyến (Nonlinear lens-NL). Tiêu cự của NL phụ thuộc vào cường độ,

bán kính thắt chùm của LGB, chiều dày và NCoRI của KF [93]. Với các OD có

NCoRI lớn, hy vọng sẽ tạo ra được các vi thấu kính phi tuyến (Nonlinear

microlens-NML) có tiêu cự ngắn, trong vùng micromet khi sử dụng LGB có

cường độ nhỏ. NML này có thể so sánh với MO (hay vi thấu kính- microlens-

ML) có NA lớn. Xuất phát từ đây, ý tưởng sử dụng lớp OD để tạo ra NML trong

cấu hình NOTW và ứng dụng để điều khiển DMP trong không gian ba chiều bằng

cách thay đổi ApoLB đã được đề xuất và nghiên cứu trong luận án.

Trước khi trình bày cụ thể nội dung và kết quả luận án, một số khái niệm cơ

bản áp dụng trong quá trình nghiên cứu được trình bày ở các mục sau.

1.2. Quang lực tác động lên vi hạt

Năm 1970, trong công trình lý thuyết của mình, A. Ashkin đã khẳng định

có thể sử dụng áp suất bức xạ để tăng tốc (accelerate) và giam giữ (trap) các

DMP [7]. Xét trong vùng quang học, một phô tôn luôn có xung lượng:

⃗ ⃗⃗ (1.1)

trong đó, ħ là hằng số Planck, ⃗⃗ là véc tơ sóng

với số sóng | ⃗⃗| . Giả sử rằng một chùm ánh sáng đơn sắc tuyệt đối gồm

nhiều phôtôn có xung lượng như nhau chiếu vào một vi cầu (Microsphere), khi

đó, một số phôtôn phản xạ trên mặt, số còn lại sẽ khúc xạ hai lần giữa môi

trường ngoài và vi cầu Hình 1.1.

Qua các quá trình đó, xung lượng của phôtôn bị thay đổi, lượng thay đổi

đó sẽ truyền cho DMP [7]:

⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗ (1.2)

Sau khi nhận được xung lượng từ phôtôn, DMP có xung lượng ⃗⃗ . Như

vậy, DMP sẽ nhận được xung lượng từ hai quá trình trên.

a) b)

Hình 1.1 Xung lượng và lực do phản xạ (a) và khúc xạ (b) của ánh sáng chiếu

vào DMP có chiết suất lớn hơn chiết suất môi trường ( ) [10].

Theo định luật 2 Newton, nếu DMP nhận được xung lượng đó trong thời

gian thì nó chịu một quang lực ⃗ ⃗⃗ do đó DMP trong Hình 1.1 sẽ bị

tác động bởi hai lực do hiện tượng phản xạ ⃗ và khúc xạ ⃗ sau:

(1.3)

⃗

⃗⃗

Kết quả DMP sẽ chuyển động theo hướng lực tổng hợp. Nếu DMP được

chiếu bởi một laser hội tụ, khi đó, hướng lực do khúc xạ của N phô tôn tác động

lên DMP được xác định như biểu thức (1.4) và sẽ thay đổi phụ thuộc vào vị trí

⃗

của tâm DMP tương ứng với tiêu điểm như trên Hình 1.2.

(1.4)

⃗ =

Trong cả ba trường hợp trên Hình 1.2, lực tổng hợp ⃗ ⃗ ⃗ đều có hướng từ tâm của DMP tới tiêu điểm của thấu kính. Điều này có nghĩa là DMP

luôn luôn bị kéo vào tâm vết của một chùm laser, nếu tiêu điểm nằm trong không

gian chiếm giữ của DMP. Trong trường hợp tiêu điểm không nằm trong không

gian chiếm giữ của DMP, nhưng DMP vẫn bị chiếu bởi chùm laser thì OF vẫn tác

động lên nó, tuy hướng lực tổng phụ thuộc vào cường độ lực thành phần.

Chùm laser

Vi thấu kính Vi thấu kính

Vi thấu kính

Vi thấu kính Vi thấu

a c b

Hình 1.2 Hướng lực tác động lên DMP tương ứng vị trí

tương đối với tiêu điểm.

Hướng nào cường độ laser lớn, tức là mật độ phô tôn lớn, OF tác động lên

DMP sẽ lớn. Tổng hợp lực của chùm tia có phân bố gradient cường độ gọi là lực

gradient (Gradient Optical Force-GOF) Hình 1.3.

Dựa vào hướng tương tác của các OF tác động lên DMP của các tia laser

thành phần trong chùm laser đã trình bày trên, có thể khẳng định một chùm laser

hội tụ mạnh có thể gom và giam giữ các DMP tại tâm vết của nó. Hay nói cách

khác, một LGB có thể bẫy DMP có tỉ số chiết suất so với chiết

suất môi trường xung quanh tại tâm thắt chùm, trường hợp ngược lại, một LHGB

có thể giữ các DMP có tỉ số chiết suất tại tâm, nơi có cường độ

nhỏ nhất Hình 1.4 [24].

Như vậy, một chùm laser có gradient cường độ trong không gian sẽ tác

động lên DMP hai lực, lực tán xạ (Scattering Optical Force-SOF) hình thành do

hiện tượng tán xạ tia sáng trên mặt DMP (trong trường hợp kích đường kính

DMP lớn hơn bước sóng laser thì gọi là lực phản xạ) đẩy DMP chuyển động

theo chiều truyền lan của laser và GOF hình thành do biến đổi cường độ ánh

sáng trong không gian kéo DMP vào vùng có cường độ cao [97].

ộ đ

g n ờ ư C

Bán kính

Hình 1.3 GOF của LGB tác động lên vi cầu.

a b

Hình 1.4 a: LHGB bẫy hạt với m > 1; b: LHGB bẫy hạt với m < 1

Độ lớn của các lực này phụ thuộc vào thông số cấu hình chùm tia như:

bước sóng, bán kính thắt chùm, cường độ đỉnh tại tâm thắt chùm, thông số của

DMP như: Kích thước và chiết suất và chiết suất môi trường. Dựa vào tương

quan giữa bước sóng laser () và bán kính của DMP (a), OF được xét trong các

chế độ khác nhau. OF được xét trong chế độ quang hình nếu [3],[57], Mie

nếu [90] hay Rayleigh nếu [25],[62],[75],[76] với những sai số

khác nhau. Trong chế độ Rayleigh, lực gradient dọc (Longitudinal Gradient

Optical Force-LGOF) và lực gradient ngang (Transverse Gradient

Optical Force-TGOF) tác động DMP lưỡng cực điện (Dipolar) được xác

định như sau [66]:

(1.5)

trong đó, là cường độ laser có gradient trong mặt cắt và dọc trục,

là hệ số phân cực của DMP, là tọa độ dọc trục chùm tia

laser, là tọa độ hướng tâm trên mặt cắt ngang của LGB. SOF tác động lên DMP

được xác định như sau [9],[71],[110]:

(

(1.6)

)

) (

là hệ số tán xạ. trong đó

1.3. Bẫy quang học

Trên cơ sở các OF tác động lên DMP nhúng trong môi trường chất lưu (từ

đây chúng ta thống nhất rút gọn gọi là chất lưu), cấu hình nguyên lý đơn giản

nhất của OT được trình bày như trên Hình 1.5 cho DMP có chiết suất lớn hơn

chiết suất chất lưu (m > 1).

Một chùm laser mode TEM00 được hội tụ mạnh bởi một ML (hay một

MO) có NA lớn ( ) [7],[8]. NA càng lớn thì gradient cường độ sẽ càng

lớn và cường độ mạnh nhất sẽ tập trung ở tiêu điểm và như vậy các GOF sẽ càng

lớn. Việc chọn NA lớn cũng cần tương thích với tiêu cự của ML sao cho tiêu

điểm nằm trong không gian chất lưu, trong đó có chứa DMP cần bẫy.

Hình 1.5 Cấu hình nguyên lý tối thiểu của OT.

Trong thực nghiệm nghiên cứu y học, sinh học, thông thường chất lưu là

một lớp mỏng, có độ dày tương đương đường kính DMP. Từ công thức (1.5) và

(1.6), chúng ta thấy lực SOF nhỏ hơn nhiều so với GOF. Trong trường hợp

DMP nằm trên mặt mẫu thì SOF bằng không, do đó DMP luôn có xu thế được

kéo vào tâm thắt chùm của LGB (hay kéo vào tâm bẫy trên mặt phẳng 2D). Do

các GOF đối xứng tâm qua tâm bẫy (Trap Center-TC), nên DMP sẽ bị giam tại

TC. Tuy nhiên, khi DMP nhúng trong không gian chất lưu (3D) có chiều dày

đáng kể thì trong nhiều trường hợp GOF nhỏ do chùm tia hội tụ yếu khi sử dụng

ML có NA nhỏ và do đó DMP sẽ bị đẩy theo chiều truyền lan của chùm laser và

bị giam tại vị trí, tại đó quang lực gradient dọc (Longitudinal gradient optical

force- LGOF) cân bằng với SOF. Trong thực tế, để loại trừ hiện tượng này, cấu

hình OT sử dụng hai chùm tia cùng thông số truyền lan ngược chiều đã được áp

dụng [12],[40],[45],[46], khi đó tổng của SOF sẽ bằng không.

Để ứng dụng có hiệu quả trong nghiên cứu giam giữ các DMP, cấu hình

OT tối thiểu trong Hình 1.5 được bổ sung thêm các chi tiết phụ: Thiết bị dò

DMP ban đầu (gồm bàn sa trượt, giá đỡ mẫu, thị kính, đèn LED chiếu sáng); Hệ

mở rộng chùm laser tăng NA; Camera theo dõi quá trình dao động của DMP tại

TC; Nguồn ánh sáng phụ (LED) với ống chuẩn trực soi DMP hoặc kích thích

huỳnh quang của DMP và các chi tiết lái tia. Cấu hình chức năng đầy đủ của OT

trong thực nghiệm được thiết kế như trong Hình 1.6 [46],[53],[57].

Hình 1.6 Sơ đồ chức năng chi tiết cấu tạo OT sử dụng một chùm laser trong thực

nghiệm [53], [57].

Với cấu hình như trong Hình 1.6, chúng ta thấy OT chỉ có một chức năng

duy nhất là giam giữ DMP cố định tại TC, phục vụ cho mục đích khảo sát tĩnh

các đối tượng cần nghiên cứu. Trong trường hợp khảo sát động như trong quá

trình gom nhiều DMP vào một vị trí hay kéo căng phân tử DNA, khi đó cần di

chuyển DMP đến nhiều vị trí khác nhau trong không gian chất lưu thì cấu Hình

1.6 không thể sử dụng vì vết hội tụ của chùm laser cố định, do đó, cấu hình linh

động hơn được thiết kế với các chi tiết điều khiển vết hội tụ của laser và khái

niệm LOTW ra đời. Đến nay đã có một số mẫu LOTW khác nhau, được đặt tên

theo phương pháp điều khiển vết hội tụ của chùm laser hay theo cơ cấu sử dụng

điều khiển.

1.4. Một số kìm quang học sử dụng điều khiển vi hạt

1.4.1. Kìm quang học giao thoa

Vi hạt được LOTW điều khiển một chiều sử khi dụng hiệu ứng giao thoa

(interference optical tweezers- IOTW) được McDonald và cộng sự đề xuất vào

năm 2011 [70].

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của IOTW [70]

G - gương phản xạ 100%, L1,L2,L3 - thấu kính, BC - bản chia tia,

MZI - giao thoa kế Mach-Zehnder, GQ - gương lái tia, GD - gương tinh chỉnh

hiệu quang trình, VTK (ML) - vi thấu kính, BM - buồng chứa mẫu.

Chùm tia laser TEM00 trước khi đưa vào ML được chia thành hai chùm

con nhờ bộ chia kiểu giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI) Hình 1.7. Hai chùm tia

này sẽ giao thoa với nhau trên tiêu diện của VTK, tạo ra các vệt tối và sáng xen

kẽ nhau trong buồng mẫu (BM) hoặc trên mặt mẫu trùng với tiêu diện chùm

laser. Các DMP ứng với m > 1 (Xanh lục) nằm trên tiêu diện sẽ được giam ở vị

trí có cường độ mạnh nhất của vệt sáng, còn các DMP ứng với m < 1 (Xanh

nước biển) sẽ được giam ở vị trí có cường độ yếu nhất của vệt tối (Hình nhỏ

trong Hình 1.7). Bằng cách thay đổi hiệu quang trình trong hai nhánh của MZI,

độ rộng và số lượng vệt sáng trên mặt tiêu sẽ thay đổi. Trong cấu hình IOTW,

hai chùm sáng được lái (steer) vào vi thấu kính dưới góc mong muốn nhờ gương

quay (GQ), do đó các vệt sáng, tối sẽ dịch theo chiều vuông góc với chúng, khi đó

các DMP được giam giữ bởi các vệt đó sẽ dịch theo. IOTW có thể điều khiển hai

loại DMP theo một chiều trong không gian (Điều khiển 1D) nhờ gương quay điều

khiển bởi động cơ điện (Động cơ bước tinh).

1.4.2. Kìm quang học lệch tia quang-âm (AOTW).

Sơ đồ nguyên lý của AOTW được trình bày trên Hình 1.8 [34]. Dựa theo

nguyên lý lái tia cơ học, AOTW học điều khiển vi hạt 1D bằng thiết bị làm lệch

tia quang đã được chế tạo. Khi sóng âm truyền qua lớp môi trường quang-âm

mỏng thì chiết suất của nó biến điệu dạng hàm sin. Kết quả là lớp môi trường

quang-âm trở thành cách tử Bragg. Ánh sáng qua lớp môi trường này sẽ khúc xạ

ở các góc Bragg khác nhau, phụ thuộc vào tần số sóng âm.

Như vậy, chùm tia laser khúc xạ sẽ được ML vào các điểm khác nhau (các

tia khúc xạ lệch nhau) theo trục song song với phương truyền lan của sóng âm

khi thay đổi tần số nguồn sóng âm. Năm 2014, Tạp chí Networking for Better

Heaalth Care đã đưa ra thị trường AOTW sử dụng thiết bị lái tia dựa trên hiệu

ứng quang - âm [34].

1.4.3. Kìm quét tia laser hai chiều.

Theo nguyên lý lái tia, thay vì sử dụng một gương quay theo nguyên lý

tương tự như AOTW, Neuman và cộng sự [26] đã đề xuất sử dụng hai gương

quay theo hai chiều vuông góc với nhau nhờ hệ Galvo (mirror galvanometer) để

thiết kế LOTW điều khiển DMP trong không gian 2D Hình 1.9.

Hình 1.8 Kìm quang học AOTW [34]

Hình 1.9 OPTW sử dụng bộ quét tia Galvo [26].

Trước khi truyền qua hệ ML, chùm laser đi qua hai gương quay gắn với

hệ Galvo. Nhờ hệ Galvo mà hướng chùm tia laser sẽ thay đổi so với trục quang

của hệ ML và do đó, vị trí tiêu điểm của chùm tia được điều khiển trên tiêu diện

(MPT).

Bằng tín hiệu cơ hoặc điện, góc quay của hai gương trong hệ Galvo được

điều khiển, tiêu điểm của chùm laser quét dò tìm DMP trên mặt mẫu (MM). Sau

khi đã bẫy được DMP, cũng bằng nhờ hệ Galvo, mà DMP bẫy được điều khiển

đến vị trí mong muốn.

Tuy nhiên, sử dụng các phương pháp quét tia laser (Laser scanning) chỉ

có thể điều khiển vi hạt trong không gian 2D ứng dụng cho việc khảo sát đối

tượng trên mặt mẫu song song với tiết diện ngang của chùm laser. Câu hỏi đặt ra

là làm thế nào để có thể điều khiển DMP được nhúng sâu trong chất lưu dọc trục

chùm tia?

1.4.4. Mảng kìm thông minh

(Intelligent control technique optical tweezers-ICOTW)

Để trả lời câu hỏi trên, Tanaka và cộng sự [107] đã kết hợp giữa hệ Galvo

và hệ Telescope mở rộng chùm tia được điều khiển bởi máy tính. Cấu hình

ICOTW ra đời. Cấu tạo của ICOTW được trình bày trên Hình 1.10. Khác với

LOTW điều khiển 2D thông dụng, trong cấu hình này, một hệ quang gồm ba

thấu kính L1, L2 và L3 đặt trên đường truyền của chùm laser và xen giữa chúng

là hệ Galvo. Nhờ máy tính, khoảng cách giữa L1 và L2 thay đổi, tức là thay đổi

vị trí tiêu cự chung của hệ thấu kính L1 và L2 trên trục quang. Nhờ đó, tiêu điểm

trước L3 dịch chuyển trên trục chùm tia, kết quả vết hội tụ của chùm tia sau vi

thấu kính cũng thay đổi theo. Như vậy, kết hợp với máy tính, DMP được điều

khiển trong không gian 3D bằng ICOTW.

Tuy nhiên, trong thực tế, Tanaka và cộng sự chỉ có thể điều khiển các

DMP dịch chuyển theo trục laser một khoảng nhỏ hơn đường kính của DMP,

do đó, có thể nói ICOTW chỉ có thể điều khiển DMP trong không gian 2,5D.

