单分子力谱测量技术是分子生物学中的重要研究手段。由于大多数生物变化都伴随着生物分子之间的相互作用,因此对生物分子自身的力学特性的研究有助于我们从微观角度的揭示这些过程。而光镊是单分子力谱测量的主要方式,因此本课题针对单分子力谱测量实验中对分子两端受力及分子形变量的测量需求,设计了一种基于单光束光镊的单分子力谱测量系统,课题的研究点如下:1.建立了基于T矩阵的三维光阱力模型。通过电磁模型解释光镊捕获微粒的原理,在电磁模型的理论基础上使用T矩阵法求解散射光场系数,实现对光阱中微粒受力的解算。并应用三维光阱力模型分析光镊系统中各项参数如激光波长、功率、微粒折射率等因素对光镊在光阱刚度、最大捕获方面性能的影响,为光镊设计中的参数选择提供了依据。2.设计了基于光动量法的单光束光镊测力系统。将单分子力谱测量实验中分子两端受力测量转化为对连接在小球两端微粒所受光阱力的测量。根据激光在传播过程中动量守恒的原理,将激光在与粒子作用前后光动量的改变量通过计算得到光阱力的数值,避免了采用传统刚度法测量光阱力时由于光阱刚度非线性导致的测量误差。同时给出光动量变化量的收集方法,使用位置传感器PSD与光强传感器PD对传感器接收散射光,并推导出了光阱力与传感器输出信号之间的关系,从理论上证明了光动量测力法的可行性。3.设计了单分子力谱测量实验中基于光阱刚度的分子形变量测量方法,首先通过位置传感器PSD测量得到光阱在聚焦平面上的位移信息,再通过功率谱法标定得到光阱刚度,由光阱刚度与光阱力根据胡克定律计算出微粒与光阱中心的相对位置,并将二者结合起来,计算得到分子形变量,为分子结构变化的分析提供了关键的形变信息。4.设计并搭建了基于单光束的单分子力谱测量实验系统。通过一系列实验验证了光镊系统在微粒捕获操控、光阱力测量、刚度标定以及力反馈控制等方面的性能。实验证明系统对光阱力测量分辨力优于0.5pN,测量误差小于5.5%,对分子形变量的测量误差小于5.2%,满足力谱测量实验需求。此外,本课题还设计并完成了preQ1核糖开关RNA的拉伸实验,通过对核糖开关分子力谱的测量结果分析得出了环境中镁离子对分子性质的影响,也验证了光镊系统在单分子力谱测量实验中的有效性。