双偏振干涉测量技术在生物分析方面研究应用进展

双偏振干涉测量(dual-polarization interferometry,DPI)技术是2000年以后出现的一种灵敏、实时、无需标记的新型表面状态分析方法,它能够在亚秒尺度精确测量界面层厚度、密度和质量的绝对值。所以,DPI在固/液界面上蛋白质结构、功能表征,蛋白质之间或与其它分子间的相互作用研究,核酸固定化及杂交检测研究,模拟生物膜研究以及表面超微结构表征等方面都有着广泛的应用。本文介绍了DPI的测量原理和特点,着重评述了近年来DPI在生物分析方面的应用进展。

双偏振干涉测量技术研究生物分子相互作用:基于功能化脱氧核酸实时无标检测小分子

实时无标监测生物分子连接过程对理解生化过程具有重要的意义。当前，表面等离子体共振技术（SPR）被广泛地应用于监测这一过程，然而．常规的SPR仅能提供分子之间相互作用时分子层质量变化．并且只能直接检测分子量大于1000的分子。近来，

双偏振极化干涉技术实时研究三磷酸腺苷与其适配体相互作用

利用双偏振极化干涉(Dual polarization interferometry,DPI)测量技术实时研究了三磷酸腺苷(ATP)与其适配体(ATP-binding aptamer,ABA)间的相互作用。将单链ABA固定在DPI氮化硅芯片上,采用DPI技术实时监测ATP与固定的ABA的相互作用过程中敏感层的质量、厚度、密度的变化。通过详细分析敏感层质量变化,得到ATP与ABA间的结合速率常数(k_a=4.66×10~3L/(mol·s)、解离速率常数(k_d=1.70×10^(-2)·s^(-1))、结合常数(K_A=2.7×10~5L/mol)和解离常数(KD=3.7×10^(-6)mol/L)。通过测定敏感层质量、厚度和密度随ATP浓度的变化,分别建立了测定ATP的方法,检出限(LOD,3σ)分别为0.22μmol/L(质量变化)、0.14μmol/L(厚度变化)、0.32μmol/L(密度变化)。本研究利用DPI技术揭示了ABA与ATP相互作用中结构变化的实时信息,构建了新型ATP传感器,用于实际血清样品中ATP的检测,结果令人满意。

基于双偏振测量技术的DNA-亚甲基蓝相互作用研究

亚甲基蓝（MB）是一种吩噻嗪类染料，具光敏性质，在癌症光动力学治疗中有潜在应用。DNA-MB相互作用的光谱等研究表明，MB主要以嵌插方式与DNA作用。本工作利用表面实时分析技术，

Linnik偏振白光干涉微纳测量的关键技术研究

随着机械、电子、光学、材料和半导体等工业不断微型化、精密化的需求，开发的微纳米结构的三维形貌、表面膜厚、内部结构以及物理性质等特性对微纳米结构的研发和生产质量控制至关重要。因此，针对微纳米制造领域的三维非接触式测量系统及其技术的研究具有重要的学术价值和现实意义。

双偏振干涉测量研究聚合物界面行为的应用进展

双偏振干涉测量(dual polarization interferometry,简称DPI)技术具有无需标记、实时、精确测量的优点。因此它能对两相或者多相分子相互作用界面层的密度、厚度和质量进行实时地、动态地定量测量,从而了解分子结构与界面相互作用行为之间的关系。本文简单介绍了DPI的测量原理和特点,着重评述了DPI技术在研究聚合物固液界面行为方面的最新应用进展。通过借鉴国外学者的研究方法和模型,研究聚合物在油水界面的吸附过程,建立吸附过程热力学和动力学模型,从分子层面揭示聚合物在油水界面的吸附机理,为含聚污水处理提供新思路和理论依据。随着DPI研究应用的不断展开和深入,还可以应用于胶体表面化学、材料表面化学和纳米化学。

双偏振干涉式光纤陀螺的多相位调制技术

在双偏振干涉式光纤陀螺的发展过程中,光纤环上的应力、扭转等会造成正交偏振态之间的交叉耦合,降低陀螺系统的稳定性。提出了一种基于双偏振干涉式光纤陀螺的六态方波调制技术并进行了理论推导。该技术与传统的方波和四态方波调制相比,降低了偏振交叉耦合误差,提高了信噪比,大大增加了信号解算精度。通过实验对比测试了干涉式光纤陀螺在不同调制技术下的偏置稳定性。实验结果表明六态方波调制技术的偏置稳定性达到了9.85×10-4(°)/h,验证了六态方波提高信号解算精度的效果。