Hạn chế trong điều khiển theo chiều dọc trục laser trong ICOTWchính là do

NA của ML là cố định không thể thay đổi. Như vậy, muốn điều khiển DMP

dọc trục cần phải thay đổi vị trí của hệ ML dọc trục.

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của ICOTW [38], [107]

1.4.5. Kìm quang học điều khiển vi hạt bằng bàn gốm áp điện.

Một kỹ thuật để dịch chuyển hệ ML dọc trục laser chưa được đề xuất,

thay vào đó, các chuyên gia công nghệ tập trung vào điều khiển vị trí của mặt

mẫu chứa DMP theo chiều dọc trục bằng công nghệ gốm áp điện (Piezoelectric

ceramic) thiết kế bàn nâng gốm áp điện (piezoelectric stage) (Hình 1.11)

[54],[80]. Về mặt nguyên lý hoạt động, cấu tạo của LOTW trong Hình 1.11

khác với cấu tạo của LOTW trong Hình 1.6 một chi tiết duy nhất, đó là bàn

gốm áp điện. Mục đích sử dụng bàn này không phải để điều khiển DMP bẫy tự

do dọc trục mà điều khiển vi hạt neo (Anchored bead) trong quá trình kéo căng

phân tử ADN (xem hình nhỏ).

Hình 1.11 LOTW điều khiển DMP dọc trục laser

sử dụng bàn gốm áp điện [80].

Nhờ bộ khuếch đại dòng, dòng điều khiển bàn thay đổi, mặt bàn sẽ dịch

chuyển trên trục chùm tia laser, khi đó DMP neo cũng di chuyển theo, cách này

tương đương với việc giữ nguyên DMP neo trên mặt mẫu và dịch chuyển DMP bẫy

theo TC (dịch chuyển tiêu cự chùm tia trên trục chùm tia). Như vậy, bằng EMCM

có sự hỗ trợ của máy tính, DMP bẫy được điều khiển trong không gian một chiều

[34],[70],[77],[80], hai chiều [26],[33],[69] hoặc ba chiều [19],[34],[54],[107]. Tuy

nhiên, khó khăn trong việc điều khiển vết hội tụ của laser dọc trục cũng có thể vượt

qua sau khi sử dụng các hiệu ứng phi tuyến vào trong cấu hình LOTW và aOCM

trong quá trình điều khiển DMP sẽ xuất hiện.

1.5. Kìm quang học phi tuyến

NOTW là LOTW đã trình bày ở mục 1.3, nhưng trong cấu hình cũng

như nguyên lý hoạt động có sự tham gia của KE. Năm 1997, Rometic Pobre và

cộng sự [84] đã phân tích các đặc trưng của lực bức xạ sinh ra trong quá trình tương

tác giữa LGB không phân cực và DMP không hấp thụ có chiết suất phụ thuộc bậc

nhất vào cường độ chùm tia (KE). Các tính chất của lực được xem xét như một hàm

của công suất chùm tia, khoảng cách dọc trục, bán kính của DMP, tỉ số giữa chiết suất

của DMP và môi trường xung quanh. Các đặc trưng lực đã được so sánh với lực bức

xạ khi không có KE. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tổng lực sẽ thay đổi, trong đó có

đóng góp quan trọng từ KE khi cường độ chùm tia đủ lớn. Sau đó 5 năm, các tác giả

đã xác định đặc trưng của OF của LGB hội tụ mạnh tác động lên KMP cứng, không

cộng hưởng [85]. Ngoài kết quả chứng minh OF tăng lên khi tỉ số chiết suất giữa DMP

và môi trường lớn hơn một (m > 1), các tác giả còn chỉ ra sự đổi hướng của OF khi tỉ

số chiết suất nhỏ hơn một (m < 1), tức là thay vì sử dụng LHGB, các tác giả đề xuất

sử dụng LGB cho các KMP này. Các tác giả cũng đã đề xuất kỹ thuật tạo LOTW khi

tính chất phi tuyến của DMP yếu.

KE được đề cập khi xem xét tỉ số chiết suất giữa DMP và môi trường

trong hệ số phân cực  và hệ số tán xạ :

(1.7)

(1.8)

(

)

Hai hệ số đặc trưng của DMP ảnh hưởng đến OF tương tác. Khi DMP

nhạy với KE, tức là khi NCoRI ( ) của vật liệu phi tuyến tạo nên DMP đủ lớn

(gọi là KMP- Kerr Microparticle) và chất lưu không nhạy với KE, tỉ số chiết

suất phi tuyến có thể được mô tả như sau:

(1.9)

Như vậy khi và rõ ràng các OF trong (1.5) và (1.6) sẽ lớn hơn

so với trường hợp DMP tuyến tính.

Trong trường hợp ngược lại, khi chất lưu là phi tuyến, nhạy với KE, còn

vi hạt không nhạy với KE, tỉ số chiết suất phi tuyến sẽ là:

(1.10)

Như vậy và rõ ràng các OF (1.5) và (1.6) sẽ nhỏ hơn so với

trường hợp chất lưu tuyến tính.

Ảnh hưởng của KE lên OF trong NOTW đã được H. Q. Quý và cộng sự

nghiên cứu chi tiết vào năm 2012 [42],[43]. Mẫu kìm quang học Kerr (NOTW)

được tác giả H. V. Nam đề xuất như trong Hình 1.12 được nhúng trong môi

trường tuyến tính hoặc DMP tuyến tính được nhúng trong KF. Trong mô hình

này, chiều dày của KF tương đương đường kính của DMP, do đó KE chỉ ảnh

hưởng đến tỉ số chiết suất m.

Hình 1.12 Mô tả mẫu NOTW hai chiều [4]

Với mẫu NOTW như trên hình 1.12 thì TGOF được xác định như sau

[42],[43],[44]:

(

⃗ (

⃗

)

(1.11)

(

)

⃗

(1.12)

(

Cho trường hợp chất lưu Kerr và cho trường hợp KMP

trong đó, phân bố cường độ LGB trên tiết diện ngang được mô tả bởi hàm Gauss

(1.13)

Với là cường độ đỉnh tại tâm thắt chùm. Qua các biểu thức (1.11) và (1.12) ta thấy TGOF tác động lên DMP phụ thuộc vào cường độ đỉnh, bán kính

thắt chùm laser và NCoRI. Với các tham số thực nghiệm, phân bố của TGOF

trên bán kính hướng tâm với các KF khác nhau được trình bày trên Hình 1.13 và

KP khác nhau trên Hình 1.14.

Qua Hình 1.13, có thể thấy rằng, OF giảm khi NCoRI của KF tăng và đến một giới hạn nhất định (n2  3.10-14 cm2/W), hướng của OF sẽ đổi chiều. Như

vậy, trong trường hợp này, NOTW có thể sử dụng cho vi hạt với m > 1 hoặc m <

1 phụ thuộc vào NCoRI của KF. Hiện tượng này sẽ không xảy ra đối với trường

hợp KMP Hình 1.14, khi mà OF tăng khi NCoRI tăng. Như vậy, OTE, Q =

Fc/nmP [3] sẽ lớn hơn đối với các KMP. Cũng trong luận án của mình, tác giả H.

V. Nam đã đề xuất sử dụng KF có độ dày lớn trong thiết kế NOTW [4]. Với cấu

hình như trong Hình 1.15, tác giả đã chỉ ra rằng, SFE sẽ xảy trong KF khi chùm

laser có công suất đủ lớn, khi đó KF sẽ trở thành NML.

2/2 = 2mJ, W0 =1μm, với các Hình 1.13 Phân bố TGOF trên trục hướng tâm, U = .I0W0 NCoRI khác nhau của KF: n2 =2. 10-14 cm2/W (màu xanh đậm), n2 = 3.10-14 cm2/W (màu đỏ), n2 = 4.10-14 cm2/W (màu vàng), n2 = 6. 10-14 cm2/W (màu xanh nhạt) [4].

Kết quả là LGB ban đầu sẽ tái phân bố và mặt thắt chùm tia sẽ dịch dần

về phía mặt vào của KF khi công suất laser tăng. Dựa theo ma trận truyền của

tia sáng qua lớp chất lưu chia thành m lớp mỏng, biểu thức tính tiêu cự của

* (

NML sau lớp KF thứ i được dẫn ra như sau:

(1.14)

trong đó, là độ dày của lớp KF mỏng thành phần, i là thứ tự lớp KF

thành phần, là chiều dài Rayleigh của LGB ban đầu. Sử dụng biểu thức (1.14),

tác giả đã khảo sát sự phụ thuộc của tiêu cự của NML phụ thuộc vào các tham số

của chùm laser, độ dày của chất lưu và NCoRI, trên cơ sở đó khảo sát tái phân bố

của LGB và cuối cùng khảo sát sự phân bố LGOF trên trục laser Hình 1.16.

2/2 = 2 mJ , W0 = 1 μm, với Hình 1.14 Phân bố TGOF trên trục hướng tâm, U = .I0W0 các NCoRI khác nhau của KP: n2 = 1. 10-14 cm2/W (màu đỏ, liền); n2 = 2. 10-14 cm2/W (đường chấm màu xanh); n2 = 3. 10-14cm2/W (vạch, màu đen) và n2 = 4. 10-14 cm2/W (chấm-vạch, màu da trời) [4].

Hình 1.15 Mẫu NOTW với KF dày [4],[99]

Hình 1.16 LGOF tổng trên trục chùm tia với các trường hợp: a) ; b) ; c) [99]. Từ khảo sát phân bố LGOF trên Hình 1.16, tác giả đã rút ra kết luận rằng,

thay vì tăng NCoRI (n2), tăng công suất laser sẽ dịch chuyển tâm bẫy, tại đó

LGOF bằng không về phía đầu vào của chất lưu. Kết quả trong công trình [4],

[99] của H. V. Nam và nhóm tác giả đã được Thái Đình Trung cùng cộng sự áp

dụng để đề xuất thiết kế NOTW Hình 1.17 ứng dụng điều khiển DMP dọc trục

bằng cách tinh chỉnh công suất laser trong quá trình kéo căng phân tử ADN [94].

Trong cấu hình của NOTW Hình 1.17, ngoài nguồn laser yếu sử dụng như

trong LOTW với mục đích bẫy và kéo căng phân tử ADN trong tiết diện ngang của

chùm tia [96], còn có nguồn laser mạnh sử dụng tạo ra hiện tượng SFE trong KF với

mục đích điều khiển DMP bẫy gắn với một đầu của phân tử ADN theo trục dọc.

Hình 1.17 NOTW ứng dụng điều khiển 3D [94].

Trong công trình của mình, các tác giả đã khẳng định lại hiện tượng phân

bố lại cường độ laser và LGOF trong không gian pha (z,) với APoLB khác nhau

Hình 1.18. Đồng thời, dựa vào các thông số thiết kế, các tác giả đã khảo sát cụ

thể về sự phụ thuộc của điểm ổn định của DMP bẫy trên trục dọc khi tinh chỉnh

APoLB cho một mẫu NOTW với các thông số xác định Hình 1.19 [6],[94]. Như

vậy, cho đến năm 2017, các tác giả H. Q. Quý, H. V. Nam và Thái Đình Trung

cùng nhóm tác giả đã nghiên cứu về NOTW và lần đầu tiên gợi ý và khẳng định

phương pháp điều khiển điều khiển DMP bằng aOCM.

Hình 1.18 Phân bố lại cường độ của laser (a, d, g); Phân bố LGOF (b, e, h), Vị trí TC (c,

)

m µ ( z c ụ r t

o e h t

h n ị đ

n ổ í r t ị

f, i) với APoLB khác nhau: 1kW (a, b, c), 1.4kW (d, e, f) và 2.2kW (g,h,i) [94].

Công suất laser(kw)

Hình 1.19 Sự phụ thuộc của vị trí cân bằng dọc trục vào APoLB [72].

1.6. Kết luận chƣơng 1

Phát hiện về áp lực của ánh sáng đã mở ra hướng nghiên cứu chế tạo và ứng

dụng OT giam giữ và tập trung các DMP, ứng dụng trong nghiên cứu khoa học,

công nghệ, đặc biệt góp phần vào chế tạo bẫy quang-từ trong nghiên cứu làm lạnh

phân tử. OT được phát triển thành LOTW khi bổ sung thêm các chi tiết điều khiển

vết hội tụ chùm laser, tức là điều khiển các DMP bẫy trong không gian. Dựa trên

nguyên lý quét tia, một số mẫu LOTW đã được đề xuất chế tạo và ứng dụng điều

khiển các DMP trong không gian 1D, 2D và 3D với sự trợ giúp của máy tính bằng

EMCM, AOCM. Trong những năm gần đây, ảnh hưởng của KE xảy ra trong KMP

và KF lên OF của LOTW đã được nghiên cứu. Ngoài việc, bước đầu khẳng định

tăng OTE, các tác giả đã khẳng định SFE kèm theo sẽ ảnh hưởng đến phân bố

chùm laser trong chất lưu có độ dày đủ lớn, khi đó, phân bố LGOF sẽ thay đổi và

TC sẽ dịch chuyển dọc trục chùm laser. Với khả năng này, phương pháp điều khiển

DMP trong không gian 3D bằng cách tinh chỉnh công suất laser đầu vào hay

aOCM đã được đề xuất.

Từ các phân tích trên có thể khẳng định, aOCM trên cơ sở NOTW có ưu

điểm vượt trội so với các phương pháp khác ở khía cạnh cấu hình của NOTW,

tức là giảm bớt các linh kiện điện-cơ với yêu cầu độ chính xác cao.

Tuy nhiên, NOTW không tránh khỏi một số hạn chế khi xét đến đối tượng

nghiên cứu và quá trình thao tác trên các đối tượng nghiên cứu đó. Cụ thể:

Không thể sử dụng duy nhất một KF cho tất cả các chủng loại DMP khác nhau;

Độ dày của KF không thể thay đổi phù hợp với không gian mà trong đó DMP

cần điều khiển với ML có NA xác định. Những hạn chế trên chính là câu hỏi đặt

ra và là ý tưởng cho nội dung nghiên cứu về NOTW sử dụng màng OD trình bày

trong các chương tiếp theo.

Chƣơng 2

KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN SỬ DỤNG MÀNG

CHẤT MÀU HỮU CƠ

Chương này trình bày mẫu kìm quang học phi tuyến sử dụng chất màu

hữu cơ có đặc tính phi tuyến bậc ba cao như một vi thấu kính phi tuyến phụ;

khảo sát sự phụ thuộc của tiêu cự vi thấu kính phi tuyến vào các thông số của

chùm laser và bản thân màng mỏng; bình luận về bộ tham số thiết kế kìm quang

học phi tuyến cho một số ứng dụng cụ thể, dẫn các biểu thức về phân bố cường

độ laser và quang lực trong gian pha (,z); ảnh hưởng của các thông số lên phân

bố quang lực.

2.1. Các chất màu hữu cơ phi tuyến cao

Như chúng ta đã biết, môi trường đồng nhất, đẳng hướng như khí, lỏng

có độ cảm phi tuyến bậc ba đối với trường điện từ, tuy nhiên các chất khí thông

thường như N2, O2, Ar, … và chất lỏng như nước (H2O), ethanol (C2H5OH),

benzen (C6H6),… có độ phi tuyến rất thấp, NCoRI của chúng có giá trị trong khoảng (10-2210-20) cm2/W [55], [74]. Chiết suất tuyến tính của các môi trường

này dao động trong khoảng từ 1 (khí Acetone, n = 1,0001) đến 1,7 (Methylene

iodine, n = 1,737). Do đó, để thành phần chiết suất phi tuyến có đóng góp đáng

kể trong KE, ít nhất cỡ 1% thì cường độ laser phải đạt đến khoảng

(10201018)W/cm2. Điều này có thể đạt được với công nghệ hiện nay, tuy nhiên

chỉ đối với laser xung cực ngắn, ví dụ laser Ti:Sapphire năng lượng 15J phát xung 15fs được hội tụ mạnh đến công suất 1021 W/cm2 [59],[109], còn đối laser

xung lớn và liên tục thì khó đạt được. Mặc dù vậy, khó khăn này đã được vượt

qua khi nhiều vật liệu phi tuyến bậc ba cao được nghiên cứu, chế tạo như: Tinh

thể lỏng (Liquid crystals) [52],[82], vật liệu tổng hợp (Polimers) [51], OD

[32],[37],[65], [68], [86], [90],…có NCoRI đạt tới (10-710-5) cm2/W, tăng đến khoảng 1015 lần so với các chất khí lỏng truyền thống.

Acid Blue 29 có đặc trưng phi tuyến trung bình trong nhóm OD với NCoRI trung bình khoảng 10-6 cm2/W đối với laser bước sóng 632 nm [32],[65],[66]. Cấu

trúc hóa học và công thức phân tử được trình bày trong Hình 2.1 [37],[65],[68],

[86],[89].

C22H14N6Na2O9S2

Hình 2.1 Cấu trúc hóa học và công thức phân tử của Acid Blue [48].

Bột màu Acid blue được hoà tan trong Ethanol và sau đó pha trộn với

methyl methacrylate để tạo màng. Với nồng độ pha trộn khác nhau thì NCoRI

thay đổi và hệ số hấp thụ và vùng phổ hấp thụ thay đổi [3]. Luận án đã sử dụng

kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả trước và sử dụng màng Acid Blue có NCoRI [60], chiết suất tuyến tính , hệ số hấp thụ ở bước sóng khoảng . 0-8 mm/W [3].

