力学量是生物单分子重要的功能参数,是其进行各项生命活动的基础。借助单分子技术研究生物单分子的力学特性是科学家为探索生命本质而提出的一项重要课题,相关研究成果不仅有助于理解生命的奥秘,也为疾病预防和治疗、人类发明创造等活动提供了新的依据和思路。光镊力谱技术是最有力的单分子技术之一,以光学捕获的形式实现对单分子和生物细胞的捕获与操纵,具有亚纳米的精度和亚毫秒的时间分辨率,并且对生物样品低损伤,在单分子研究工作中拥有无可替代的重要性。施加外力拉伸生物单分子,通过研究其对外力作用的响应是进行力学特性研究的通用手段,这种研究方式需要准确获知所施加外力的大小和分子拉伸长度。对于力与位移成正比的光镊力谱技术而言,拥有精确操纵和纳米精度位移测量能力是进行单分子研究的前提。本文在研究生物大分子动力学特性的需求下,依托实验室精密仪器学科优势,自主设计和建设了单光源双光阱光镊力谱系统,主要研究实现光镊力谱系统的精确操纵和纳米精度的位移测量,具体工作内容有以下几个方面:1、研究光镊技术的基本原理,了解其发展历史和应用现状,为生物大分子动力学特性研究选定单光源双光阱光镊的实现方案。2、完成对光镊重要组成器件的选型,搭建光镊基本光学结构,实现光阱捕获功能,并探讨了可能影响系统性能的因素和应对方案。3、比较了光镊技术中几种常见的光阱操纵方式,基于NI LabVIEW软件开发环境、高性能FPGA数据采集卡和压电驱动反射镜实现光阱精确操纵,具备恒速和恒力模式。并通过三维微动台的控制,实现样品精密定位。4、详细研究光镊技术中涉及到的微粒位移测量方案,经比较选择基于四象限位置探测器(Quadrant photodiode detector,QPD)的背焦平面干涉法,设计完成微粒位移纳米精度测量系统,位移测量分辨力优于3nm,探测重复性小于1nm。