基于激光技术的亚纳米级位移测量系统的研究

研究和开发一种基于激光技术的新型亚纳米级位移测量系统。在马赫-曾德干涉仪的基础上进行改进,结合激光多普勒技术和激光偏振干涉技术,设计新型激光干涉测量光路,具有抗干扰能力更强、光路简单、易于安装调试等特点。将DSP技术引入激光干涉仪的信号处理系统,研究改进的8细分算法,完成对干涉条纹的细分、辨向和计数功能。经实验分析和研究证明,测量分辨力达到0.16 nm,运行速度可达0.14 mm/s,量程可达4μm,上述方法有效可行,可实现被测物体的亚纳米级位移测量。

液晶可调偏振滤波的研究

利用晶体双折射制作的各种偏振干涉滤光片均可实现调谐,但早期的双折射滤波器大多是通过1/4波片的转动来调谐波长,或者利用电关晶体在电场的作用下双折射率Δn(=n_o-n_e)的变化来实现调谐。但这种可调谐的电光滤波器不仅调谐范围有限,制作比较困难,而且只能在完全平行的光束下工作,视场较小。因而其使用受到限制。

基于空间载波的单波长剪切散斑干涉面内面外变形导数同时测量方法

剪切散斑干涉技术是测量物体变形导数的重要方法之一。针对单波长双光束面内面外变形导数测量系统中的干涉图获取问题,提出了一种基于空间载波的单波长剪切散斑干涉的面内面外变形导数同时测量方法。首先设计了一种单波长剪切散斑干涉测量光路。在该测量光路中,激光垂直入射到待测物表面,采用两个光轴相互垂直的偏振片来保证两个观测方向的光束偏振态相互垂直;使用透镜-光阑组合的马赫-曾德剪切装置来实现剪切量和载波量的独立调整。然后在剪切量一致的情况下,引入两个不同的载波频率,实现剪切散斑干涉图的相位频率分量在频谱中的分离,并通过空间载波相移技术从记录的剪切散斑干涉频谱图中提取与面内面外变形导数相关的相位分量。最后对载频的引入进行了分析与设计,同时进行了带槽口的三点弯曲实验板的变形测量。实验测量结果与仿真分析吻合,验证了该实验测量系统的可行性。

城市地表形变的双极化Sentinel‑1数据极化时序InSAR技术监测

利用双极化Sentinel⁃1数据有望得到较单极化数据更好的城市地表形变监测结果。以典型受地表沉降灾害影响的两座超大城市(墨西哥的墨西哥城和中国北京市)为研究区,分别基于长时序单、双极化Senti⁃nel⁃1数据,利用时序合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术和极化时序InSAR技术对两城市近年地表形变进行监测研究。结果表明,利用双极化Sentinel⁃1数据对干涉图进行极化优化后,干涉图相位质量得到提升,高质量像元比例明显增加。使用双极化数据后,形变监测点密度有显著提升,相比于单极化数据结果,墨西哥城和北京市监测点密度分别提升88%和50%;更高的监测点密度使部分区域双极化数据反演地表形变的准确性更高。与单极化Sentinel⁃1数据相比,利用双极化Sentinel⁃1数据进行城市地表形变监测可得到监测点密度更高、可靠性更好的结果。

离子交换配基密度对蛋白质吸附行为的影响

利用双偏振极化干涉测量仪(DPI)研究了离子交换配基密度对蛋白质吸附行为的影响。用N,N-二乙基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(DAPTMS)对DPI芯片进行修饰,利用X射线光电子能谱表征了芯片上配基密度的差异。以溶菌酶、细胞色素C、糜蛋白酶、牛血清白蛋白和免疫球蛋白为模型蛋白,利用DPI研究了5种蛋白质在不同配基密度界面上吸附量、吸附密度和空间形态。结果表明,随着配基密度的增加,蛋白在界面上的吸附量、吸附密度随之增加,起始吸附速率随之增大;蛋白的空间形态与配基密度密切相关,特别是免疫球蛋白,蛋白层厚度远小于其分子直径,空间形态发生变化。证明配基密度是影响界面上蛋白质吸附量、吸附密度和空间形态等吸附行为的关键因素。