2.2. Đề xuất mẫu kìm quang học phi tuyến

Mẫu NOTW được đề xuất như Hình 2.2. Khác với LOTW thông dụng,

trong đó bao gồm nguồn sáng dọi và kích thích huỳnh quang (LED), chi tiết ghi

lại quá trình động và phổ hình quang của DMP (CCD Camerra), đầu dò vị trí

ban đầu của DMP và buồng chất lưu nhúng DMP, ở đây thay vì ML có NA lớn

được thay thế bởi hệ gồm một ML có NA nhỏ và một màng mỏng OD phi tuyến.

ML có NA nhỏ có nhiệm vụ hội tụ chùm laser TEM00 ban đầu vào màng OD. Vì

màng này có đặc tính phi tuyến bậc ba cao, nên chùm tia laser truyền qua nó sẽ

được tái phân bố lần thứ hai trước khi truyền vào buồng chứa chất lưu. Trong

thiết kế này, các thông số sẽ được chọn sao cho vết chùm tia laser hội tụ nằm

trong không gian buồng chất lưu. Trong mẫu này, giả thiết chất lưu và DMP

được chọn sao cho tỉ số chiết suất m > 1, tức là DMP sẽ được bẫy và điều khiển

bởi LGB. Bộ góp (Condenstor) có nhiệm thu hồi ánh sáng khúc xạ từ vi hạt dẫn

vào đầu dò vị trí của DMP. Nhờ đầu dò này, mà dao động của DMP xung quanh

tâm kìm được xác định, nhờ đó có thể xác định độ bền của NOTW.

Hình 2.2 Cấu hình NOTW

2.3. Nguyên lý hoạt động

NOTW này hoạt động dựa trên SFE. Một LGB có công suất đủ lớn chiếu

vào lớp màng mỏng OD phi tuyến thì KE sẽ xảy ra và kết quả lớp màng này trở

thành một NML. Chính NML này sẽ tái hội tụ LGB vào tiêu điểm của nó. Do bị

hội tụ nên chùm laser sẽ có phân bố lại trong không gian của buồng chất lưu so

với phân bố ban đầu Hình 2.3. Nói cách khác, mặt thắt của LGB lúc này trùng

với vết hội tụ. Theo nguyên lý hoạt động của OTW, các DMP nhúng trong chất

lưu sẽ được gia tốc bởi OF của chùm laser và bị bẫy tại tâm vết chùm tia, tức là

các DMP bị giam tại TC. Đối với LOTW sử dụng ML có tiêu cự xác định nên

vị trí của TC cố định, DMP được giữ ổn định tại vị trí đó và chỉ có thể điều

khiển trong không gian khi tiêu điểm của ML thay đổi bằng các phương pháp đã

nói ở mục 1.3, chương 1. Ở đây, NML có tiêu cự phụ thuộc vào các tham số của

chùm laser và màng mỏng của OD phi tuyến, nên tiêu cự của nó là động trên

trục chùm laser, có thể thay đổi khi thay đổi các tham số trên. Do đó, DMP sau

khi được bẫy, có thể điều khiển trên trục chùm tia laser, tức là trục z trong

không gian pha (,z) Hình 2.3. Như vậy, với các đặc trưng màng xác định, cấu

trúc ban đầu của chùm laser cố định, tiêu cự của NML thay đổi được bằng cách

tinh chỉnh công suất chùm laser và do đó NOTW này có thể điều khiển vi hạt

bằng aOM.

Hơn nữa, khi tiêu cự của NML thay đổi, phân bố cường độ laser và OF

tác động lên DMP trong không gian pha (,z) cũng thay đổi theo. Sự thay đổi

này sẽ làm thay đổi một số đặc trưng của NOTW như: không gian bẫy (Trap

Region- TR), OTE, thời gian điều khiển DMP trong không gian pha (,z), …

Khảo sát ảnh hưởng của các tham số thiết kế lên các đặc của NOTW là nội dung

nghiên cứu trình bày trong các mục tiếp theo.

2.4. Tiêu cự của thấu kính phi tuyến

KF là môi trường điện môi có chiết suất phụ thuộc vào cường độ laser.

Theo Saleh [93], sau khi được chiếu bởi chùm laser có cường độ ,

chiết suất của môi trường phi tuyến Kerr được biễu diễn bởi biểu thức sau:

(2.1)

trong đó, là chiết suất tuyến tính, là NCoRI.

Khi được chiếu bởi chùm laser mode TEM00 có phân bố Gauss trên tiết

diện ngang được cho bởi biểu thức:

(

* (2.2)

trong đó, là bán kính thắt chùm, là cường độ đỉnh tại tâm thắt chùm, là

bán kính hướng tâm của chùm tia Hình 2.3, khi đó chiết suất Kerr trong (2.1)

được mô tả lại như sau :

(2.3) (

Từ biểu thức (2.3) chúng ta nhận thấy, KF với độ dày nhất định sẽ là môi

trường GRIN (Graded Index). Với giả thiết, năng lượng laser tập trung chủ yếu

ở trục chùm tia, do đó sử dụng gần đúng cận trục (Paraxial approximation) phân

bố cường độ laser trong biểu thức (2.2) có thể biến đổi sang dạng sau [5],

[47],[78]:

* (

(2.4) (

Sau khi thế (2.4) vào (2.3), chúng ta nhận được:

*

(

* (

(2.5)

trong đó,

và √

Phương trình (2.5) biễu diễn đúng cho chiết suất của khối GRIN phẳng

[93] với hai tham số đặc trưng N0 và , do đó khối này sẽ trở thành NML mỏng

có tiêu cự được xác định như sau:

√

. √

(2.6)

Hình 2.3 Biễu diễn các tham số của LGB và vị trí DMP trong gian pha (,z).

Với điều kiện , biểu thức tiêu cự 2.6 được rút gọn như sau:

(2.7)

Như chúng ta nhận thấy trong hai biểu thức (2.6) và (2.7), là đại

lượng không thứ nguyên, do đó có thể được xem như là một thông số đặc trưng

cho OD khác nhau, nghĩa là có thể chọn cường độ laser có phù hợp với NcoRI

giá trị của OD sao cho .

Khảo sát ảnh hưởng của công suất laser trung bình,

và độ

dày màng lên tiêu cự thấu kính của màng Acid Blue như một ví dụ mà không

mất đi tính tổng quát.

Hình 2.4 Tiêu cự của các lớp màng có độ dày khác nhau phụ thuộc APoLB (bán kính thắt chùm , NCoRI ) [78] Từ Hình 2.4, rõ ràng rằng tiêu cự giảm khi độ dày màng và APoLB tăng.

Điểm quan trọng rút ra ở đây là có thể chọn một giá trị công suất hợp lý sao cho

NML có NA lớn. Ví dụ từ kết quả khảo sát cụ thể trên Hình 2.5, khi APoLB tinh

chỉnh đến 125 mW thì tiêu cự của NML đạt giá trị 0,004 cm, do đó, suy ra khẩu

độ , là giá trị đủ cao để thiết kế NOTW

bẫy các DMP [1]. Giá trị NA sẽ tăng lên (>1) khi chúng ta tinh chỉnh tăng

APoLB lớn hơn 125 mW.

NML hình thành do LGB truyền qua màng mỏng Acid Blue quay trở lại tác

động làm cho chính chùm tia laser tái phân bố cường độ trong không gian.

Hình 2.5 Tiêu cự của màng có độ dày được chiếu bởi LGB có

APoLB thay đổi trong khoảng (90160) mW

( , .) [78].

2.5 Tái phân bố cƣờng độ trong không gian pha (,z) của chùm laser Gauss

Nghiên cứu chùm laser có bước sóng sau khi được hội tụ yếu bởi ML

đầu vào, trở thành LGB có bán kính thắt chùm, xác định ở mặt vào của

màng, tức là mặt vào của NML. Sau khi truyền qua NML, chùm laser vào sẽ

biến dạng, bán kính thắt chùm sẽ thay đổi thành và được tính như sau [93]:

(2.8)

Thắt chùm hình thành tại tọa độ tính từ mặt ra của NML. Cường độ

của chùm laser sẽ phân bố lại trong không gian pha và được biểu diễn như

) (2.9)

(

( )

trong đó,

] (2.10)

)

√[ (

Và

(2.11)

tương ứng là bán kính tiết diện ngang của chùm laser tại tọa độ và độ dài

Rayleigh của LGB đã tái phân bố.

Sau khi thế (2.8), (2.10) và (2.11) vào (2.9) chúng ta nhận được biểu thức

(

( )

)

[ (

tường minh của cường độ:

, (2.12) ]

)

(

Sử dụng các thông số: , , và vào

công thức (2.12).

được khảo sát bằng số với các giá trị

Phân bố cường độ trong không gian pha giới hạn:

khác nhau của công suất laser trung bình, , được thể

hiện trong Hình 2.6. Từ Hình 2.6 có thể nhận thấy rằng, bán kính thắt chùm

giảm, vị trí thắt chùm lùi về phía mặt đầu ra của màng OD khi công suất

laser trung bình tăng. Điều quan trọng là khi công suất laser trung bình tăng lên

thì cường độ tăng lên và dồn vào xung quanh tiêu điểm. Ngoài ra chúng ta cũng

có thể thấy gradient cường độ tăng khi công suất laser trung bình tăng. Đây là

yếu tố quan trọng dẫn đến việc tăng quang lực tác động lên vi hạt.

Hình 2.6 Phân bố cường độ laser trong không gian pha (

) với APoLB khác nhau: P = 1 mW (a), P =2 mW (b), P = 3 mW (c) và

P = 4 mW (d) [78].

2.6. Quang lực dọc tác động lên vi hạt điện môi

Như đã trình bày trong mục 2.3, nguyên lý hoạt động của NOTW đã đề xuất

chủ yếu là điều khiển dọc trục, do đó trong mục này, chỉ quan tâm đến LGOF và sự

biến dạng của nó khi thay đổi công suất laser trung bình. Từ Hình 2.6 có thể thấy

với công suất laser trung bình phù hợp thì gradient cường độ sẽ đạt độ cao đủ bẫy

các DMP môi nhúng trong chất lưu bằng LGOF. Sau khi thay (2.12) vào (1.5) và

(1.6) (chương 1), chúng ta nhận được biểu thức của LGOF như sau:

)

[

)

(

)

{ (

] }

)

( (

[

] 0

1 (2.13)

(

, (

)

, (

(

Sử dụng (2.13), quang lực dọc tổng tác động lên vi hạt Polystyrene có bán

kính , chiết suất nhúng trong nước có chiết suất

[88, 92] được khảo sát bằng số. Trên Hình 2.7 là phân bố quang lực

dọc trong không gian pha (z,) khi công suất laser trung bình thay đổi

Khi đó quang lực đạt giá trị khoảng từ 10 pN đến 100 pN, là giá trị đủ cao

để có thể bẫy các DMP với kích thước trong vùng nanômét [7]. Hướng của

quang lực dọc đối xứng qua tâm tại tọa độ cách mặt ra của màng OD một khảng

bằng tiêu cự của NML, . Bởi vì phân bố cường độ laser trên tiết diện

ngang chùm tia là một hàm Gauss Hình 2.8, do đó DMP luôn luôn bị kéo vào

trục chùm laser và sau đó vào TC.

Điều này được thể hiện rõ hơn, khi khảo sát phân bố LGOF tác động lên vi

hạt trên trục chùm tia trong khoảng từ mặt ra của vi thấu kính, .

Hình 2.7 Phân bố của LGOF trong không gian pha ( ) với các giá trị khác nhau của APoLB.

Hình 2.8 Phân bố của LGOF tác động lên DMP tại trục chùm tia với các giá trị khác nhau của APoLB.

Trong Hình 2.8 là quang lực dọc được khảo sát với công suất trung bình

laser khác nhau. Phân bố quang lực dọc trên Hình 2.9 cho chúng thấy khi công

suất laser trung bình được chỉnh tăng lên thì quang lực đỉnh cũng tăng theo.

Đồng thời hai vị trí, tại đó quang lực đạt cực đại (giá trị tuyệt đối cực đại) tiến

gần mặt ra của NML và càng gần TC hơn tại đó

Hình 2.9 Hình thành TC trên trục chùm laser.

Điều đó có nghĩa là chiều rộng của TR ổn định, là khoảng cách giữa hai

cực đại Hình 2.10 cũng ngắn hơn, điều đó cho ta thấy DMP dễ bị bẫy và sẽ ổn định

hơn khi APoLB tăng lên. Mặt khác, các vị trí đó tiến gần hơn về phía mặt ra của

NML. Hay nói cách khác, khi tiêu cự của NML ngắn hơn thì các DMP sẽ được

bẫy tại vị trí gần mặt ra của màng OD phi tuyến và được giữ ổn định hơn.

Một điểm đáng quan tâm từ Hình 2.9, APoLB chỉ tăng lên một lượng

khoảng , nhưng tiêu cự vi thấu kính có thể giảm một đoạn , khoảng lần dài hơn đường kính của DMP, . Điều này cho phép chúng ta điều khiển tinh

DMP trên trục laser bằng cách thay đổi một lượng rất nhỏ của APoLB.

Có thể rút ra rằng, một mảng mỏng Acid blue có độ dày

được chiếu bởi LGB có bán kính thắt chùm và APoLB cỡ

miliwat có thể được sử dụng để bẫy DMP có bán kính . DMP này có

thể được điều khiển dọc trục laser bằng cách tinh chỉnh APoLB.

Hình 2. 10 Xác định vùng bẫy và ổn định của DMP trên trục laser.

NOTW có thể thiết kế với các OD phi tuyến khác nhau, có NCoRI nhỏ

hơn, hay .

Trong trường hợp này, cần sử dụng laser có APoLB trong vùng hàng chục

hoặc hàng trăm mW. Từ công thức tính (2.12), ba tham số , và trong tích

đóng vai trò quan trọng tương đương nhau và liên kết với nhau cùng ảnh

hưởng đến LGOF và đến việc chọn phù hợp khoảng thay đổi của APoLB. Do

đó, điều cần thiết không chỉ lưu ý đến bán kính thắt chùm mà còn đến tất cả các

tham số của màng mỏng trong quá trình thiết kế NOTW phục vụ điều khiển vi

hạt bằng APoLB.

2.7. Kết luận chƣơng 2

Trên cơ sở nguyên lý điều khiển DMP bằng LOTW và tính chất phi tuyến

bậc ba cao của các OD, một mẫu NOTW đã được đề xuất. Khả năng ứng dụng

của NOTW này để bẫy và điều khiển dọc các DMP nhúng trong chất lưu bằng

aOCM có thể khẳng định thông qua các kết quả đã khảo sát. Các biểu thức mô tả

sự phụ thuộc của tiêu cự của NML, phân bố cường độ laser cũng như LGOF tác

động lên DMP trong không gian đã được dẫn ra. Các đặc trưng của NOTW đã

được khảo sát số cho trường hợp sử dụng màng chất màu hữu cơ Acid Blue có NcoRI và độ dày được chiếu bằng một LGB có bán kính thắt chùm , bước sóng và công suất

trung bình . Kết quả khẳng định DMP Polystyrene bán kính

, chiết suất nhúng trong nước có chiết suất có

thể được bẫy với LGOF và có thể điều khiển dọc theo trục laser

trong một khoảng bằng cách thay đổi APoLB từ lên . Khả

năng sử dụng các OD phi tuyến khác cũng được bình luận và đề xuất thiết kế

NOTW. Kết quả nghiên cứu được công bố trên công trình [CT1].

Rõ ràng, đối với các DMP tự do (không có lực tác động ngoài), NOTW

có thể bẫy và điều khiển, tuy nhiên, tính đa năng trong ứng dụng còn phụ thuộc

vào nhiều yếu tố, như OTE ảnh hưởng đến độ ổn định của DMP, độ bền của

kìm, kích thước không gian điều khiển, đặc biệt đối với ứng dụng kéo căng phân

tử ADN trong lĩnh vực sinh học và hiệu suất bẫy. Những vấn đề này sẽ được

trình bày trong các chương sau với mục đích khẳng định tính khả dụng của

NOTW đã đề xuất.

Chƣơng 3

HIỆU SUẤT BẪY CỦA KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN

SỬ DỤNG MÀNG CHẤT MÀU HỮU CƠ

Chương này trình bày về hiệu suất bẫy (OTE), một số phương pháp tăng

OTE, khảo sát OTE của kìm quang học phi tuyến (NOTW) và bình luận về nâng

cao OTE trong quá trình điều khiển vi hạt điện môi (DMP).

