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二級(jí)注冊(cè)計(jì)量師考試專業(yè)實(shí)務(wù)案例分析

新型光學(xué)鑷子實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化處理

一種有關(guān)雙重陷阱型光學(xué)鑷子的測(cè)量新理論，首次向研究者揭示如何能輕易地對(duì)他們的試驗(yàn)進(jìn)行最優(yōu)化處理，以便限制那些源于布朗運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的噪音。

光能夠用于幫助目標(biāo)物在物理空間上的移動(dòng)，這一事實(shí)對(duì)于那些不熟悉這一概念的人來(lái)說(shuō)，可能成為一個(gè)頗感震驚的啟示。事實(shí)上，光學(xué)鑷子，或者分析型光學(xué)陷阱，是能夠用于測(cè)量納米尺度的運(yùn)動(dòng)和皮可牛頓力的。因此，在人們?cè)O(shè)法理解單個(gè)分子內(nèi)部核心的工作機(jī)制時(shí)，這些陷阱正處于被考慮的首要問(wèn)題。

利用一個(gè)光學(xué)陷阱試圖測(cè)量一種分子力的大小和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，對(duì)該分子進(jìn)行研究的那部分，會(huì)被粘著于陷阱中的一個(gè)微球體上，同時(shí)另一區(qū)域則會(huì)粘著于陷阱的表面，或者被允許和一個(gè)不活動(dòng)的生物分子發(fā)生相互作用。陷阱的位置和硬度，能被用于測(cè)量這一分子系統(tǒng)中的力和運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橄葳宓奶卣骶拖褚粋€(gè)彈簧。不幸的是，在這種尺度下，由于溶劑經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生轟擊行為，微球的小型布朗運(yùn)動(dòng)將增加相當(dāng)大的噪音。2012年注冊(cè)計(jì)量師考試時(shí)間

Steve Block以前就發(fā)現(xiàn)，擁有兩個(gè)獨(dú)立性陷阱的雙重陷阱系統(tǒng)，它的物理設(shè)計(jì)能夠減少環(huán)境噪音，而且在百億分之一的尺度內(nèi)找到了解決方案，從而能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)定。加州大學(xué)伯克利分校的Carlos Bustamante及其同事，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)出了一種測(cè)量理論。根據(jù)這種理論，他們能夠?qū)@一雙重陷阱設(shè)計(jì)的表現(xiàn)行為進(jìn)行最優(yōu)化處理。研究生Jeff Moffitt表示，“雙重陷阱設(shè)計(jì)，是一種非常好的方法，能夠幫助儀器減免噪音。”然而，他們擔(dān)心的是，源于溶劑的布朗振動(dòng)將對(duì)這一雙重陷阱系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響，因而他們想設(shè)法知道如何規(guī)避這種現(xiàn)象。

Bustamante對(duì)關(guān)于這一理論的疑問(wèn)解釋說(shuō)，“當(dāng)我們有兩個(gè)珠子時(shí)，與一個(gè)珠子相比，我們會(huì)想像著將有更多的噪音，因?yàn)樗麄兪遣幌嚓P(guān)的，而且他們具有各自的噪音。這種分析的敏銳之處在于認(rèn)識(shí)到了珠子之間的噪音同相或者是反相，僅僅那些反相的噪音能夠影響你的信號(hào)。通過(guò)用這種方式進(jìn)行分析，基本上我們能夠減少大約50%的噪音。”因此，其結(jié)果就是，雙重陷阱型的儀器事實(shí)上沒(méi)有單個(gè)陷阱對(duì)布朗振動(dòng)那么靈敏。

他們的理論能幫助我們找到那些被稱為“普遍關(guān)聯(lián)”的試驗(yàn)信號(hào)，在我們可能的試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)之內(nèi)，它將提供最優(yōu)化的解決方案，這些參數(shù)包括像由于各種理由而被抑制的珠子大小和陷阱硬度。這有望為研究者提供一個(gè)他們本來(lái)在更低的彈性張力情況下所能夠提供的可獲得最優(yōu)解決方法的簡(jiǎn)單方式，而它對(duì)研究中的系統(tǒng)產(chǎn)生了更小的負(fù)面效果。

論文的共同作者Yann Chemla提醒說(shuō)，“噪音的環(huán)境源和儀器源仍然很重要，我們的理論并不永遠(yuǎn)是一劑良方來(lái)幫助你尋找解決方案。對(duì)這些觀點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)調(diào)是十分重要的。我們不得不真正十分仔細(xì)地制造儀器，不得不考慮房間中的溫度穩(wěn)定性、儀器的機(jī)制穩(wěn)定性和聲音隔離效果的穩(wěn)定性。”

很多實(shí)驗(yàn)室由于正在考慮在他們自己的試驗(yàn)項(xiàng)目中使用雙重陷阱型機(jī)器，因此對(duì)于那些試圖在百億分之一尺度的解決方案中探究酶和馬達(dá)工作機(jī)制的研究者來(lái)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是一個(gè)極大的幫助。

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