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二級注冊計量師考試專業實務案例分析

新型光學鑷子實現最優化處理

一種有關雙重陷阱型光學鑷子的測量新理論，首次向研究者揭示如何能輕易地對他們的試驗進行最優化處理，以便限制那些源于布朗運動所產生的噪音。

光能夠用于幫助目標物在物理空間上的移動，這一事實對于那些不熟悉這一概念的人來說，可能成為一個頗感震驚的啟示。事實上，光學鑷子，或者分析型光學陷阱，是能夠用于測量納米尺度的運動和皮可牛頓力的。因此，在人們設法理解單個分子內部核心的工作機制時，這些陷阱正處于被考慮的首要問題。

利用一個光學陷阱試圖測量一種分子力的大小和運動狀態時，對該分子進行研究的那部分，會被粘著于陷阱中的一個微球體上，同時另一區域則會粘著于陷阱的表面，或者被允許和一個不活動的生物分子發生相互作用。陷阱的位置和硬度，能被用于測量這一分子系統中的力和運動，因為陷阱的特征就像一個彈簧。不幸的是，在這種尺度下，由于溶劑經常會產生轟擊行為，微球的小型布朗運動將增加相當大的噪音。2012年注冊計量師考試時間

Steve Block以前就發現，擁有兩個獨立性陷阱的雙重陷阱系統，它的物理設計能夠減少環境噪音，而且在百億分之一的尺度內找到了解決方案，從而能夠對蛋白質的運動進行精確測定。加州大學伯克利分校的Carlos Bustamante及其同事，現在開發出了一種測量理論。根據這種理論，他們能夠對這一雙重陷阱設計的表現行為進行最優化處理。研究生Jeff Moffitt表示，“雙重陷阱設計，是一種非常好的方法，能夠幫助儀器減免噪音。”然而，他們擔心的是，源于溶劑的布朗振動將對這一雙重陷阱系統產生更大的影響，因而他們想設法知道如何規避這種現象。

Bustamante對關于這一理論的疑問解釋說，“當我們有兩個珠子時，與一個珠子相比，我們會想像著將有更多的噪音，因為他們是不相關的，而且他們具有各自的噪音。這種分析的敏銳之處在于認識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。通過用這種方式進行分析，基本上我們能夠減少大約50%的噪音。”因此，其結果就是，雙重陷阱型的儀器事實上沒有單個陷阱對布朗振動那么靈敏。

他們的理論能幫助我們找到那些被稱為“普遍關聯”的試驗信號，在我們可能的試驗設計參數之內，它將提供最優化的解決方案，這些參數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他們本來在更低的彈性張力情況下所能夠提供的可獲得最優解決方法的簡單方式，而它對研究中的系統產生了更小的負面效果。

論文的共同作者Yann Chemla提醒說，“噪音的環境源和儀器源仍然很重要，我們的理論并不永遠是一劑良方來幫助你尋找解決方案。對這些觀點進行強調是十分重要的。我們不得不真正十分仔細地制造儀器，不得不考慮房間中的溫度穩定性、儀器的機制穩定性和聲音隔離效果的穩定性。”

很多實驗室由于正在考慮在他們自己的試驗項目中使用雙重陷阱型機器，因此對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工作機制的研究者來說，這些發現應該是一個極大的幫助。

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