3.1 Hiệu suất bẫyquang

Độ chính xác trong quá trình điều khiển các DMP là rất quan trọng, phụ

thuộc vào độ ổn định của nó trong bẫy. Mặt khác, độ ổn định của DMP lại phụ

thuộc vào OTE [15], [51], [55], một đại lượng mô tả hiệu suất biến đổi từ cường

độ laser sang OF tác động lên DMP, được xác định như sau [7]:

(3.1)

trong đó, Q là OTE, c là vận tốc ánh sáng, F là quang lực, nm là chiết suất chất

lưu và P là công suất trung bình của laser. Sử dụng biểu thức tính LGOF trong

(1.5), biểu thức tính OTE được cụ thể như sau:

(

(3.2)

)

khi đó,

Sử dụng công thức tính APoLB của LGB,

gradient cường độ có thể mô tả bởi:

(3.3)

trong đó hàm mô tả dạng phân bố của cường độ laser trên trục z. Sau

khi thay (3.3) vào (3.2) chúng ta nhận được:

(

)

(3.4)

Từ (3.4) ta nhận thấy rằng, OTE có thể tăng lên khi tăng giá trị hàm , tỉ số chiết suất m và kích thước a của DMP. Xuất phát từ đây, nhiều phương pháp nâng cao OTE cho LOTW như chọn chất lưu [65] sao cho phù hợp

với DMP hoặc bọc màng cho DMP để tăng chiết suất [56 ], tức là tăng tỉ số m, hoặc chọn ML có NA cao [7], [16], [39], [60] để tăng giá trị của . Điều đáng tiếc là LOTW thông thường đã được thiết kế với các thông số xác định thì OTE chỉ có thể cải thiện bằng cách sử dụng chất lưu chiết suất thấp hoặc bọc màng chiết suất cao cho DMP. Với mục đích này, cấu hình LOTW sử dụng KMP hoặc KF đã được đề xuất [28], [43], [103]. Tuy nhiên, với những cấu hình đã đề xuất đó thì OTE tăng không đáng kể vì không cải thiện được gradient cường độ laser, tức là không tăng được giá trị của hàm , yếu tố chính đóng góp vào OTE, ngoại trừ NOTW sử dụng KF có độ dày đủ lớn có thể tái biến đổi cấu trúc LGB nhờ SFE [44]. Phần sau đây của luận án sẽ khảo sát OTE cho NOTW.

3.2. OTE của NOTW

(

)

Sử dụng kết quả đã trình bày trong chương 2, chúng ta dẫn biểu thức phân bố của LGOF , và TGOF ngang trong không gian pha như sau:

[

(

)

]

(

{ (

)

}

( ) )

( )

Fg,r( ,z)→

{ (

)

}

{ (

)

}

] [ ] (3.5)

* (

( )

)

(

)

(

2 (

)

0 (

( )

(3.6)

(

)

0 (

( )

(

)

[ * (

trong đó, các tham số đã được giải thích trong chương 2. Sử dụng (3.5) và (3.6) vào

(3.2), ta nhận được các biểu thức mô tả phân bố của OTE của LGOF:

)

Fg,r( ,z)→

( [ (

)

]

(

2 (

)

( ) )

( )

2 (

)

2 (

)

* (

(

( )

[

]

[

]

(3.7)

(

)

]

{ (

[ (

} (

và hiệu suất bẫy của TGOF trong không gian pha .

(

)

0 (

( )

)

( Từ (3.7) và (3.8) ta nhận thấy, ngoài các thông số mà OTE của LOTW

(3.8)

phụ thuộc thì OTE của NOTW còn phụ thuộc vào công suất laser trung bình.

và tất . Rõ ràng đối với NOTW, yếu

Chính APoLB tác động chính vào việc thay đổi phân bố quang lực trong không

gian, thông qua việc thay đổi bán kính thắt chùm laser, nhiên thay đổi độ dài Rayleigh

tố tác động làm thay đổi OTE được tăng lên và ở đây APoLB có vai trò quan

trọng.

Cũng từ các biểu thức (3.7) và (3.8), chúng ta cũng thấy rằng, đối với một

NOTW đã thiết kế và chế tạo, tất cả các thông số như: NA của ML, bán kính

thắt chùm của LGB, chiết suất của KF, chiết suất và kích thước của DMP và

chiết suất và độ dày của màng OD đã được xác định, do đó, OTE chỉ có thể thay

đổi phụ thuộc duy nhất vào APoLB. Trong mục sau đây, chúng ta sẽ khảo sát cụ

thể sự phụ thuộc của OTE vào APoLB, cũng như phân bố của nó trong không

gian.

3.3 Khảo sát số ảnh hƣởng của công suất laser trung bình lên OTE

Trong các công trình của mình, các tác giả Ashkin [1], Kim [60] và Jiang

[56] xem tương tác giữa chùm laser với các DMP như là sự tương tác giữa điện

trường và lưỡng cực điểm và hình thành giếng thế năng giam giữ lưỡng cực

điểm đó. Để giam giữ được DMP, tức lưỡng cực điểm đó một cách ổn định thì

độ sâu của giếng thế ít nhất phải gấp 10 lần động năng của DMP trong chất lưu

[98]. Điều này suy ra DMP bị bẫy càng ổn định, tức là OTE càng lớn khi mà giá

trị cực đại của OF càng lớn và trong không gian khoảng cách giữa hai điểm cực

đại đó càng ngắn. Không gian giới hạn bởi các điểm ở đó quang lực đạt cực đại

được định nghĩa như là TR [40, 60]. Trước tiên chúng ta thảo luận về OTE dọc

và ngang cũng như TR của NOTW.

3.3.1 OTE dọc

Sử dụng các thống số đã cho của mẫu NOTW như sau: Màng Acid blue: độ dày , NCoRI , ;

LGB : bán kính thắt chùm , bước sóng và

công suất trung bình có thể thay đổi . DMP: pholystyrene bán kính , chiết suất Chất lưu: nước có chiết suất [96], [100].

Phân bố của LGOF trong không gian được thể hiện trong Hình 3.1. Ta

nhận thấy, LGOF tập trung mạnh hơn và gần mặt đầu ra của màng nhiều hơn (ứng

với tọa độ dọc ) khi công suất laser trung bình tăng. Điều này có thể giải

thích là do tiêu cự của NML giảm khi công suất laser trung bình tăng (xem biểu

thức 2.7 mục 2.4 và Hình 2.8, 2.9 mục 2.6). Từ biểu thức 3.5 và 3.6 rõ ràng DMP

bẫy chuyển động theo hướng ngược với LGOF, như vậy, chúng sẽ bị quang lực giữ

lại tại đáy ( ) của “chuông” lật ngược có chiều cao là quang lực cực đại

và đường kính miệng bằng khoảng cách giữa hai điểm quang lực cực đại trong

là TR Hình 3.2. Chuông của không gian , được định nghĩa như

LGOF, sẽ thay đổi dạng bằng cách thay đổi APoLB, chiều cao sẽ tăng

và đường kính miệng giảm khi tăng APoLB Hình 3.3. Nói cách khác, cực đại của

LGOF, tăng, đồng thời TR có đường kính giảm. Đây chỉ là đặc trưng duy

nhất cho NOTW và do đó, nó có thể đưa vào ứng dụng cho quá trình tái phân bố

nồng độ các vi hạt [63], [90]. Cụ thể, tại thời điểm ban đầu, khi công suất laser cho

trước, các DMP (số lượng lớn DMP) được bẫy trong không gian nhất định của chất

lưu, sau khi nồng độ và phân bố các DMP trong vùng bẫy đã ổn định có thể xác

định được, chúng ta sẽ thay đổi công suất laser để thay đổi nồng độ đó.

Hình 3.1 LGOF, với APoLB khác nhau .

Hình 3.2 “Chuông” lực - TR.

Hình 3.3 Thay đổi TR (đường kính zst) và TC theo APoLB.

Khi tăng công suất lên thì TR sẽ giảm và do đó nồng độ DMP trong chất

lưu sẽ tăng lên và chúng được giam giữ với quang lực lớn hơn. Khả năng tăng

và ổn định nồng độ DMP chỉ có thể đạt được khi tăng OTE.

Phân bố OTE dọc trong không gian pha cho NOTW sử dụng laser với

APoLB được thể hiện trên Hình 3.4a. Tương tự như của LGOF, OTE dọc

có hai cực đại cách nhau một khoảng không gian . Khi tăng công suất laser trung bình,

cực đại của OTE tăng lên và khoảng cách giữa hai cực đại giảm Hình 3.4b,c,d. Điều này

có nghĩa là bằng cách tăng công suất laser, NOTW có thể gom DMP gần TC hơn và với

OTE lớn hơn.

Hình 3.4 Phân bố OTE dọc, | |với APoLB khác nhau.

3.3.2 OTE ngang

Đặc trưng phân bố của TGOF tương tự như LGOF. Trong Hình 3.5 là phân bố

của TGOF trong không gian pha với công suất laser khác nhau,

Một điểm khác biệt với LGOF là TGOF không những có thể kéo các

DMP càng gần về mặt ra của NML (ứng với ) mà còn kéo DMP gần

hơn vào trục chùm tia laser (ứng với ) khi APoLB tăng. Hiện tượng

này được giải thích sự giảm bán kính thắt chùm của LGB biến dạng khi tăng

APoLB công thức 2.8, mục 2.5.

Hình 3.5 Phân bố OTE ngang trong không gian pha

với APoLB khác nhau.

Tương tự như LGOF, phân bố TGOF cũng hình thành “Chuông” ngược, xác

định TR ngang. Hình 3.6 cho thấy khi tăng APoLB thì TGOF cực đại tăng và vùng TR

giảm.

Hình 3.6 a - TGOF, | |và đường kính TR ổn định st;

b - Chuông lực ngang với APoLB khác nhau.

Như vậy, NOTW có thể kéo các DMP vào trong vòng tròn đường

kính . Đồng thời, khi vòng tròn giam giữ vi hạt càng nhỏ thì OTE càng lớn

như thể hiện trên Hình 3.6.

OTE của NOTW và của LOTW đã được khảo sát với mục đích so sánh

giữa chúng. Trong Hình 3.7 là phân bố OTE dọc của NOTW sử dụng công suất

laser 2,5 mW và 1,0 mW, của LOTW sử dụng ML có tiêu cự 220 m và công

suất laser 1mW. LOTW được thiết kế tương đương với NOTW sử dụng công

suất laser 2,15 mW.

Hình 3. 7 | | với APoLB khác nhau.

Trong Hình 3.8 là phân bố OTE ngang của NOTW được so sánh với OTE

cuả LOTW. Chúng ta thấy rằng, cùng với cấu trúc xác định, nhưng với công

suất laser phù hợp OTE của NOTW sẽ tăng khi tăng công suất laser. Ví dụ trong

trường hợp thể hiện trong Hình 3.8 và Hình 3.9, khi công suất laser lớn hơn 2,15

mW, OTE của NOTW sẽ lớn hơn OTE của LOTW và ngược lại.

Hình 3.8 OTE dọc với APoLB: 2,5mW (đỏ), 1mW (xanh dương) của NOTW và

LOTW với APoLB: 1mW (đen).

Đặc trưng này thể hiện rõ hơn khi khảo sát sự phụ thuộc của OTE dọc

Hình 3.10 và ngang Hình 3.11 cực đại vào công suất laser. Đối với LOTW, vì

có cấu hình xác định, nên OTE (đường màu đỏ) không thay đổi khi thay đổi

công suất laser. Trong khi đó, OTE của NOTW tăng tỉ lệ thuận với công suất

laser. Trong trường hợp đã khảo sát, thì OTE của NOTW sẽ lớn hơn của LOTW

khi công suất laser vượt ngưỡng 2,15mW. Điều này xảy ra là do SFE sau màng

mỏng Acid blue yếu, thậm chí không xảy ra khi công suất laser thấp và do đó,

NA của NOTW nhỏ hơn NA của LOTW đã xác định. Nhưng khi công suất tăng

thì SFE cũng mạnh hơn và NA cũng tăng kéo theo bán kính thắt chùm và độ dày

Rayleigh của chùm laser giảm và gradient cường độ tăng. Trong khi đó, cường

độ laser tăng, OF của LOTW tăng tuyến tính với cường độ mà không làm thay

đổi OTE, như trong biểu thức 3.1.

Hình 3.9 OTE ngang của NOTW với APoLB: 4mW (đỏ), 2,15 (đen), 1mW (xanh)

và của LOTWvới APoLB: 1mW (da cam).

Điểm cần chú ý ở đây là khi tăng công suất laser, bán kính thắt chùm sẽ giảm tuyến tính xem mục 2.8 chương 2, trong khi đó độ dài Rayleigh tăng phi tuyến xem mục 2.11 chương 2, do đó, OTE ngang của NOTW tăng tuyến tính, OTE dọc tăng phi

tuyến. Trong trường hợp Hình 3.11 OTE dọc NOTW tăng hơn 6 lần so với OTE của OT plasmonic mà Grigorenko và cộng sự đã chế tạo vào năm 2008 [14]. Như vậy, có thể khẳng định rằng, nếu dụng NOTW thì chùm tia laser có thể biến đổi dạng, dẫn đến gradient cường độ tăng bằng cách tăng công suất laser, khi đó OTE sẽ tăng lên, điều mà không thể xảy ra đối với LOTW.

Hình 3.10 Phụ thuộc của OTE ngang cực đại| | của NOTW (đỏ) và

LOTW (xanh) vào APoLB.

Hình 3.11 Phụ thuộc của OTE dọc cực đại| | của NOTW (đỏ) và

LOTW (xanh) vào APoLB.

3.4. Kết luận chƣơng 3

Trong chương này, các biểu thức tường minh cho OTE dọc và ngang của

NOTW sử dụng màng mỏng OD đã được dẫn ra. Mẫu màng Acid Blue 29 với và như một NML đã được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của công suất laser bước sóng đến OF tác động lên DMP polystyrene bán kính , chiết suất nhúng trong nước. Ảnh hưởng của công suất laser lên OTE ngang và dọc của NOTW

cũng được khảo sát. Kết quả khảo sát mẫu NOTW trên đã cho thấy OTW có thể

tăng khi tăng công suất laser và cải thiện hơn OTE của LOTW với cùng công

suất laser lớn hơn 2,15 mW.

Với những đặc trưng đã khảo sát thì NOTW không chỉ có thể sử dụng điều

khiển DMP trong không gian chất lưu kết luận chương 2 bằng cách thay đổi

công suất laser mà còn bảo đảm rằng, trong quá trình điều khiển OTE và khả

năng giam giữ DMP sẽ cải thiện đáng kể. Hơn nữa, OTE cao sẽ tăng thêm khả

năng ổn định của vi hạt tự do, đồng thời tăng hiệu lực ổn định trạng thái căng

của phân tử ADN. Kết quả nghiên cứu được công bố trên công trình [CT2].

Nhận định này sẽ được nghiên cứu cụ thể trong chương tiếp theo.

Chƣơng 4

ĐIỀU KHIỂN TOÀN QUANG VI HẠT TRONG KHÔNG GIAN

Kìm quang học là một công cụ hữu hiệu cho nghiên cứu các cơ chế phân

tử như cơ chế xoắn [22], [48], [112], bó [91] hay cơ chế vận động [35], [92].

Công dụng của OTW là bẫy và điều khiển DMP trong không gian, nếu DMP

được gắn với phân tử ADN thì nó sẽ chuyển động xa vị trí ban đầu và làm cho

phân tử ADN được duỗi thẳng. Có nhiều phương pháp để điều khiển DMP trong

không gian 1D, 2D hoặc 3D như quét chùm tia [34], [54] sử dụng hệ cơ-điện,

cơ-quang [50], [72] và toàn quang [94], hoạt động dựa trên nguyên lý khống chế

TGOF và SFE của chùm laser theo trục dọc.

Trong chương này, sẽ khảo sát động học của DMP tự do và DMP có liên

kết ngoài trong không gian 3D của chất lưu trên cơ sở aOCM, thay đổi công suất

laser. Bằng phương pháp vi phân hữu hạn (Finite difference method-FDM),

phương trình Langevin tổng quát (General Langevin Equation- GLE) mô tả

động học của vi hạt nhúng trong chất lưu được giải bằng số, các đặc trưng động

học của DMP được khảo sát và bình luận về cấu hình NOTW áp dụng cho các

phân tử ADN chiều dài tổng (Contour length- CL) khác nhau.

4.1. Động học vi hạt tự do

4.1.1. Mẫu NOTW cho vi hạt tự do

NOTW sử dụng điều khiển DMP tự do trong chất lưu được trình bày

trong Hình 4.1. Một DMP polystyrene có bán kính , chiết suất được nhúng

trong nước có chiết suất . Tại điểm ban đầu, nhờ thiết bị dò chúng ta xác định

vị trí của DMP được xác định bởi tọa độ trong TR. LGB có thắt chùm

trong không gian tại tọa độ tâm cách mặt đầu ra của màng Acid Blue một khoảng bằng . Phân bố cường độ tiêu cự NML

pha được tính như sau [78]:

(

0 )

( (

1 (4.1) )

)

trong đó, là bán kính thắt chùm,

là độ dài Rayleigh.

Hình 4.1 Cấu hình NOTW với DMP tự do.

Chùm tia laser này sẽ tác động lên DMP một TGOF được tính như sau:

) 0

(

1 (4.2) )

(

( )

và LGOF được tính như sau:

(

)

(

( )

) 0 1 (4.3) 1 ( )

các tham số đã dẫn trong chương 2 và 3.