基于单个光调制器的有线和单边带无线服务

为了在混合型传输网络中为用户提供更加灵活而便利的服务,提出了一种采用单个光调制器同时提供有线和单边带无线服务的系统。通过结合双极化二进制相移键控调制器、相位调节器等器件的应用,直接产生有线和单边带无线信号,抑制色散引起的走离效应,并成功实现10 Gbit/s有线信号和承载于40 GHz毫米波上的5 Gbit/s单边带无线信号在65 km单模光纤中的有效传输。实验结果表明,偏振复用技术和光副载波复用等技术的应用使信号在传输速率和性能上有了更大的提升,并将在未来宽带通信网中发挥重要作用。

汽车发动机点火研究

由于相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）提供了一个高度的空间和时间分辨力的非干涉测量技术，它已被认为是研究活塞发动机的燃烧过程的一种有用的工具。最近表明，在Calif、Livermore的Sandia国立实验室的科学家，已经使用CARS在压缩和燃烧丙烷研究发动机的动力冲程的过程中获得氨的详细的温度分布图。除这些温变测量外，这些研究者已使用新的偏振技术来改善CARS测温术的信噪比。

界面上配基种类对BSA吸附行为的影响

利用双偏振极化干涉测量仪(DPI)研究了界面上配基种类对BSA吸附行为的影响。采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、3-(甲氨基)丙基三甲氧基硅烷(MAPTMS)和N,N-二乙基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(DAPTMS)对DPI芯片进行了修饰,利用X射线光电子能谱比较了芯片上不同配基的密度,采用原子力显微镜(AFM)和DPI对界面上BSA吸附行为进行了研究。结果表明APTES修饰界面上BSA呈饼状,高配基密度易导致BSA多位点吸附。相同偶联密度条件下BSA在DAPTMS修饰芯片的吸附量高于MAPTMS修饰芯片,但吸附层厚度一致,表明DAPTMS表面上BSA存在聚集现象;AFM扫描结果与DPI分析结果一致,证明了配基密度和种类不仅影响界面上蛋白质吸附量,而且影响蛋白质吸附密度和表面聚集行为。

氧化硅片表面配基疏水性及含量对蛋白质吸附行为的影响

采用双偏振极化干涉分析技术研究了氧化硅片表面配基疏水性及含量对蛋白质质吸附行为的影响,用3种不同疏水性配基3-(氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES)、3-(N-甲氨基丙基)三甲氧基硅烷(MAPTMS)和3-(N,N-二乙基氨丙基)三甲氧基硅烷(DAPTMS)修饰氧化硅片,通过修饰时间控制硅片表面配基含量,研究了配基疏水性对牛血清白蛋白质(BSA)的影响和配基含量(N含量)对BSA、细胞色素C和糜蛋白酶吸附行为的影响.结果表明,BSA在疏水性最强的DAPTMS修饰的氧化硅表面吸附量及吸附动力学常数最大,分别为1.371 ng/mm2和0.056 s-1;DAPTMS含量对3种蛋白质吸附的影响与蛋白质疏水性密切相关,疏水性中等的BSA和细胞色素C为单分子层吸附,吸附量随N含量增加先增大后减小,N含量2.1%时吸附量最大,分别为16.9和60.2 nmol/m2.疏水性较强的糜蛋白酶为多分子层吸附,吸附量随N含量增大而减小,N含量1.1%时吸附量及吸附动力学常数分别为78.6 nmol/m2和0.040 s-1.

Effect of asymmetrical transfer coefficients of a non-polarizing beam splitter on the nonlinear error of the polarization interferometer

The mechanism of a non-polarizing beam splitter (NPBS) with asymmetrical transfer coefficients causing the rotation of polarization direction is explained in principle, and the measurement nonlinear error caused by NPBS is analyzed based on Jones matrix theory. Theoretical calculations show that the nonlinear error changes periodically, and the error period and peak values increase with the deviation between transmissivities of p-polarization and s-polarization states. When the transmissivity of p-polarization is 53% and that of s-polarization is 48%, the maximum error reaches 2.7 nm. The imperfection of NPBS is one of the main error sources in simultaneous phase-shifting polarization interferometer, and its influence can not be neglected in the nanoscale ultra-precision measurement.