激光拉曼双光镊系统的研制和应用及单个大米淀粉微的糊化特性的实时研究

摘要

光操纵和分析在水溶液状中的单个微粒在生物和物理方面已经得到了广泛的应用。由于光镊可实现生物活体样品的非实体接触和无损伤操纵,光镊技术已成为当前生物物理学新方法和新仪器的研究热点之一。激光光镊拉曼光谱技术是将光学囚禁技术与显微拉曼光谱技术相结合用于单细胞探测的新技术,与传统的显微拉曼相比有很大改进:光镊利用一束聚焦的激光产生的梯度力将单个活细胞长时间固定在焦点附近,优化了散射光的收集光路,从而获得高的信噪比。细胞被囚禁在载玻片上方十微米左右的位置,使来自载玻片的杂散光明显减弱。因此激光拉曼单光镊技术可无干扰地、直接地检测体内细胞生物大分子的变化,提供细胞内生物大分子组分及结构等有用信息。但是单光镊LTRS系统只能跟踪和分析单个微粒或细胞,不能同时观察两个相关细胞间物质交换和流动的情况。
　　本文报道一种双光镊激光拉曼光谱系统,能达到同时观察与跟踪两个细胞或者一个细胞两个相关部分的目的:一束激光通过分光镜分成两束光,通过倒置显微镜形成两个在Y轴上相隔5-20微米光镊,两个细胞被分别囚禁在光阱中,使得两个细胞在光谱仪的入射狭缝处成像在不同位置,同时收集它们的拉曼光谱。拉曼散射光在CCD Y轴上不同的区域分别感光。
　　本文构建了上述双光镊系统并且成功的观察了酵母细胞出芽生长过程中母体和芽体的动态行为。通过对光谱进行一系列的分析发现酵母出芽生殖过程中,细胞核营养物质并不是单纯的从母体流向芽体,而是在母体与芽体间往复流动。还观察了相同微环境下Bt孢子的萌发过程,通过个体间释放CaDPA速度不同体现个体异质性。国内外研究淀粉糊化主要是从淀粉的宏观特征来研究,比如用粘度速测仪( R V A)测出谷物和淀粉的RVA特征谱。通过分析RVA特征谱研究淀粉的最高粘度,热浆粘度,崩解值和回生值来描述整个糊化过程。对淀粉糊化行为的认识都是通过研究其群体样品而得到的统计平均信息,研究的是淀粉群体颗粒的糊化趋势。
　　本文首次采用拉曼光谱研究小颗粒淀粉的糊化过程,得到糊化过程中分子官能团的变化过程信息:选用能稳定俘获淀粉颗粒的加温方式,在特定加温模式和过量水分条件下,采用激光光镊拉曼光谱系统(LTRS)研究单个大米淀粉微粒的糊化行为,获得整个糊化过程的拉曼光谱。以光谱峰高的变化标记糊化过程,进一步验证了477cm-1峰归属为淀粉分子骨架振动的事实。通过分析C-O-H基团相关特征峰1052、1083、1127、1339 cm-1的变化情况研究大米淀粉颗粒糊化过程中的速率问题。结果显示,糊化开始后,上述特征峰在过程中呈增强趋势,随着时间增加,温度升高,速率加快,直至糊化结束。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.1.1 双光镊、多光镊技术

1.1.2 双光镊应用

1.2 光镊

1.2.1 光镊的产生

1.2.2 光镊原理

1.2.3 光阱力的计算

1.3 拉曼光谱

1.3.1 拉曼散射的解释

1.3.2 拉曼光谱的特点

1.3.3 拉曼光谱技术

1.4 小结

第二章 激光拉曼双光镊系统

2.1 激光拉曼单光镊系统的基本组成

2.1.1 激光器光源

2.1.2 激光光路调节系统

2.1.3 光路耦合系统

2.1.4 显微镜光阱微操作系统

2.1.5 实时监测与图象处理系统

2.2 激光拉曼双光镊的设计和构成

2.3 仪器元件购选原则

2.3.1 生物显微镜

2.3.2 激光光源

2.3.3 光谱仪

2.3.4 光路设计

2.4 小结

第三章 双光镊拉曼系统操纵与分析活细胞

3.1 引言

3.2 材料准备

3.3 实验结果

3.3.1 光镊

3.3.2 拉曼散射的收集

3.3.3 光谱仪和CCD

3.3.4 用小球实现

3.3.5 酵母出芽生及孢子萌发长实验

3.4 结论

第四章 拉曼光谱法测定单个大米淀粉微粒糊化过程的实时研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料与方法

4.2.2 实验装置

4.3 光谱收集与数据处理

4.4 实验结果与讨论

4.4.1 光谱变化标记糊化过程

4.4.2 验证477 cm-1峰的归属

4.4.3 校正体积膨胀影响后单个淀粉颗粒拉曼光谱糊化速率变化过程分析

4.5 结论

第五章 总结

参考文献

攻读硕士期间撰写的论文

致谢