4.1.2. Hệ phương trình Langevin

Luận án chỉ giới hạn nghiên cứu các DMP có kích thước vùng micro và

nano, nên khối lượng của nó sẽ rất nhỏ và bỏ qua lực trọng trường. Do đó, ngoài

OF, DMP còn chịu lực Brown [100] khi nhúng trong chất lưu. Như đã chỉ ra

trong các công trình trước đây [6], [78], [96], [100], chuyển động của DMP

trong không gian chất lưu được mô tả bởi hệ của hai GLE sau:

(4.4)1 ̈ g ̈ √

̈ g ̈ √ (4.4)2

trong đó, là khối lượng vi hạt, là hệ số ma sát nhớt, h là độ nhớt, là hàm mô tả nhiễu trắng, là hằng số Boltzmann, là nhiệt độ tuyệt đối, và là các biến mô tả vị trí tức thời của DMP trong quá trình bẫy và điều khiển. Số hạng thứ nhất bên trái của GLEs 4.4 mô tả lực quán tính. Vế

phải của GLEs 4.4 gồm lực ma sát, quang lực và Brown mô tả lực ma sát.

Phương trình (4.4)1 mô tả chuyển động của DMP dọc theo bán kính hướng tâm

và phương trình (4.4)2 dọc theo trục laser.

Hệ phương trình (4.4) được giải bằng FDM. Lời giải liên tục và

của hệ phương trình 4.4 được thế bằng lời giải gần đúng theo thời điểm rời

giả thiết đủ nhỏ, thì rạc và của hệ phương trình vi phân hữu hạn tại bước thời gian Với và . Hệ phương trình FDEs được

dẫn từ GLEs có dạng sau [94],[96]:

(4. 5)2

√ (√ √ ) (4. 5)1

√ (√ √ )

trong đó, là các giá trị ngẫu nhiên của nhiễu trắng tại thời điểm

. Phương trình 4.5 được giải bằng phương pháp hồi quy, sử dụng các giá trị

để tính , ... , … và sử dụng để tính và tiếp tục .

4.1.3. Quỹ đạo của vi hạt trong vùng bẫy

Do chùm laser có phân bố đối xứng qua trục, do đó lực gradient ngang

hướng tâm và quỹ đạo của của DMP trong không gian 3D [78] trong

TR có thể phản ánh trong không gian pha [40]. Khảo sát quỹ đạo của

DMP polystyrene nhúng trong nước được điều khiển bởi NOTW có các thông

số sau:

Màng Acid Blue: , [2]; LGB: , và ; LGB sau khi biến đổi: , tại

; DMP polystyrene: , ;

Chất lưu nước: ở nhiệt độ [100], Đầu tiên khảo sát quỹ đạo của DMP có vị trí

tại thời điểm ban đầu , tức là DMP nằm

trong mặt thắt chùm laser cách mặt ra của màng Acid Blue một khoảng

μ và cách trục laser một khoảng . Hình 4.2 là các đường đặc

trưng vị trí của DMP- thời gian bẫy. Từ hình 4.2a, có thể thấy dưới tác động của

TGOF, DMP chuyển động thẳng vào TC tại vị trí .

Càng gần tâm kìm, vận tốc của DMP càng lớn. Vận tốc trung bình có thể tính

được . Trong khi đó, từ Hình 4.2b, DMP chỉ dao động dọc một cách

ngẫu nhiên xung quanh vị trí , bởi vì trong mặt thắt chùm,

LGOF được xem là bằng không và khi đó lực Brown đóng vai trò chính tác

động lên DMP [100]. Như vậy, quỹ đạo của DMP trong trường hợp này là zíc

zắc dọc theo bán kính hướng tâm có độ dài μ .

Hình 4.2 Vị trí ngang (a) và dọc (b) của DMP tự do trong thời gian bẫy

Tuy nhiên, trong trường hợp vị trí tại thời điểm ban đầu nằm ngoài mặt

thắt thì DMP cũng được kéo thẳng tới TC tại μ như

trong Hình 4.3a và Hình 4.4b. Rõ ràng tất cả các DMP đều được kéo thẳng tới

TC. Kết quả này cũng đã được khẳng định trong công trình trước đây khi sử

dụng hai xung laser truyền ngược chiều nhau [40]. Hiện tượng này được khảo

sát rõ hơn, khi khảo sát quỹ đạo của DMP khi thay đổi công suất laser Hình 4.3b

và Hình 4.4b. Trong Hình 4.3b cho thấy khi tăng (giảm) công suất laser thì TC

sẽ gần (xa) hơn mặt đầu ra của màng Acid Blue.

Các đặc trưng vị trí dọc - thời gian kéo với vị trí ban đầu của DMP (a) và

công suất laser (b) khác nhau. Hình 4.3a: Các vị trí ban đầu (từ dưới lên):

(-2,5μm,980μm), (-2,5μm,990μm), (-2,5μm,1010μm), (-2,5μm,1020μm).

Hình 4.3b: Các giá trị của cường độ (từ dưới laser

lên): Io=0,98.105W/cm2, Io= 0,99.105W/cm2, Io=1.105W/cm2 , Io=1,01.105W/cm2, Io= 1,02.105W/cm2.

Hình 4.3 Các đặc trưng vị trí dọc - thời gian kéo với vị trí ban đầu của

DMP (a) và công suất laser (b) khác nhau

Hình 4.4 Các đặc trưng vị trí ngang- thời gian kéo với vị trí ban đầu của vi hạt (a)

và cường độ laser (b) khác nhau.

Trên Hình 4.4a: Các vị trí ban đầu - Đen; (-2,5μm,1015μm) - Xanh da trời;

(-2,5μm,1010μm) - Xanh lá cây; (-2,5μm,1005μm) - Xanh lơ; (-2,5μm,1000μm) - Đỏ.

Trên hình Hình 4.4b: Các giá trị cường độ laser: Đen - Io=0,98.105W/cm2; Xanh lá cây - Io= 0,99.105W/cm2; Đỏ -Io=1.105W/cm2 Xanh lơ - Io=1,01.105W/cm2; Xanh da trời - Io= 1,02.105W/cm2.

Cụ thể, DMP đặt tại vị trí ban đầu có

thể kéo tới các TC khác nhau tại các vị trí: , ,

, và nằm trên trục laser

bằng cách thay đổi công suất laser đến .

Đây chính là đặc trưng riêng của NOTW và nổi trội so với LOTW [6]. Hơn nữa,

chúng ta cũng nhận thấy rằng, thời gian kéo DMP vào tâm theo trục hướng tâm

sẽ ngắn hơn so với thời gian kéo theo trục dọc. Điều này hoàn toàn có thể giải

thích vì rằng khoảng cách từ vị trí ban đầu của DMP đến trục laser ngắn hơn

nhiều so với khoảng cách từ vị trí của DMP đến các TC, đồng thời vì gradient

ngang cường độ laser bao giờ cũng lớn hơn gradient dọc. Từ Hình 4.3 và Hình

4.4 ta thấy rõ ràng, thời gian kéo DMP trong cả hai chiều đều tăng khi khoảng

cách giữa DMP và TC tăng.

Hình 4.5 Quỹ đạo của vi hạt.

Trên Hình 4.5a: Từ các vị trí ban đầu khác nhau:

- Xanh da trời, μ μ - Xanh lá cây,

- Đỏ, - Xanh lơ,

- Đen, Tâm kìm μ μ

Trên Hình 4.5b: Từ vị trí đến các tâm khác nhau với

cường độ:

- xanh lá cây, -xanh lơ, -đỏ, - xanh da trời, - đen.

Kết hợp các đặc trưng trên Hình 4.3 và Hình 4.4, quỹ đạo trong mặt phẳng

pha trong quá trình kéo DMP đặt tại các vị trí khác nhau đến TC bằng laser có cường độ đỉnh Hình 5a và DMP đặt tại vị trí xác định đến các TC khác nhau

bằng cách thay đổi cường độ laser Hình 4.5b. Từ Hình 4.5, thấy rằng, bất kỳ

DMP nằm trong vùng bẫy, đều được kéo về TC, tuy nhiên phụ thuộc vị trí tương

đối giữa DMP và TC mà quỹ đạo, thời gian kéo và tốc độ kéo là khác nhau. Một

điểm cần chú ý là DMP kéo về trục chùm tia laser sẽ rất nhanh và sau đó được

kéo về TC dọc theo trục laser. Như vậy, thời gian kéo DMP theo trục hướng tâm

rất nhỏ, khoảng Hình 4.2a có thể bỏ qua khi so sánh với thời gian kéo theo trục dọc, khoảng Hình 4.3a. Đặc trưng này cho phép chúng ta có thể

có thời gian dài theo dõi và điều khiển DMP tự do theo trục chùm tia. Như vậy,

sử dụng NOTW để điều khiển vi hạt tự do bằng aOM là một lựa chọn phù hợp.

4.2 Kéo căng phân tử ADN.

4.2.1. Mẫu NOTW kéo căng phân tử ADN.

Mẫu NOTW sử dụng kéo căng phân tử ADN được trình bày trong Hình 4.6.

Một phân tử ADN dạng chuỗi con sâu (Worm like Chain-WLC) có độ dài bền

(Persistence Length- PL) và CL được gắn với hai DMP ở hai đầu, một DMP gọi

neo, DMP kia gọi là bẫy. DMP neo có định tại vị trí có tọa độ , DMP bẫy

được đặt trong TR. Dưới tác động của OF, DMP bẫy có xu hướng được kéo vào TC.

Trong quá trình kéo, vị trí của DMP bẫy thay đổi và xác định bằng tọa độ .

DMP bẫy và toàn bộ phân tử ADN được nhúng trong chất lưu, do đó DMP bẫy

chịu tác động của OF và lực Brown. Tuy nhiên, khác với vi hạt tự do, DMP bẫy gắn

với phân tử ADN còn chịu tác động của EF [31]. EF tác động lên DMP bẫy theo

hướng ngược với OF. Từ Hình 4.6, chúng ta dẫn ra biểu thức của EF dọc và EF

ngang như sau:

Hình 4.6 Cấu hình NOTW kéo thẳng phân tử ADN.

+ (4.6)1

[ ]

+ (4.6 )2

là độ căng tổng [98],

[ ]

trong đó, là EF tổng, √

| | và | | là độ căng thành phần theo trục hướng tâm và trục

laser, là hằng số Boltzmann, là nhiệt độ tuyệt đối, là góc nghiêng giữa

đoạn thẳng nối hai DMP so với mặt cắt chùm laser.

4.2.2 Hệ phương trình Langevin tổng quát

Theo các công trình [66],[94],[96], chuyển động của DMP bẫy trong

̈ ̇ √ (4.7)1

̈ ̇ √ (4.7)2 khác với hệ phương trình (4.4) duy nhất thành phần mô tả lực đàn hồi (4.6). Sử dụng

không gian pha được mô tả bằng GLEs sau:

√ (√ √ ) (4.8)1

√ (√ √ ) (4.8)2

LDM, GLEs (4.7) được chuyển sang hệ FDEs sau:

trong đó, √| | | | là độ căng tức thời;

| | | |

) là góc lệch tức thời. (

4.2.3 Động học của vi hạt gắn với phân tử ADN

Chúng ta khảo sát động học của DMP polystyrene bán kính

và chiết suất gắn với phân tử ADN chủng lambda (-phage) có và [23].

DMP Polystyrene và phân tử ADN được nhúng trong nước. Sử dụng

chùm tia laser đầu vào có cường độ đỉnh và bán kính thắt chùm , màng mỏng Acid Blue 29 có độ dày và NCoRI .

Với các tham số trên, tiêu cự của NML sẽ là , có nghĩa là

thắt chùm cách mặt ra của màng Acid Blue một khoảng , hay TC có vị trí

tại tọa độ trong mặt phẳng pha . Hình 4.7a: LGOF và EF dọc trong quá trình kéo căng;

Hình 4.7b: TGOF và EF ngang trong quá trình kéo căng;

Hình 4.7c: TGOF và EF ngang lân cận trục laser.

Hình 4.7 OF (xanh dương) và EF (đỏ) tại các vị trí khác nhau của DMP.

Để có thể khảo sát được động học của DMP bẫy trong quá trình kéo bằng

NOTW, tức là trong quá trình phân tử ADN bị kéo căng, chúng ta neo DMP neo

tại vị trí có tọa độ . Với vị trí này thì khoảng cách giữa từ vị trí của DMP neo đến TC nhỏ hơn CL của phân tử ADN, nghĩa là

độ căng cực đại có bằng chiều dài tổng, thể gần

√ , để bảo đảm phân

tử ADN không bị đứt trong quá trình kéo căng. Hình 4.7 là kết quả khảo sát sự

thay đổi của các lực tác động lên DMP bẫy trong quá trình kéo căng phân tử

ADN. Lực dọc có giá trị khi DMP bẫy nằm tại vị trí

trí

và giảm xuống khi nó chuyển đến vị . Trong khi đó, EF dọc tăng từ 0 lên . Tại vị trí lân cận hai lực tác động lên DMP bẫy bằng nhau, tức là chúng triệt tiêu nhau Hình 4.7a. Tại đó, DMP bẫy chỉ dao động dưới tác động của lực Brown.

Đặc trưng này cũng xảy ra tương tự đối với các lực ngang Hình 4.7b, cân

bằng lực ngang dẫn đến DMP bẫy dao động Brown xung quanh vị trí . Như vậy, trong trường hợp này DMP bẫy được kéo đến vị trí

bẫy ( ) mà không kéo vào TC tại vị

trí .

Hình 4.8 Đặc trưng vị trí - thời gian a: hướng tâm, b: dọc trục.

Hơn thế nữa, TGOF lớn hơn nhiều so với LGOF, trong khi đó EF dọc nhỏ

hơn EF ngang, do đó, DMP bẫy có xu thế chuyển động trên trục hướng tâm với tốc

độ lớn hơn.

Khảo sát đặc trưng vị trí - thời gian của các DMP bẫy có vị trí ban đầu khác nhau:

Hình 4.9a: trên trục hướng tâm với zo = 24990 µm;

Hình 4.9b: trên trục laser với o = -12,7 µm;

Hình 4.9c: trên trục laser với o = -12,7 µm (đỏ), o = -9 µm (xanh lơ), o = -7 µm

(xanh lá cây), o = -5 µm (xanh dương) và o = -3 µm (đen).

Hình 4.9 Đặc trưng vị trí - thời gian của các DMP bẫy

có vị trí ban đầu khác nhau

Điều này được thấy rõ hơn trên Hình 4.8, mô tả vị trí của DMP bẫy theo

thời gian. Từ Hình 4.8a, nhận thấy về mặt bản chất, đường đặc trưng thời gian

kéo-vị trí DMP bẫy phù hợp với kết quả khảo sát đặc trưng thời gian kéo-độ

căng của phân tử ADN bằng thực nghiệm của Fu và cộng sự [102] hình nhỏ phía

trên Hình 4.9d. Sau thời gian khoảng 80 s DMP bẫy di chuyển một quãng

đường gần 13m theo phương hướng tâm, nhưng phải cần đến khoảng 15s để di

chuyển một khoảng 7m trên trục dọc Hình 4.8b. Đây là một đặc tính chuyển

động của DMP bẫy trên trục dọc mà đến nay vẫn chưa được quan tâm. Như đã

chỉ ra trong các công trình [86],[88] khi DMP bẫy càng gần trục laser thì thời

gian di chuyển vào TC càng ngắn. Điều này có thể khẳng định lại khi khảo sát

thời gian kéo DMP bẫy vào TC khi vị trí ban đầu thay đổi Hình 4.9a. Thời gian

tăng từ 40 µs (đường màu đen) lên đến 80µs (đường màu đỏ) khi chuyển vị trí

ban đầu của DMP bẫy từ đến μ .

Tuy nhiên, trên trục laser thì tương quan này sẽ đảo lại Hình 4.9b.

Trường hợp khi mà DMP bẫy đặt chính trên mặt thắt chùm tia thì không có

LGOF tác động nên DMP bẫy thực hiện dao động ngẫu nhiên tương tự như

trong Hình 4.2b. Trừ trường hợp này ra, thời gian kéo DMP bẫy vào TC sẽ tăng

khi vị trí ban đầu của DMP bẫy gần mặt thắt chùm, tức là khi mà độ căng cực

đại có thể giảm. Hiện tượng này có thể giải thích như sau: khi DMP bẫy

tiến gẫn đến TC thì LGOF giảm dẫn đến vận tốc chuyển động của DMP bẫy

giảm Hình 4.7a, hơn thế nữa khi DMP bẫy đặt gần TC hơn Hình 4.9b,c thì vị trí

bẫy cũng dịch gần hơn về phía TC, tức là quãng đường di chuyển của DMP bẫy

trong quá trình kéo dài hơn. Chính hai lý do này là nguyên nhân làm tăng thời

gian bẫy.

Một điểm quan trọng có thể thấy ở đây là thời gian kéo cũng như vị trí

bẫy phụ thuộc vào tương quan giữa CL (- ) của phân tử ADN và chiều dài

căng nhất có thể (maximum stretchable length-MSL, ) của nó. Như chỉ ra

trong Bảng 4.1, khi vị trí bẫy càng gần tâm bẫy ( μ

μ ) thì chiều dài căng nhất có thể sẽ ngắn hơn, nhưng thời gian kéo vi

hạt vào vị trí bẫy dài hơn. Nhận định trên được khẳng định lại khi khảo sát đặc

trưng vị trí-thời gian của các DMP bẫy có vị trí ban đầu trên trục chùm laser và

khoảng cách tới tâm kìm khác nhau: -(blue),

-(green), (cyan),

-(black) và -(red) như trong Hình 4.10.

Bảng 4.1 Vài tham số động học của DMP bẫy.

Màu

Tên hình

Init. Position Vị trí ban đầu (m)

Trap position Vị trí bẫy (m)

Đen

(-12.7, 24998)

(0, 24999.7)

Pul. Time (Thời gian bẫy) (s) 300000

Lstr (m) (Chiều dài lớn nhất) LC=16.24m 12.81

(-12.7, 24996)

(0, 24999.5)

250000

13.17

4.9b

(-12.7, 24994)

(0, 24999.0)

225000

13.65

(-12.7, 24992)

(0, 24998.2)

185000

14.13

Xanh dương Xanh lá cây Xanh lơ Đỏ

(-12.7, 24990)

(0, 24997.0)

155000

14.50

Đỏ

(-12.7, 24990)

(0, 24997.0)

155000

14.50

(-09.0, 24990)

(0, 24999.0)

260000

12.72

4.9c

(- 07.0, 24990)

(0, 24999.3)

275000

11.64

(- 05.0, 24990)

(0, 24999.5)

280000

10.73

Xanh lơ Xanh lá cây Xanh dương Đen

( -03.0, 24990)

(0, 24999.6)

300000

 10.05

Trong tất cả các trường hợp, DMP bẫy luôn luôn có xu hướng dịch

chuyển về phía TC, nhưng chỉ tới vị trí bẫy lân cận TC mà không bao giờ tới

đúng TC. Rõ ràng mặc dù vị trí ban đầu của DMP bẫy gần TC hơn dẫn đến

chiều dài căng cực đại có thể sẽ ngắn hơn, nhưng thời gian kéo vào vị trí bẫy

vẫn tăng lên mặc dù không đáng kể, vì khi đó tỉ số giữa LGOF và EF dọc giảm,

cùng với tính đối nhau của chúng làm cho vận tốc trung bình của DMP bẫy giảm

xem Hình 4.11.

Thời gian kéo DMP bẫy trên trục chùm tia đóng góp chính vào thời gian kéo

tổng hay thời gian kéo duỗi phân tử ADN. Do đó, đây là điểm đáng được quan tâm

trong quá trình khảo sát động học của DMP bẫy gắn với phân tử ADN trên trục

chùm tia và thay vì khảo sát quá trình kéo duỗi phân tử trong không gian 3D bằng

2D. Với mục đích này, chúng ta xét một phân tử ADN trong NOTW sử dụng LGB ban đầu với , thay đổi từ xuống được gắn với DMP polystyrene đặt tại hai vị trí ban đầu khác

nhau trên trục laser. Hình 4.12 thể hiện các đặc trưng vị trí-thời gian của DMP bẫy

tại hai vị trí ban đầu khác nhau và cường độ laser đỉnh khác nhau. Bằng cách tinh

chỉnh tăng cường độ laser đỉnh, tọa độ của TC thay đổi ( o = 0 µm, zo = 998,04 µm),

( o = 0 µm, zo = 991,1 µm) , ( o = 0 µm, zo = 1000 µm), ( o = 0µm, zo = 1001 µm)

và ( o = 0µm, zo = 1002 µm), càng gần vị trí ban đầu của DMP bẫy. Do quan hệ luôn luôn thỏa mãn, nên DMP bẫy đặt tại vị trí sẽ được kéo tới tất cả các TC, trong khi đó, DMP bẫy đặt tại vị trí chỉ được kéo tới ba TC và không bao giờ tới các TC xa hơn vì khi đó .

Hình 4.10 Đặc trưng vị trí-thời gian của DMP

bẫy trên trục laser với Win = 0,05 cm.

Khác với trường hợp điều khiển trong không gian 2D khi mà DMP bẫy luôn chịu tác

động của hai lực ngược nhau nhưng lớn hơn nhiều so với lực Brown.

Hình 4.11 Vận tốc tức thời của DMP bẫy.

Trong trường hợp điều khiển trên trục laser nhờ NOTW, DMP bẫy không

những di chuyển thẳng đến vị trí bẫy mà còn thực hiện dao động ngẫu nhiên trên

mặt phẳng thắt chùm Hình 4.12.

Hình 4.12 Các đường đặc trưng vị trí-thời gian của DMP bẫy tại hai vị trí ban đầu

khác nhau trên trục laser trong NOTW sử dụng cường độ đỉnh laser khác nhau. Io =1,002.105W/cm2(xanh lơ), Io =1,001.105W/cm2(xanh lá cây),Io =1.105W/cm2(đỏ), Io =0,999.105W/cm2(xanh dương), Io =0,998.105W/cm2(đen), với Win = 0,05 cm.

Hình 4.13 Quỹ đạo của DMP bẫy trên trục laser cường độ đỉnh laser khác nhau. Trong Hình 4.13, cường độ đỉnh laser đươc xác định (xanh lơ), (đỏ), Io (đen).

Hình 4.14 Chuyển động Brown của DMPt tại vị trí bẫy, khảo sát cho trường hợp .

Dao động ngẫu nhiên này cũng xảy ra trên trục laser, khi DMP bẫy nằm

tại vị trí bẫy Hình 4.14. Tuy nhiên, biên độ dao động lớn nhất chỉ vào khoảng

, có thể bỏ qua khi so sánh với bán kính vi hạt [40].

Như vậy, để có thể kéo duỗi phân tử ADN chúng ta có thể sử dụng aOM

điều khiển DMP bẫy trong không gian 1D (dọc trục laser) cũng như 3D. Điều

kiện để sử dụng phương pháp này là DMP bẫy phải nằm trong vùng bẫy của

NOTW, cụ thể hơn phân tử ADN phải neo trong TR. Trong quá trình điều khiển

TC bằng cách tinh chỉnh cường độ laser đỉnh thì khoảng cách giữa DMP neo và

TC luôn luôn phải giữ sao cho ngắn hơn CL của phân tử ADN.

Hơn nữa, sau khi lưu ý đến tất cả các đường đặc trưng vị trí-thời gian đã

khảo sát ở trên, chúng ta thấy rằng thời gian kéo và vận tốc của DMP bẫy là

khác nhau và phụ thuộc vào bộ các thông số đầu vào. Đồng thời cũng cho thấy,

độ phân giải không gian và thời gian [67] khi khảo sát di chuyển của DMP bẫy,

cũng như thay đổi chiều dài căng của phân tử ADN trên trục laser sẽ cao hơn

trên trục hướng tâm. Cụ thể trong ví dụ đã khảo sát: vận tốc cực đại vào khoảng 5,3.10-2 m/s (xem đường cong đen-đậm trên Hình 4.12) có thể giảm xuống 3,2. 10-5 m/s (xem đường xanh dương trên Hình 4.10) khi sử dụng bộ tham số khác.

4.3. Lựa chọn NOTW phù hợp với phân tử ADN

4.3.1. NOTWsử dụng kéo căng phân tử ADN chủng lamda

Từ mục 4.1 chúng ta đã kết luận, NOTW phù hợp cho việc điều khiển DMP

dọc trục laser và từ mục 4.2 khẳng định với sự lựa chọn các tham số thiết kế phù

hợp có thể keo căng phân tử ADN với độ căng khác nhau bằng cách thay đổi

cường độ (hay công suất laser) và quá trình kéo căng chủ yếu xảy ra trên trục laser.

Do đó, để thuận tiện cho ứng dụng NOTW kéo căng các chủng loại phân tử ADN

khác nhau, chúng ta giả thiết ngay từ ban đầu DMP neo và DMP bẫy gắn với phân

tử ADN được định vị trên trục laser. Với giả thiết này, mô hình NOTW cho phân tử

ADN được mô tả đơn giản như Hình 4.15.

Hình 4.15 Cấu hình NOTW sử dụng kéo căng ADN.

Với cường độ laser xác định ban đầu, hai DMP với phân tử ADN được

định vị tại tọa độ z0 là tiêu cự của chùm laser với công suất ban đầu xác định.

Khi giảm cường độ laser xuống một giá trị thấp hơn, tiêu cự laser sẽ dài hơn, khi

đó TC dịch đến tọa độ ztc. Dưới tác động của LGOF, DMP bẫy sẽ dịch đến vị trí

ztr, tại đó LGOF sẽ cân bằng với EF sinh ra do sự căng của phân tử ADN. Việc

lựa chọn giá trị cường độ laser và khoảng thay đổi cường độ phù hợp với cấu

trúc của NOTW sao cho khoảng cách ztc-z0 tương đương với CL của phân tử

ADN là bài toán cần có câu trả lời. Vì rằng các chủng ADN khác nhau có CL

khác nhau. Ví dụ: phân tử ADN chủng lambda (-phage) trong điều kiện ion 1,86mM Na+ sẽ có và [23], trong khi đó, phân tử Bacteria Escherichia Coli (BEC) có [18].

Đối với phân tử ADN chủng lambda NOTW được thiết kế với các tham số

- Chùm laser có bước sóng , bán kính thắt chùm , cường độ laser ban đầu ;

- Màng chất màu hữu cơ Acide Blue 29 có độ dày , hệ số

chiết suất phi tuyến ;

- DMP Polystyrene có bán kính , chiết suất ;

- Chất lưu là nước có chiết suất , độ nhớt ở

nhiệt độ [100].

Hình 4.16 Đặc trưng vị trí- thời gian của ADN chủng lambda với các giá trị cường

độ laser đỉnh khác nhau (tím), (xanh da trời), (xanh lá cây), (đen). Với các giá trị đã cho trên, tiêu cự của vi thấu kính phi tuyến là

, nghĩa là vị trí ban đầu của các DMP sẽ là z0 =1000 m tính từ mặt ra

của màng chất màu hữu có Hình 4.1. Sử dụng các giá trị trên vào các phương

trình (4.3), (4.6)1, (4.7)1 và (4.8)1, khảo sát được đặc trưng thời gian-vị trí của

DMP bẫy với các giá trị giảm dần khác nhau của cường độ laser. Các đặc trưng

này được trình bày trong Hình 1.16. Bằng cách tinh chỉnh công suất laser sao

cho cường độ laser giảm từ giá trị , khi đó tiêu cự NML sẽ dài hơn và kết quả là TC và DMP bẫy sẽ chuyển dịch xa hơn so với mặt ra của

màng Acide Blue. Một đầu của phân tử ADN bị neo tại vị trí nên nó sẽ bị kéo căng.

Từ Hình 4.16 thấy rằng cường độ laser tăng lên mà tâm bẫy cùng vi hạt

bẫy dịch chuyển đến một vị trí khác trên trục laser. Quá trình dịch chuyển cùng

nhau này chỉ xảy ra khi mà độ căng (chiều dài) của phân tử ADN vẫn còn nhỏ

hơn CL của phân tử ADN. Ví dụ, khi cường độ tinh chỉnh đến giá trị

, độ căng của phân tử ADN chủng lambda khoảng

là chiều dài tổng của nó. Nhưng trong trường hợp khi cường độ laser giảm xuống còn thì tâm bẫy dịch chuyển một quãng

lớn hơn CL của phân tử ADN, do đó DMP bẫy dịch chuyển phía sau

TC cho đến khi đạt được độ căng cực đại. Như vậy, để kéo căng phân tử ADN

chủng lambda đến độ căng cực đại cần phải giảm cường độ laser một lượng

. Đồng thời cần buồng chất lưu có chiều dày ít nhất phải lớn hơn

trong khi khi thiết kế NOTW cho việc kéo căng phân tử ADN chủng

lambda. Mặt khác, từ đường đặc trưng màu tím trên Hình 4.16, chúng ta có thể

thấy, cấu trúc NOTW này cũng có thể áp dụng cho phân tử ADN chủng plasmid

[110] với chiều dài tổng nếu lựa chọn tinh chỉnh cường độ laser trong khoảng . Khi đó độ căng của phân

tử này sẽ thay đổi trong khoảng là giá trị khoảng đường dịch

chuyển lớn nhất của tâm bẫy.

4.3.2. NOTW dùng để kéo căng phân tử BEC

Từ Hình 4.16 để tiêu cự NML dài thêm cần phải giảm cường độ

laser một lượng trung bình là . Do đó, để có thể kéo căng phân tử

ADN có CL lớn hơn nhiều, ví dụ như BEC có [101] phải giảm

cường độ một lượng . Giá trị này lớn

hơn cường độ đỉnh ban đầu của chùm laser đã thiết kế trong NOTW áp dụng cho

phân tử ADN chủng lambda và plasmid.

Như vậy, để có thể kéo căng phân tử ADN có CL lớn bắt buộc phải thay

đổi thiết kế sao cho tiêu cự của NML phải dài hơn và mức thay đổi phải cùng

bậc với CL của phân tử ADN. Từ công thức tính tiêu cự trong chương 2, để tăng

tiêu cự vi thấu kính phi tuyến, có thể chọn một trong ba phương án sau: 1) tăng

bán kính thắt chùm laser vào, 2) giảm chiều dày màng Acide Blue hoặc 3) giảm

cường độ đỉnh laser. Sau đây tác giả chọn phương án 1) như là một giải pháp

điển hình.

Thay thế vi thấu kính trong cấu hình đã thiết kể để kéo căng các phân tử

ADN chủng lambda trên bằng một ML khác có NA nhỏ hơn sao cho bán kính

thắt chùm laser vào và cường độ đỉnh ban đầu giữ nguyên

. Với các tham số đó, tiêu cự ban đầu của NML sẽ là

. Khảo sát quá trình kéo căng BEC, tương tự như trường hợp đối với

phân tử ADN, ban đầu chỉnh cho hai DMP gắn với BEC tại ví trí so

với mặt đầu ra của màng Acide Blue. Quá trình kéo căng thực hiện bằng cách

giảm công suất laser. Đường đặc trưng vị trí-thời gian của DMP polystyrene với

phân tử BEC có chiều dài ổn định và chiều dài tổng

được khảo sát với các tham số đã cho của NOTW trong Hình 4.17.

cường độ laser từ 1,00.105 Wcm-2

Từ Hình 4.17 cho thấy TC dịch chuyển một khoảng ˂ 1,52 mm khi giảm xuống 0,93.105 Wcm-2. Điều này có nghĩa, phân tử BEC sẽ căng nhất với độ căng gần bằng CL của nó khi tinh chỉnh cường

độ laser đến giá trị 0,93.105 Wcm-2. Đồng thời thấy rằng để kéo căng phân tử

BEC buồng chất lưu phải có chiều dày ít nhất lớn hơn 22 mm.

Hình 4.17 Đặc trưng vị trí-thời gian của phân tử BEC

với các giá trị cường độ laser đỉnh khác nhau: (tím), (xanh da trời), (xanh lá cây), (đen).

4.4. Kết luận Chƣơng 4

Dựa trên cơ sở của kỹ thuật điều khiển vi hạt trong không gian bằng

LOTW và kéo dài phân tử ADN trong ngành lý sinh (biophysics) và cấu hình

của NOTW, hai mô hình tính toán của NOTW đã được đề xuất. GLEs mô tả

động lực học của vi hạt tự do và có liên kết ngoài trong môi trường chất lưu đã

được dẫn với mục đích khảo sát quá trình điều khiển vi hạt aOM. Sử dụng

FDM, một số đặc trưng như vị trí của DMP-thời gian kéo, sự cạnh tranh lực, vận

tốc chuyển động, quỹ đạo của DMP trong không gian 3D đã được khảo sát bằng

số với các thông số cấu hình khác nhau. Từ các đặc trưng động học của hai dạng

DMP tự do và liên kết, có thể thấy rằng, khi sử dụng NOTW, quá trình điều

khiển DMP nên ưu tiên cho chế độ 1D, trên trục chùm laser vì những ưu điểm

sau: thời gian điều khiển DMP, cũng như thời gian cần để kéo căng phân tử

ADN trên trục chùm tia laser sẽ lớn hơn và do đó, tốc độ di chuyển của DMP

bẫy sẽ nhỏ hơn. Trong ví dụ đã khảo sát, thời gian cần kéo căng phân tử ADN

trên trục chùm tia laser dao động trong khoảng 150s  300ms, lớn hơn nhiều so

với 80 s là thời gian cần để kéo căng phân tử ADN trên trục hướng tâm; Vận tốc di chuyển của DMP bẫy rất chậm, khoảng 3.10-5ms-1 trên trục hướng tâm và

có thể giảm hơn trên trục chùm tia laser. Cũng tương tự, chiều dài căng nhất của

phân tử ADN không bao giờ lớn hơn chiều dài tổng của nó. Những đặc tính

riêng này sẽ khẳng định aOM cho quá trình điều khiển vi hạt trong không gian

1D, đặc biệt cho quá trình kéo căng phân tử ADN mà vẫn tránh được hiện

tượng đứt chuỗi (release of chain), đồng thời cải thiện được độ phân giải thời

gian và không gian.

Dựa trên nguyên lý hoạt động của NOTW, hai cấu trúc khác nhau đã được

đề xuất sử dụng cho việc kéo căng phân tử ADN và phân tử BEC có chiều dài

tổng khác nhau hàng trăm lần. Kết quả khảo sát đặc trưng vị trí bẫy-thời gian

bẫy đã cho thấy cần chọn chiều dày buồng chất lưu, khẩu độ số của vi thấu kính

phù hợp với chiều dài tổng của các chủng loại khác nhau. Với các tham số phù

hợp thực tiễn đã sử dụng cho khảo sát số có thể khẳng định với màng Acide Blue có độ dày d = 0,01 cm, n2 = 1.10-7cm2W-1 và cường độ đỉnh laser Io = 1,00.105 Wcm-2 tinh chỉnh một lượng khoảng 1.103 Wcm-2, thì NOTW có thể sử

dụng kéo căng phân tử ADN và BEC khi thay đổi vi thấu kính tương ứng sao

cho bán kính thắt chùm Win = 0,01 cm và Win = 0,045 cm, đồng thời chọn độ

dày buồng chất lưu tương ứng là 1 mm và 22 mm. Tùy thuộc vào chiều dài tổng

của các chủng ADN khác nhau, cấu hình NOTW có thể chọn phù hợp dựa vào

tiêu cự của NML. Kết quả nghiên cứu được công bố trên các công trình khoa

học [CT3], [CT4], [CT5], [CT6].

KẾT LUẬN

Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của kìm quang học cũng như các phương

pháp điều khiển vi hạt trong không gian đã nghiên cứu trong những năm gần

đây, luận án đã tổng quan và phân tích một số ưu nhược điểm, từ đó đề xuất

cấu hình kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng chất màu hữu cơ có tính

phi tuyến bậc ba cao, trong đó thay thế một thấu kính có khẩu độ số cao bằng

kết hợp giữa thấu kính khẩu độ thấp và một màng mỏng chất Acid blue đóng vai

trò như một vi thấu kính phi tuyến. Vi thấu kính này không những đóng vai trò

tăng thêm khẩu độ số cho kìm quang học mà còn thay đổi mềm tiêu cự cho mục

đích điều khiển vi hạt. Bằng lý thuyết và tính toán số, luận văn đã khảo sát tính

linh động của tiêu cự vi thấu kính phi tuyến, thay đổi trong vùng micro mét (cho

các phân tử sinh học nhỏ) hoặc vùng mili mét (cho các phân tử sinh học lớn).

Phân bố quang lực trong không gian ba chiều và hiệu suất bẫy trên cơ sở các

thông số thực nghiệm cũng đã được khảo sát, chủ yếu khảo sát sự phụ thuộc của

các đặc trưng bẫy như quang lực cực đại, vùng bẫy ổn định, hiệu suất bẫy vào

cường độ đỉnh (công suất trung bình ) của chùm laser.

Sử dụng hệ phương trình Langevin tổng quát, khảo sát các đặc trưng động

lực học của vi hạt polystyrene tự do và gắn với phân tử ADN chủng lambda

nhúng trong nước đặt trong kìm quang học phi tuyến đã đề xuất, khảo sát ảnh

hưởng của cường độ laser đỉnh lên vị trí, thời gian bẫy, vận tốc di chuyển, quỹ

đạo và dạng dao động của vi hạt trong không gian pha (,z) và dọc trục chùm

laser. Kết quả nghiên cứu đã rút ra các tham số thiết kế của kìm quang học phù

hợp cho việc kéo căng các phân tử ADN có độ dài tổng khác nhau (ADN chủng

lamda và BEC).

Các kết quả nghiên cứu chính:

1. Mô hình kìm quang học phi tuyến với các tham số chính sau: Sử dụng

chùm tia đầu vào có công suất trung bình thay đổi trong khoảng từ P = (1 ÷ 4) mW,

bán kính thắt chùm Wo = 0,002 cm, chất màu Acid blue có hệ số chiết suất phi tuyến n2 = 10-6 cm2/W và độ dày d = 0,01 cm có thể tạo ra kìm quang học phi tuyến bẫy vi hạt Polystyrene bán kính a = 500 nm, chiết suất np = 1,55 nhúng trong nước có chiết suất nfl = 1,34 với quang lực Ftotal,z 10 pN và có thể điều khiển dọc theo trục laser trong một khoảng 3.800 mm.

2. Với cấu hình kìm quang học phi tuyến đã đề xuất, hiệu suất bẫy dọc

trục cũng như trên mặt tiết ngang của chùm laser sẽ tăng theo hàm mũ so kìm

quang quang học tuyến tính khi công suất laser trung bình tăng lớn hơn 2,15 mW

(các tham số của kìm quang học tuyến tính được xác định tương đương với trường

hợp kìm quang học phi tuyến sử dụng laser với công suất 2,15 mW).

3. Sử dụng chùm laser đầu vào với bán kính thắt Wo = 0,002 cm, kìm

quang học phi tuyến đã đề xuất với các tham số đã cho có thể áp dụng kéo căng

phân tử ADN có chiều dài tổng trong vùng micro mét (thuộc chủng lamda) và

khi chỉ cần mở rộng thắt chùm lên Wo = 0,045 cm thì kìm này có thể áp dụng kéo căng các phân tử lớn hơn với chiều dài tổng trong vùng mili mét (vi khuẩn

B.Coli). Kết quả thu được và trình bày trong luận án bao gồm một số đóng góp

khoa học và công nghệ mới.

Những đóng góp mới của luận án:

1) Đề xuất mẫu kìm quang học phi tuyến điều khiển toàn quang trên cơ sở sử dụng màng mỏng chất màu hữu cơ có hệ số phi tuyến bậc ba cao để tạo ra một vi thấu kính phi tuyến, có tác dụng nâng cao khẩu độ số và giúp điều khiển được tâm kìm. Trên cơ sở mô hình cụ thể (màng Acid Blue 29, với chiết suất phi tuyến n2 = 1.10-6 cm2/W; chiều dày màng d = 0,05 cm, bước sóng laser λ = 632 nm. Vi hạt điều khiển Polystyren có chiết suất nb = 1,55 và bán kính a = 0,5.10-4 cm nhúng trong nước).

2) Điều khiển tiết diện hội tụ trong vùng vài chục micron và khoảng cách

tiêu cự từ micron đến centimets để bẫy và giam giữ, điều khiển vi hạt điện môi

trong không gian ba chiều. Giải pháp nâng cao hiệu suất bẫy so với kìm tuyến

tính. Chỉ ra tính ưu việt của kìm quang học phi tuyến trong điều khiển vi hạt

theo phương dọc trục chùm tia laser, sử dụng nguồn laser công suất thấp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án:

Trong khuôn khổ luận án, tác giả chưa thể khảo sát một cách đầy đủ những

đặc tính ưu việt cũng như những nhược điểm khi sử dụng kìm quang học phi tuyến

cho quá trình điều khiển vi hạt tự do cũng như quá trình kéo căng phân tử ADN, cụ

thể:

1) Cần khảo sát giới hạn công suất laser đối với quá trình kéo căng phân tử AND,

đặc biệt khi kéo vi hạt bẫy về phía mặt ra của màng chất màu hữu cơ (tăng công

suất laser để rút ngắn tiêu cự vi thấu kính), bởi vì hiện tượng đứt chuỗi (Broken

down) có thể xảy ra. Kết quả nghiên cứu tối ưu kìm quang học phù hợp với các

phân tử ADN nhằm tránh gãy đứt.

2) Nồng độ dung dịch chất màu hữu cơ khác nhau sẽ có hệ số chiết suất phi tuyến

khác nhau, thậm chí hệ số âm, do đó, việc áp dụng các dung dịch này để xây

dựng cấu hình đơn giản hơn sẽ là khả thi.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

[CT1]. Ho Quang Quy, T. D.Thanh, D. Q. Tuan, N. M.Thang, Nonlinear

optical tweezers for longitudinal control of dielectric particles, Optic

Communication 421 (2018) 94-98.

[CT2]. H. Q. Quy, D. Q. Tuan, T. D. Thanh, N. M. Thang, Enhance of

optical trapping efficiency by nonlinear optical tweezers, Optic

Communication 427 (2018) 341-347.

[CT3]. D. Q. Tuan, N. T. T. Tam, H. T. Loan, N. T. Cam, Trajectories of

free bead in 2D trapping region of nonlinear optical tweezers, Journal of

Military Science and Technology, Special Issue, No.57A, November

2018, pp. 97 - 105.

[CT4]. Ho Quang Quy, Doan Quoc Tuan, Tran Xuan Kien, Nonlinear

optical tweezers for plasmid DNA molecules, IOP, Halong, 2018, p.196.

[CT5]. Doan Quoc Tuan, Ho Quang Quy, Nguyen Thu Cam, Do Thanh

Viet, Thai Doan Thanh, Nguyen Mạnh Thang, Suitable configuration of

nonlinear optical tweezers for stretching of DNA molecules, IOP, Halong,

2018, p.37

[CT6]. Nguyen Manh Thang, Ho Quang Quy, Thai Doan Thanh, Doan

Quoc Tuan, Do Thanh Viet, Doan Quoc Khoa, 3D control stretched

length of lambda‑phage WLC DNA molecule by nonlinear optical

tweezers, Optical and Quantum Electronics, 52,51(2020).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Nguyễn Thanh Lâm, L. T. Q. Anh, D. A. Phương (2016), Chế tạo màng

bảo vệ cảm biến cho laser beam profiler, Hội nghị KH Trường

ĐHKHTN lần thứ 10.

2. Nguyễn Thanh Lâm (2018), Nghiên cứu tính chất quang phi tuyến bậc ba

qua chiết suất phi tuyến, hệ số hấp thụ phi tuyến của một số thuốc nhuộm

hữu cơ và ứng dụng, Luận án tiến sĩ, ĐH KHTN, ĐHQG Tp. Hồ Chí

Minh.

3. Hoàng Văn Nam (2015), Phân bố lực trong không gian của kìm quang

học Kerr sử dụng chùm tia laser Gauss, Luận án tiến sĩ, Viện KH-CNQS.

4. Hồ Quang Quý (2005), Kìm Quang học, NXB Đại học Vinh.

5. Nguyễn Văn Thịnh (2017), Mảng kìm quang học biến điều quang-âm,

Luận án tiến sĩ, ĐH Vinh.

6. Thái Đinh Trung (2017), Điều khiển độ căng của phân tử ADN trong

dung môi phi tuyến bằng kìm quang học, Luận án tiến sĩ , ĐHVinh.

Tiếng Anh

7. A. Ashkin (1970), Acceleration and trapping of particles by radiation

pressure, Phys. Rev. Lett., 24, 156-159.

8. A. Ashkin et al (1986), Observation of a single-beam gradient force

optical trap for dielectric particles, AT&T Bell Laboratories, Holmdel,

New Jersey 07733, March 4.

9. A. Ashkin (1992), Forces of a single-beam gradient laser trap on a

dielectic sphere in the ray optics regime, Biophys. J.,24, 569-582.

10. A. Ashkin (1997), Optical trapping and manipulation of neutral particles

using laser, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 94,4853-4860.

11. A. A. Ambardekar, Y. Q. Li (2005), Optical levitation and manipulation

of stuck particles with pulsed optical tweers, Opt. Lett.,30, 1797-1799.

12. A. Isomura, N.Magome, M.I.Kohira, K.Yoshikawa (2006), Toward the

stable optical trapping of a droplet with counter laser beams under

microaravity, Chemical Physics Letters, 429,321-325.

13. A. Kumar De, D. Roy, B. saha, D. Goswami (2008), A simple method for

constructing and calibrating an optical tweezer, Current Science, 95, 723-724.(13)

14. A. N. Grigorenko, N.R. Roberts, M.R. Dickinson, and Y. Zhang (2008),

Nanometric optical tweezers based on nanostructured substrates, Nature

Photonics 2 , 365-370.

15. Anita Devi, Sumit Yadav, Arijit K. De, Nonlinear optical trap:

dielectrics, metals, and beyond, Proceedings Volume 11463, Optical

Trapping and Optical Micromanipulation XVII; 114632E (2020).

16. A. O'Neil and M. Padgett (2001), Axial and lateral trapping efficiency of

Laguerre–Gaussian modes in inverted optical tweezers, Optics

Communications 193 ,1-6.

17. A. Rohrbach (2005), Stiffness of Optical Traps: Quantitative Agreement

between Experiment and Electromagnetic Theory, Phys. Rev. Lett. 95,

168102-1- 4.

18. Bakshi S., Siryaporn A., Goulian M., Weisshaar JC., Superresolution

imaging of ribosomes and RNA polymerase in live Escherichia coli cells.

Mol Microbiol., 85 (2012) 21-38.

19. Bernet S., Ritsch-Marte. M. Singer W. (2001), 3D-force calibration of

optical tweezers for mechanical stimulation of surfactant-releasing lung

cells, Laser Phys., 11, 1217-1223.

20. B. P. da Silva, V. A. Pinillos, D. S. Tasca, L. E. Oxman, and, A. Z.

Khoury, Pattern Revivals from Fractional Gouy Phases in Structured

Light, Phys. Rev. Lett. 124, 033902 (2020).

21. Bruno Suassuna, Bruno Melo, Thiago Guerreiro, Path integrals and

nonlinear optical tweezers, Phys. Rev. A 103, 013110 (2021).

22. C. Cecconi, E. A. Shank, C. Bustamate, and S Marquee, Direct observation

of the three-state folding of a single protein molecule, Science 309 (2005)

2057-60.

23. C. G. Bauman et al, “Stretching of single collapsed DNA molecule,”

Biophys. J., 78 (2000) 1965-1978.

24. C. L. Zhao, L. G. Wang, X. H. Lu (2006), Radiation forces on a dielectric

sphere produced by highly focused hollow Gaussian beams, Phys. Lett. A 363,

502-506.

25. C. L. Zhao, L. G. Wang (2007), Dynamic radiation force of a pulsed Gaussian

beam acting on a Rayleigh dielectric sphere, Optical Society of America, 32,

1393-1395.

26. C. Neuman and S. M. Block (2004), Optical trapping, Rev. of Scient.

Intruments, 75, 2787-2809.

27. C. Neuman and S. M. Block (2004), Optical trapping, Rev. of Scient.

Instruments, 75, 2787-2809.

28. Couris, S., Renard, M., Faucher, O., Lavorel, B., Chaux, R., Koudoumas, E.

and Michaut, X. (2003), An experimental investigation of the nonlinear

refractive index (n2) of carbon disulfide and toluene by spectral shearing

interferometry and z-scan techniques. Chemical Physics Letters 369 , 318-324.

29. D. Preece, R. Bowman, A. Linnenberger, G. Gibson, S. Serati and M.

Padgett (2009), Increasing trap stiffness with position clamping in

holographic optical tweezers, Opt. Express, 17, 22718-22724.

30. D. J. Armstrong, T. A. Nieminen, A. B. Stilgoe, A. V. Kashchuk, I. C. D.

Lenton, and H. Rubinsztein-Dunlop, Swimming force and behavior of

optically trapped micro-organisms, Optica 7, 989 (2020).

31. D. T. Thai, V. L. Chu and Q. Q. Ho, Recorrection Stretch Function of

the Spring-Like Elastic DNA Molecules, Inter. J. of Engin. and

Innov.Techn. (IJEIT), 3(9) (2014) 1-4.

32. E. Koushki, A. Farzaneh, S.H. Mousavi (2010), Closed aperture Z-scan

technique using the Fresnel-Kirchhoff diffraction theory for materials

with high nonlinear refractions, Appl Phys. B99, 565-570.

33. E. R. Dufresne and D. G. Grier (1998), Optical tweezer arrays and optical substrates

created with diffractive optics, Rev. of Scient. Instruments, 69,1974-1977.

34. European Network of Excellence for Biophotonics (2014), Acousto-

optical deflectors for optical tweezer arrays, Networking for Better

Health Care, http://WWW.Photonics4life.eu/lavout/set/Consortium/P4L-

DB/All-items.

35. Fazal, F. M., Meng, C. A., Murakami, K., Kornberg, R. D. & Block, S.

M., Real-time observation of the initiation of RNA polymerase II

transcription, Nature 525, (2015) 274–7.

36. G. V. Soni, F. M. Hameed, T. Roopa and G. V. Shivashankar (2002),

Development of an optical tweezer combined with micromanipulation

for ANA and protein nanobioscience, Current Science, 83, 1464-1471.

37. H.A. Badran, Q.M.A. Hassan, A.Y. Al-Ahmad, C.A. Emshary (2011),

Laser-induced optical nonlinearities in Orange G dye: polyacrylamide

gel, Canadian J. of Physics, 89 , 1219-1224.

38. H.A. Badran, R.C. Abul-Hail, H.S. Shaker, Q.M. Hassan (2017), An all-

optical switch and third-order optical nonlinearrity of 3,4-

pyridinediamine, Appl. Physics B 123 , 31.

39. Honglian, Y.,Xincheng, Y., Zhaolin, L., Bingying, C., Xuehai, H.,Daozhong

Z. (2013): Measurements of displacemant and trapping force on micro-sized

particles in optical tweezer system. Science in China 45, 919- 925.

40. H. Q. Quy, M. V. Luu, Hoang Dinh Hai and Donan Zhuang (2010), The

Simulation of the Stabilizing Process of Dielectric Nanoparticle in

Optical Trap using Counter-propagating Pulsed Laser Beams, Chinese

Optic Letters, 8(3),332-334.

41. H. Q. Quy, H. D. Hai (2012), The simulation of the stabilizing process of

glass nanoparticle in optical tweezer using series of laser pulses,

Commun. In Phys., 22, 175-181.

42. H. Q. Quy, H. V. Nam (2012), Influence of the Kerr effect on the optical

force acting on the dielectric particle, J. Phys. Scien. Appl., 2 , 414-419.

43. H. Q. Quy, H. V. Nam, T. D. Trung, C. V. Lanh, C. T. Le (2012),

Dynamics of nanopartcle in Kerr medium under optical tweezer,

Adv. In Opt Spectr. & Appl. VII, ISSN 1859-4271, 794-799.

44. H. V. Nam, C. T. Le, H. Q. Quy (2013), The influence of the

selffocusing effect on the the optical force acting on dielectric

particle embedded in Kerr medium, Commun in Phys., 23, 155.

45. H. Q. Quy, H. D. Hai, M. V. Luu (2010), The Influence of Parameters on Stabe-

time “Pillar” in Optical Tweezer using Counter-propagating Pulsed Laser Beams,

Computational methods for Science and Technology, Special Isue (2), 61-66.

46. Howie Mende, Ph.D. (2000), Optical Trapping, manipulation,

translation and spinning of micron sized gears using a vertical dual

Laser diode system, Laurentian University, Ontario, Canada.

47. H. Q. Quy, T. B. Chu, M. V. Luu, and T. N. Truoi (2007), Influence of

intracavity nonlinear efects on laser beam’s structure, Proc. Advances in

Opt. Photon. Spect. & Appl., Can Tho, 361-366.

48. H.N. Motlagh, D. Toptygin, C.M. Kaiser, and V.J. Hilser (2016), Single-

molecule-chemical spectroscopy provides structural idensity of folding

intermediates, Biophys.J. 110,1280-1290.

49. H. Moradi, V. Shahabadi, E. Madadi, E. Karimi, and F. Hajizadeh,

Efficient optical trapping with cylindrical vector beams, Opt. Express 27,

7266 (2019).

50. Hao, Y., Canavan, C., Susan, S. T., Rodrigo, A. M. (2017), Integrated

method to attach DNA handlex and functionall select proteins to study

folding and protein-ligand interaction with optical tweezers, Scientific

reports 7, 1-8.

51. I. Fuks, B. Derkowska, B. Sahraoui, S. Niziol, J. Sanetra, D. Bogdal and J.

Pielichowski (2002), Third-order nonlinear optical susceptibility of

polymers based on carbazole derivatives, J. Opt. Soc. Am. B 19 (1) 89-93 .

52. I. C. Khoo, S. T. Wu (1993), Optics and nonlinear optics of liquid

crystals, World Scientific Publ. Co. Pte. Ltd.

53. Justin E.Molloy et al (2003), Preface: Optical tweezers in a new light,

Journal of Modern Optics, 50(10), 1501-1507.

54. J. H. G. Huisstede (2006), Scanning probe optical tweezers: A new tool to study

DNA-protein interactions, Printed by FEBODRUK BV, Enschede, ISBN 90-

365-2355-9.

55. J. K. Wahlstrand, Y. H. Cheng, H. M. Milchberg (2012), “Absolute

measurement of the transient optical nonlinearity in N2, O2, N2O, and Ar”

Phys. Rev. A 85, 043820.

56. Jiang, Y., Narushima, T. and Okamoto, H. (2010), Nonlinear optical effects in

trapping nanoparticles with femtosecond pulses, NATURE PHYSICS 6, 1005-

1009.(51)

57. Kishan Dholakia et al (2002), Optical tweezers: The next generation,

Physics World, 31-35.

58. K-B. Im, D-Y. Lee, H-I. Kim, C-H. Oh, S-H. Song and P-S. Kim, B-C.

Park (2002), Calculation of optical trapping forces on microspheres in

the ray optics regime, J. Korean Phys. Soc., 40, 930-933.

59. K. Yamakawa (2004), “ Table top lasers create ultrahigh peak powers,”

Oyo-Butsuri, 73(2),186-193 (in Japanese).

60. Kim, H. K., Joo, I-J., Song, S_H., Kim, P-S., Im, K-B. and Oh, C-H. (2003),

Dependence of the Optical Trapping Efficiency on the Ratio of the Beam Radius-

to-the Aperture Radius, J. of the Korean Physical Society 43(3), 348-351.

61. Kotsifaki, D. G., Kandyla, M., and Lagoudakis, P.G. (2016), Plasmon

enhanced optical tweezers with gold-coated black silicon. Sci. Rep. 6,

26275.

62. L. G. Wang, C. L. Zhao, L. Q. Wang, X. H. Lu, S. Y. Zhu (2007), “Effect

of spatial coherence on radiation forces acting on a Rayleigh dielectric

sphere,” Opt. Lett., 32, 1393-1395.

63. Marco F. Duarte, Mark A. Davenport, Dharmpal Takhar, Jason N.

Laska, Ting Sun, Kevin F. Kelly, and Richard G. Baraniuk (2008),

Single-Pixel Imaging via Compressive Sampling, Single-Pixel Imaging

via Compressive Sampling, 85, March.

64. M. D. Wang, H. Yin, R. Landick, J. Gelles, and S. M. Bock (1997),

Stretching DNA with Optical Tweezers, Biophys. J.,72, 1335-1346.

65. M.B. Alsous, M.D. Zidan, A.Allahham (2014), Z-scan measurements of

optical nonlinearity in Acid Blue 29 dye, Optik-International J. for Light

and Electron Optics, 125 , 5160-5163.

66. M. D. Zidan, A.W.Allaf, Z. Aji, A. Allahham (2011), Investigation of the

optical limitting properties of acid blue 29 in various solvents, Opt. Laser

Technol., 43, 1347-1350.

67. M.H. Shabestari, A.E.C. Meijering, W.H. Roos. G.J.L. Wuite, and E.J.G.

Peterman (2017), Recent advance in biological single-molecule applications of

optical tweezers and fluorescence microscopy, Method in Enzymology, 582,

85-115.

68. M.M. Ara, S. Salmani, S. H. Mousavi, E. Koushki (2010), Investigation

of nonlinear optical responses and observing diffrection rings in acid dye

(Paten Green), Current Apl. Phys., 10 , 997-1001.

69. Mihaela G. M., S. Valkai, A. Dér,Tudor S. Mozzammel H. (2015), "Stretching of

red blood cells using an electro-optics trap," Biomed Opt Express, 6(1), 118-123.

70. M.P. MacDonald, I. Peterson, W. Sibbett, and K. Dholakia (2002),

“Trapping and manipulation of low-index particles in a two-dimensional

interferometric optical trap,” Opt. Lett., 26, 863-865.

71. M. S. Rocha (2009), Optical tweezer for undergraduates: Theoretical

analysis and Experiments, Am. J. Phys., 77, 704-712.

72. Min, D., Arbing, M.A., Jefferson, R.E. & Bowie, J.U. (2016), A simple

DNA handle attachment method for single molecule mechanical

manipulation experiments, Protein Sci. 25, 1535-1544.

73. M. Mangeat, Y. Amarouchene, Y. Louyer, T. Guérin, and D. S. Dean,

Role of nonconservative scattering forces and damping on Brownian

particles in optical traps, Phys. Rev. E 99, 052107 (2019).

74. O. G. Bokov (1974), Theory of the nonlinear refractive index of liquids,

Zh. Eksp. Teor. Fiz. 67 , 1859-1869.

75. O. Moine and B. Stout (2005), Optical force calculations in arbitrary

beams by use of the vector addition theorem, J. Opt. Soc. Am. B, 22,

1620-1631.

76. P. Zemanek, V. Karasek, A. Sasso (2004), Optical forces acting on

Rayleigh particle placed into interference field, Optics Commun. 240,

401-415.

77. P. Mangeol, D. Cote, T. Bizebard, O. Legrand, and U. Bockelmann

(2006), Probing DNA and RNA single molecules with a double optical

tweezer, Eur. Phys.,E19, 311-317.

78. Quy Ho Quang, Thanh Thai Doan, Tuan Doan Quoc, Thang Nguyen

Manh (2018), Nonlinear optical tweezers for longitudinal control of

dielectric particles, Opt. Commun., 421, 94-98.

79. R. A. B. Suarez, L. A. Ambrosio, A. A. R. Neves, M. ZamboniRached,

and M. R. R. Gesualdi, Experimental optical trapping with frozen waves,

Opt. Lett. 45, 2514 (2020).

80. R. Bulushev (2017), Nanocapillaries combined with optical tweezers as a

single molecule technique for studying DNA-protein complexes, Doctor

thesis, ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE,

Suisse.

81. R. C. Wang, Y.Li, S. Shen, and S. Liu (2011), “Optical Tweezer Array

System Based on 2D Photonic Crystals,” Physics Procedia 22, 493-497.

82. R. Krishnana, M. Ayyanarb, A. Kasinathana, P. Kumarb (2018),

Birefringence, Photo luminous, Optical Limiting and Third Order

Nonlinear Optical Properties of Glycinium Phosphite (GlP) Single Crystal:

A potential Semi Organic Crystal for Laser and Photonics Applications,

Materials Research, 21(2): e20170329.

83. R. M. Pettit, W. Ge, P. Kumar, D. R. Luntz-Martin, J. T. Schultz, L. P.

Neukirch, M. Bhattacharya, and A. Nick Vamivakas, An optical tweezer

phonon laser, Nat. Photon. 13, 402 (2019).

84. R. Pobre and C. Saloma (1997), Single Gaussian beam interaction with a Kerr

microsphere: characteristics of the radiation force, Appl. Optics, 36, 3515-3520.

85. R. Pobre and C. Saloma (2002), Radiation force on a nonlinear

microsphere by a tightly focused Gaussian beam, Appl. Optics, 41, 7694-7701.

86. R.R. Krishnamurthy, R. Alkondan (2010), Nonlinear characterization of

Mercurochrome dye for potential application in optical limiting, Opt.

Appl., XL, 187-196.

87. S. C. Kuo (1992), M. P. Sheetz, Optical tweezers in cell biology, Trends

Cell Biol. 2, 16-24.

88. S. Hormeno and J. R. Arias-Gonzalez (2006), Exploring

mechanochemical processes in the cell with optical tweezers, Biol. Cell,

98, 679-695.

89. S. Jeyaram, T.Geethakrishnan (2017), Third-order nonlinear optical properties of

acid green 25 dye by Z-scan method, Optics & Laser Technology, 89 , 179-185.(81)

90. Shekaramiz M., Moon T.K., Gunther J.H. (2016), AMP-B-SBL: An

100

algorithm for clustered sparse signals using approximate message

passing, Ubiquitous Comput Electron Mob Commun Conf

(UEMCON) IEEE Annu. 2016 Oct; 2016:

10.1109/UEMCON.7777899.

91. Stigler, J., Ziegler, F., Gieseke, A., Gebhardt, J. C. M. & Rief, M. (2011), The

complex folding network of single calmodulin molecules, Science 334 , 512–516.

92. Sun, B. & Wang, M. D. (2016), Single-molecule perspectives on helicase

mechanisms and functions, Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 51 , 15–25.

93. Saleh, E.A.,Teich,M.C. (1991), Fundamentals of Photonics. A Wiley-

Interscience Publication.

94. T. D. Trung, D. Q. Khoa, B. X. Kien, H. Q.Quy (2016), 3D controlling

the bead linking to DNA molecule in a single-beam nonlinear optical

tweezers, Opt Quant Electron., 48, 561.

95. T. D. Thanh, D. Q. Khoa, H. Q. Quy (2018), Acousto-optical tweezers

for stretch of DNA molecule, Opt Quant Electron., 50 , 51.

96. Thai Dinh Trung, Bui Xuan Kien, Nguyen Thanh Tung, Ho Quang Quy

(2016), Dynamics of polystyrene beads linking to DNA molecules under

single optical tweezers: A numerical study using full normalized Langevin

equation, J. of Nonlinear Optical Physics & Materials 25 (4), 1650054.

97. T. Tlusty, A. Meller, and R. Bar-Ziv (1998), Optical Gradient Forces of

Strongly Localized fields, Phys. Rev. Lett.,81, 1738-1741.

98. T. Li (2013), Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped

Microsphere, Chap. II: Physical principle of Optical Tweezers, Springer

Theses, DOI:10.1007/978-I-4614-6031-2, 2, Springer Science+Business

MediA New York.

99. Van Nam Hoang, Thanh Le Cao, Quang Quy Ho (2013), Influence of Kerr

Effect on Tweezer Center Location in Nonlinear Medium, International Journal

of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), Vol. 3, No.3, pp.134-138.

101

100. Volpe, G., Volpe, G. (2013), Simulation of Brownian particle in an

optical trap, Am. J. Phys., 81, 224-230.

101. William F. Heinz and Jan H. Hoh (1999), Spatially resolved force

spectroscopy of biological surfaces using the atomic force microscope,

TIBTECH 17, 145-150.

102. W. B. Fu, X. L. Wang, X. H. Zhang, S. Y. Ran, J. Yan ad M. Li, (2006),

Compaction dynamics of single DNA molecules under tension, J. Am. Chem.

Soc. 128 , 15040- 15041.

103. Wilkes, Z.W., Varma, S., Chen, Y.-H., Milchberg, H.M., Jones T.G. and

Ting, A. (2009), Direct measurements of the nonlinear index of

refraction of water at 815 and 407 nm using-shot supercontinuum

spectral interferometry, Applied Physics letters 94 , 211102.

104. J. T. Zhang, Y. Yu, W. B. Cairncross, K. Wang, L. R. B. Picard, J. D. Hood, Y.-

W. Lin, J. M. Hutson, and K.-K. Ni, Forming a Single Molecule by

Magnetoassociation in an Optical Tweezer, Phys. Rev. Lett. 124, 253401 (2020).

105. J. Flajšmanová, M. Šiler, P. Jedlicka, F. Hrubý, O. Brzobohatý, R. Filip, and P.

Zemánek, Using the transient trajectories of an optically levitated nanoparticle to

characterize a stochastic duffing oscillator, Sci. Rep. 10, 14436 (2020).

106. Y. Amarouchene, M. Mangeat, B. V. Montes, L. Ondic, T. Guérin, D. S.

Dean, and Y. Louyer, Nonequilibrium Dynamics Induced by Scattering

Forces for Optically Trapped Nanoparticles in Strongly Inertial Regimes,

Phys. Rev. Lett. 122, 183901 (2019).

107. Y. Tanaka, H. Kawada, S. Tsutsui, M. Ishikawa, H. Kitajima (2009),

“Dynamic micro-bead arrays using optical tweezers combined with

intelligent control techniques,” Opt. Express 17, 24102-24111.

108. Yuquan Zhang, Junfeng Shen, Junfeng Shen, Changjun Min, Yunfeng Jin,

Yuqiang Jiang, Jun Liu, Siwei Zhu, Yunlong Sheng, Anatoly V. Zayats*, and

Xiaocong Yuan, Nonlinearity-Induced Multiplexed Optical Trapping and

102

Manipulation with Femtosecond Vector Beams, Nano Lett. 18, 9, 5538–

5543(2018).

109. Y. Izawa, N. Miyanaga, J. Kawanaka, and K. Yamakawa (2008), High

Power Lasers and Their New Applications, J. of the Optical Society of

Korea, 12 ( 3), 178-185.

110. Y. Harada, T. Asakura (1996), Radiation forces on a dielectric sphere in

the Rayleigh scatting regime, Opt. Commun. 124, 529-541.

111. Y. Zheng, L.-M. Zhou, Y. Dong, C.-W. Qiu, X.-D. Chen, G.-C. Guo,

and F.-W. Sun, Robust Optical-Levitation-Based Metrology of

Nanoparticle’s Position and Mass, Phys. Rev. Lett. 124, 223603 (2020).

112. Y. Zhang (2017), Energetics, kinetics, and pathway of SNARE folding

and assembly revealed by optical tweezers, Protein Sci., doi:10.1002/pro.

3116.(98).

113. Z. Henari, S. Cassidy (2012), Nonlinear optical properties and all

optical switching of Congo red in solution, Optik 123 , 711-714.

Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ ứng dụng điều khiển các vi hạt

NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN

SỬ DỤNG MÀNG MỎNG MÀU HỮU CƠ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VI HẠT

NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN

SỬ DỤNG MÀNG MỎNG MÀU HỮU CƠ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VI HẠT

HÀ NỘI - 2022

⃗ ⃗⃗ (1.1)

⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗ (1.2)

⃗

⃗

(1.4)

⃗ =

(

(1.6)

(1.7)

(

(

*

(

và √

và độ

] (2.10)

√[ (

, (2.12) ]

[

(

{ (

] }

[

] 0

1 (2.13)

(

(3.2)

(3.3)

(

(3.4)

1 (4.1) )

là độ dài Rayleigh.

) 0

1 (4.2) )

Màu

Tên hình

Init. Position Vị trí ban đầu (m)

Trap position Vị trí bẫy (m)

Pul. Time (Thời gian bẫy) (s) 300000

Lstr (m) (Chiều dài lớn nhất) LC=16.24m 12.81

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok