本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種使用雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的光控技術(shù)。

背景技術(shù)：

眾所周知，紅細(xì)胞在生物體新陳代謝和有氧呼吸過程中扮演著相當(dāng)重要作用，其物理和機(jī)制特性也被當(dāng)做生物醫(yī)學(xué)及病理臨床學(xué)研究的重要指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞的精確操控，尤其是可控旋轉(zhuǎn)和變形，有利于在微納尺度進(jìn)一步理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對(duì)血管疾病診斷、層析顯微成像、細(xì)胞微機(jī)械驅(qū)動(dòng)、機(jī)制力傳導(dǎo)和化學(xué)物質(zhì)釋放等都具有重要意義。截止目前，人們提出多種方案用于紅細(xì)胞的可控旋轉(zhuǎn)，包括介電泳、雙光束扳手和聚焦顯微成像技術(shù)等。同時(shí)，對(duì)于紅細(xì)胞可控變形，研究者也通過微過濾技術(shù)、激光衍射技術(shù)、微管輸送、電場(chǎng)以及原子力顯微技術(shù)等予以實(shí)現(xiàn)。此外，亦有研究通過使用全息光鑷或基于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱捕獲光束以及環(huán)形偏振光束的傳統(tǒng)光鑷來實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞的可控旋轉(zhuǎn)操控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，以上技術(shù)方案僅限于單功能化操作，即只能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)或細(xì)胞變形。為更加簡(jiǎn)易有效的研究紅細(xì)胞的物理和機(jī)制特性，基于單一平臺(tái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的可控旋轉(zhuǎn)和變形正日益引發(fā)研究人員的密切關(guān)注。而對(duì)于傳統(tǒng)光鑷和全息光鑷方法而言，一旦光捕獲結(jié)構(gòu)確定，細(xì)胞只能繞預(yù)先設(shè)計(jì)的軸向旋轉(zhuǎn)。由于光纖光鑷本身具有制作簡(jiǎn)易、便于集成、操作靈活等特性，我們將進(jìn)一步利用雙錐形光纖光鑷的出射激光同時(shí)實(shí)現(xiàn)人體紅細(xì)胞的可控旋轉(zhuǎn)，包括繞x軸，z軸及多元化的旋轉(zhuǎn)操控。此外，基于該技術(shù)方案還可實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞及多細(xì)胞的光控變形。

即本發(fā)明提供了一種用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷的制作方法，所述方法為通過熔融拉錐法制備雙光纖光鑷，并在末端具有漸變的錐形結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，本發(fā)明用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷的制作方法中，包括以下步驟：

1)將兩個(gè)單模光纖分別去除緩沖層和聚合物涂覆層，并套上毛細(xì)玻璃管；

2)將兩個(gè)步驟1)去除緩沖層和聚合物涂覆層的光纖置于氫氧火焰加熱至光纖熔點(diǎn)后沿光軸方向進(jìn)行拉伸；

3)兩個(gè)光纖將折斷為兩部分，并在末端形成漸變的錐形結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，本發(fā)明用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷的制作方法中，所述步驟2)中對(duì)兩個(gè)光纖的初始拉伸速度為0.5mm/s。

優(yōu)選地，本發(fā)明用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷的制作方法中，所述步驟2)中光纖直徑首先從125μm在1.8-2.2mm范圍內(nèi)減至7.8μm，再?gòu)?.6-6.4μm范圍內(nèi)從7.8μm減至0.47-0.53μm(即指光纖尖錐前端部分直徑從7.8μm減小至0.47-0.53μm，對(duì)應(yīng)橫向長(zhǎng)度為5.6-6.4μm之間變化，下同)，將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀；

優(yōu)選地，光纖直徑首先從125μm在1.8-2.2mm范圍內(nèi)減至7.8μm，在6μm長(zhǎng)度內(nèi)從7.8μm減至0.5μm時(shí)，將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀。

本發(fā)明的另一方面在于提供上述方法獲得雙光纖光鑷，所述雙光纖光鑷為通過熔融拉錐法制備，并在末端具有漸變的錐形結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述方法獲得的雙光纖光鑷中，所述雙光纖光鑷末端的錐形結(jié)構(gòu)為對(duì)兩個(gè)光纖的初始拉伸速度為0.5mm/s；當(dāng)光纖直徑首先從125μm在1.8-2.2mm范圍內(nèi)減至7.8μm，再?gòu)?.6-6.4μm范圍內(nèi)從7.8μm減至0.47-0.53μm，將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀；

優(yōu)選地，光纖直徑首先從125μm在1.8-2.2mm范圍內(nèi)減至7.8μm，在6μm長(zhǎng)度內(nèi)從7.8μm減至0.5μm時(shí)，將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀。。

本發(fā)明還提供了上述方法獲得的雙光纖光鑷對(duì)紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)的方法，包括以下步驟：

1)制備如上所述的雙光纖光鑷，分別連接到兩個(gè)激光器的輸出端，將含有紅細(xì)胞溶液的載玻片放置于x-y手動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)；

2)將第一光纖光鑷接近紅細(xì)胞溶液中的紅細(xì)胞，向第一光纖光鑷通入激光后，將紅細(xì)胞捕獲至第一光纖光鑷的前端，穩(wěn)定接觸后關(guān)閉激光；

3)向第二光纖光鑷通入激光，操控第一光纖光鑷所捕獲紅細(xì)胞，通過第二光纖光鑷沿-y/+y軸方向平移，以旋轉(zhuǎn)被捕獲紅細(xì)胞；

其中，所述第一光纖光鑷的波長(zhǎng)為980nm、功率30mw；

所述第二光纖光鑷的波長(zhǎng)為980nm、功率24mw。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的雙光纖光鑷對(duì)紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)的方法中，所述方法還包括第二光纖光鑷通入激光，操控第一光纖光鑷所捕獲紅細(xì)胞，通過第二光纖光鑷沿-y/+y軸方向平移，使得被捕獲紅細(xì)胞繞z軸旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的雙光纖光鑷對(duì)紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)的方法中，所述方法還包括將第二光纖光鑷通入激光，操控第一光纖光鑷所捕獲紅細(xì)胞的左半部分，通過第二光纖光鑷沿-y/+y軸方向平移，使得被捕獲紅細(xì)胞繞i軸旋轉(zhuǎn)，而實(shí)現(xiàn)被捕獲紅細(xì)胞的多元化旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明又提供了本發(fā)明所述的雙光纖光鑷對(duì)紅細(xì)胞可控變形的方法，包括以下步驟：

1)制備如上述方法獲得的雙光纖光鑷，分別連接到兩個(gè)激光器的輸出端，將含有紅細(xì)胞溶液的載玻片放置于x-y手動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)；

2)將第一光纖光鑷、第二光纖光鑷分別接近紅細(xì)胞溶液中的紅細(xì)胞的兩端，同時(shí)通入激光，紅細(xì)胞將在光力作用下被捕獲并沿光纖光鑷軸向方向排列，并沿光纖光鑷軸向方向拉伸變形；

其中，所述紅細(xì)胞為一個(gè)或多個(gè)紅細(xì)胞；

所述激光的波長(zhǎng)為980nm，功率可以根據(jù)紅細(xì)胞變形的程度調(diào)整。

由上可見，本發(fā)明至少有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明的光纖光鑷具有制作簡(jiǎn)易、操控靈活、非接觸及無(wú)損傷捕獲等優(yōu)勢(shì)，從而避免其余技術(shù)方案所需的復(fù)雜光刻襯底制作及體材料微納加工，在血管等狹小的生物微管操控中具有潛在的重要應(yīng)用；

2.在本發(fā)明的技術(shù)方案中，細(xì)胞串列組織和排列過程中無(wú)需局限在襯底表面，從而避免潛在的細(xì)胞樣品污染，并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重復(fù)利用；

3.本發(fā)明的雙光纖光鑷系統(tǒng)，特別適用于較低濃度下的細(xì)胞溶液，可以在低細(xì)胞濃度的細(xì)胞溶液中，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串列的可控調(diào)整；

4.本發(fā)明的雙光纖光鑷系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)及變形操控，即實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞繞x軸，z軸及多元化的旋轉(zhuǎn)操控。此外，基于該技術(shù)方案還可實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞及多細(xì)胞的光控變形；

5.光纖光鑷的錐形端面可實(shí)現(xiàn)出射光束強(qiáng)聚焦，從而將細(xì)胞變形所需激光功率減至數(shù)十毫瓦，避免針對(duì)細(xì)胞的潛在光學(xué)損傷；

6.本發(fā)明的技術(shù)方案避免復(fù)雜的全息算法設(shè)計(jì)，并可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串列的動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于光纖光鑷本身集成化及微型化的優(yōu)勢(shì)，通過進(jìn)一步將其與微流芯片設(shè)備相結(jié)合，有望為細(xì)胞生長(zhǎng)，組織分化、細(xì)胞間信號(hào)傳遞等過程提供強(qiáng)有力的研究工具。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞旋轉(zhuǎn)與變形的原理示意圖；其中，圖1a為紅細(xì)胞繞x軸旋轉(zhuǎn)示意圖、圖1b為紅細(xì)胞幾何示意圖，partiii示出了紅細(xì)胞的左半部分；

圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中雙光纖光鑷實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；

圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞繞x軸旋轉(zhuǎn)的光學(xué)顯微圖片，橫向箭頭表示通光方向，縱向箭頭表示細(xì)胞旋轉(zhuǎn)方向，標(biāo)尺：5μm；

圖4為雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞繞z軸旋轉(zhuǎn)示意圖；

圖5為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞繞z軸旋轉(zhuǎn)的光學(xué)顯微示意圖；

圖6為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞多元化旋轉(zhuǎn)的光學(xué)顯微圖片；

圖7為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)兩個(gè)紅細(xì)胞同時(shí)變形的光學(xué)顯微圖片；

圖8為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)三個(gè)紅細(xì)胞同時(shí)變形的光學(xué)顯微圖片；

圖9為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)單紅細(xì)胞變形的光學(xué)顯微圖片，標(biāo)尺：5μm。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路如下:

如圖1所示：紅細(xì)胞繞錐形光纖光鑷旋轉(zhuǎn)示意圖，基于光力和范德瓦爾斯力的作用可將紅細(xì)胞一端固定在錐形第一光纖光鑷(下簡(jiǎn)稱tfp1)的尖端；此時(shí)，向第一光纖光鑷(下簡(jiǎn)稱tfp2)中通入特定功率和波長(zhǎng)的激光后，紅細(xì)胞的上半部分將在tfp2出射激光的作用下被捕獲，進(jìn)而隨tfp2在y方向進(jìn)行移動(dòng)。此時(shí)由于紅細(xì)胞一端固定在tfp1尖端，其將受到光力矩的作用，并繞光纖光鑷軸向(x軸)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

基于上述設(shè)計(jì)思路，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中提供了一種用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷的制作方法，所述方法為通過熔融拉錐法制備雙光纖光鑷，并在末端具有漸變的錐形結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷的制作方法，包括以下步驟：

1)將兩個(gè)單模光纖分別去除緩沖層和聚合物涂覆層，并套上毛細(xì)玻璃管；

2)將兩個(gè)步驟1)去除緩沖層和聚合物涂覆層的光纖置于氫氧火焰加熱至光纖熔點(diǎn)后沿光軸方向進(jìn)行拉伸；

3)兩個(gè)光纖將折斷為兩部分，并在末端形成漸變的錐形結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟2)中對(duì)兩個(gè)光纖的初始拉伸速度為0.5mm/s。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷的制作方法中，所述步驟2)中光纖直徑首先從125μm在1.8-2.2mm范圍內(nèi)減至7.8μm，再?gòu)?.6-6.4μm范圍內(nèi)從7.8μm減至0.47-0.53μm，將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀；

優(yōu)選地，光纖直徑首先從125μm在1.8-2.2mm范圍內(nèi)減至7.8μm，在6μm長(zhǎng)度內(nèi)從7.8μm減至0.5μm時(shí)，將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀。

更優(yōu)選地，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供上述方法獲得雙光纖光鑷，所述雙光纖光鑷為通過熔融拉錐法制備，并在末端具有漸變的錐形結(jié)構(gòu)。

更優(yōu)選地，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，所述雙光纖光鑷末端的錐形結(jié)構(gòu)為對(duì)兩個(gè)光纖的初始拉伸速度為0.5mm/s；當(dāng)光纖直徑首先從125μm在1.8-2.2mm范圍內(nèi)減至7.8μm，再?gòu)?.6-6.4μm范圍內(nèi)從7.8μm減至0.47-0.53μm(即指光纖尖錐前端部分直徑從7.8μm減小至0.47-0.53μm，對(duì)應(yīng)橫向長(zhǎng)度為5.6-6.4μm之間變化)，將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀；

優(yōu)選地，光纖直徑首先從125μm在1.8-2.2mm范圍內(nèi)減至7.8μm，再?gòu)?μm長(zhǎng)度內(nèi)從7.8μm減至0.5μm時(shí)，將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀。

更優(yōu)選地，在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，還提供了上述方法獲得的雙光纖光鑷對(duì)紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)的方法，包括以下步驟：

1)制備如上所述的雙光纖光鑷，分別連接到兩個(gè)激光器的輸出端，將含有紅細(xì)胞溶液的載玻片放置于x-y手動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)；

2)將第一光纖光鑷接近紅細(xì)胞溶液中的紅細(xì)胞，向第一光纖光鑷通入激光后，將紅細(xì)胞捕獲至第一光纖光鑷的前端，穩(wěn)定接觸后關(guān)閉激光；

3)向第二光纖光鑷通入激光，操控第一光纖光鑷所捕獲紅細(xì)胞，通過第二光纖光鑷沿-y/+y軸方向平移，以旋轉(zhuǎn)被捕獲紅細(xì)胞；

其中，所述第一光纖光鑷的波長(zhǎng)為980nm、功率30mw；

所述第二光纖光鑷的波長(zhǎng)為980nm、功率24mw。

更優(yōu)選地，在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明所述的雙光纖光鑷對(duì)紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)的方法中，所述方法還包括第二光纖光鑷通入激光，操控第一光纖光鑷所捕獲紅細(xì)胞，通過第二光纖光鑷沿-y/+y軸方向平移，使得被捕獲紅細(xì)胞繞z軸旋轉(zhuǎn)。

更優(yōu)選地，在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明所述的雙光纖光鑷對(duì)紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)的方法中，所述方法還包括將第二光纖光鑷通入激光，操控第一光纖光鑷所捕獲紅細(xì)胞的左半部分，通過第二光纖光鑷沿-y/+y軸方向平移，使得被捕獲紅細(xì)胞繞i軸旋轉(zhuǎn)，而實(shí)現(xiàn)被捕獲紅細(xì)胞的多元化旋轉(zhuǎn)。

更優(yōu)選地，在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，提供了本發(fā)明所述的雙光纖光鑷對(duì)紅細(xì)胞可控變形的方法，包括以下步驟：

1)制備如上述方法獲得的雙光纖光鑷，分別連接到兩個(gè)激光器的輸出端，將含有紅細(xì)胞溶液的載玻片放置于x-y手動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)；

2)將第一光纖光鑷、第二光纖光鑷分別接近紅細(xì)胞溶液中的紅細(xì)胞的兩端，同時(shí)通入激光，紅細(xì)胞將在光力作用下被捕獲并沿光纖光鑷軸向方向排列，并沿光纖光鑷軸向方向拉伸變形；

其中，所述紅細(xì)胞為一個(gè)或多個(gè)紅細(xì)胞；

所述激光的波長(zhǎng)為980nm，功率可以根據(jù)紅細(xì)胞變形的程度調(diào)整。

以下通過具體實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明，應(yīng)理解以下僅為本發(fā)明的示例性說明，并不用于限制本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷及其實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法

制備雙光纖光鑷及其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示：

一、光纖光鑷fp1和fp2通過火焰熔融拉錐法制備：

首先將單模光纖(連接類型：fc/pc，光纖芯徑：9μm，包層直徑：125μm；corninginc.)的緩沖層和聚合物涂層用光纖鉗剝除，接著將光纖外面套上一個(gè)玻璃毛細(xì)管(內(nèi)徑：～0.9mm，管壁厚度：～0.1mm，管長(zhǎng)：～120mm)以保護(hù)光纖不被損傷和彎曲。將拉伸部分至于酒精燈火焰上方加熱約1分鐘，當(dāng)加熱區(qū)域溫度到達(dá)光纖熔點(diǎn)后，對(duì)被加熱的光纖施加一個(gè)初始拉伸，拉伸速度為0.5mm/s。與此同時(shí)，光纖直徑將在2mm的長(zhǎng)度內(nèi)從125μm減小至7.8μm，形成一個(gè)漸變的錐形。緊接著，光纖直徑在6μm長(zhǎng)度內(nèi)從7.8μm減至0.5μm。最后，通過將拉伸速度提至2mm/s，光纖光鑷將折斷并在末端形成特定的錐形形狀。

二、用于紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形的雙光纖光鑷實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法

光纖光鑷制作完畢后，將其連接到一臺(tái)接有ccd的光學(xué)顯微鏡用于實(shí)時(shí)觀測(cè)和記錄。如圖2所示，錐形光纖光鑷制作完畢后，放置于微調(diào)節(jié)架1和2上，且分別連接在激光器1和2的輸出端。紅細(xì)胞懸浮液的配置方案如下：從一健康的成年男子指尖取20μl血液并收集于加有葡萄糖和檸檬酸鈉的無(wú)菌抗凝劑中。進(jìn)一步以2500轉(zhuǎn)/分鐘的速度離心后，將上層的血漿和白細(xì)胞去除。然后將凈化后的紅細(xì)胞置于磷酸鹽緩沖液中，稀釋濃度至3×10⁴個(gè)/ml。懸浮液配置完畢后，通過注射器滴于玻璃載玻片上。調(diào)節(jié)微調(diào)節(jié)架1和2，使得光纖光鑷末端置于紅細(xì)胞懸浮液中。盛有紅細(xì)胞懸浮液的載玻片放置在可在x-y平面手動(dòng)調(diào)節(jié)的載物臺(tái)上(精度：50nm)，以實(shí)現(xiàn)較好的位置精度和機(jī)制穩(wěn)定性。除此之外，實(shí)驗(yàn)中采用集成ccd的光學(xué)顯微鏡，進(jìn)行圖像捕捉和視頻錄制，且整個(gè)過程可在與其相連接的電腦上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

根據(jù)上面理論分析可知，在細(xì)胞旋轉(zhuǎn)操作之前，紅細(xì)胞一端需固定在光纖光鑷tfp1的末端。在本實(shí)驗(yàn)中，我們基于光力和范德瓦爾斯力的共同作用實(shí)現(xiàn)以上操作：當(dāng)紅細(xì)胞懸浮液滴于玻璃載玻片上之后，調(diào)節(jié)微調(diào)節(jié)架使光纖光鑷tfp1靠近特定紅細(xì)胞。接著，向光纖光鑷tfp1中通入波長(zhǎng)為980nm的激光(功率p：30mw)，細(xì)胞將在光梯度力作用下被捕獲至光纖光鑷前端，并與其前端表面相接觸。穩(wěn)定接觸約3min后，關(guān)閉激光，此時(shí)細(xì)胞將在范德瓦爾斯力作用下固定在tfp1的前端。

實(shí)施例2雙光纖光鑷實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)和變形實(shí)驗(yàn)

1、雙光纖光鑷操縱紅細(xì)胞繞x軸旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

具體實(shí)驗(yàn)操控如圖3所示：向光纖光鑷tfp2的末端注入980nm激光(功率p2＝24mw)后，紅細(xì)胞的可控旋轉(zhuǎn)操作如圖3所示：在t＝0s時(shí)，一個(gè)紅細(xì)胞固定在光纖光鑷tfp1的前端，其傾向角為θ＝0°。隨光纖光鑷tfp2沿-y方向平移，細(xì)胞將隨之繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(如箭頭所示)，且θ也隨之增加。隨著光纖光鑷tfp2保持不動(dòng)(t＝8–10s，如圖3a5～a6所示)，細(xì)胞同時(shí)穩(wěn)定在θ＝172°的位置。進(jìn)一步，調(diào)節(jié)tfp2沿+y方向平移，θ將逐漸減小并最終恢復(fù)至最初的θ＝0°處(圖3a7–a9)。注：標(biāo)尺：5μm。

2、雙光纖光鑷操縱紅細(xì)胞繞z軸旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

如圖4所示，當(dāng)細(xì)胞取向角θ＝90°時(shí)，若沿z方向調(diào)節(jié)光纖光鑷tfp2，使細(xì)胞中心與光纖光軸在z方向予以對(duì)準(zhǔn)(也即，ztfp2＝zrbc＝0μm)，細(xì)胞的partiii將在光力的作用下被光纖光鑷tfp2所捕獲；此時(shí)，隨光纖光鑷tfp2沿y方向平移，細(xì)胞將會(huì)繞z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步，我們實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞繞z軸旋轉(zhuǎn)操控實(shí)驗(yàn)，如圖5所示：當(dāng)t＝0s時(shí)，操控光纖光鑷tfp2捕獲紅細(xì)胞左半部分；隨tfp2沿-y方向移動(dòng)，細(xì)胞隨之逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°(如圖5a–e所示)。進(jìn)一步沿-y方向移動(dòng)光纖光鑷tfp2，細(xì)胞將脫離光纖光鑷tfp2的捕獲，并逐漸調(diào)整取向沿tfp1的軸向方向(如圖5f–i所示)。

3、雙光纖光鑷操縱紅細(xì)胞的多元化旋轉(zhuǎn)

進(jìn)一步通過精確操控微調(diào)節(jié)架，可實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞的多元化旋轉(zhuǎn)操控，如圖6所示：縱向箭頭表示細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)方向。在t＝0s時(shí)，細(xì)胞取向角為θ＝90°，且光纖光鑷tfp2位于細(xì)胞的下方(圖6a)。當(dāng)向tfp2中通入激光后，細(xì)胞的上半部將被捕獲，因而紅細(xì)胞將隨之繞x軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)θ由90°增加至120°(圖6b)。沿+y方向平移光纖光鑷tfp2，此時(shí)θ將隨之逐漸減少至90°(圖6c)。此時(shí)沿-z方向調(diào)整光纖光鑷tfp2，使得光纖光鑷光軸在z方向與細(xì)胞中心重合。繼續(xù)沿+y方向平移tfp2，紅細(xì)胞將繞z軸旋轉(zhuǎn)，且同時(shí)θ2將逐漸從0°增加到45°(圖6d)。進(jìn)一步調(diào)整tfp2，細(xì)胞將可繞特定軸i(如6e中虛線所示)旋轉(zhuǎn)90°(圖6e,f)。繼續(xù)沿+y方向移動(dòng)光纖光鑷，細(xì)胞將繞z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(如圖6g中縱向箭頭所示)。最后，維持tfp2位置固定，細(xì)胞也將保持靜止(圖6h)，標(biāo)尺：5μm。

4雙光纖光鑷操縱多個(gè)紅細(xì)胞同時(shí)可控變形

一、對(duì)2個(gè)紅細(xì)胞的可控變形

首先調(diào)節(jié)光纖光鑷tfp1和2分別位于被操控細(xì)胞的兩端，同時(shí)通入980nm激光后，紅細(xì)胞將在光力作用下被捕獲并沿光纖光鑷軸向方向排列。進(jìn)一步，在光致應(yīng)力作用下，被捕獲的紅細(xì)胞將沿光纖光鑷軸向方向拉伸變形，且變形程度可通過操控激光功率及錐形光鑷至紅細(xì)胞的間距予以調(diào)整，如圖7所示：首先調(diào)整兩根光纖光鑷使其位于兩個(gè)紅細(xì)胞兩側(cè)(細(xì)胞直徑分別為5.6和6.4μm)且紅細(xì)胞的間距為2μm。接著，往兩根光纖光鑷中通入波長(zhǎng)為980nm的激光(p1＝p2＝20mw)，紅細(xì)胞將在光力的作用下相向運(yùn)動(dòng)并彼此接觸。與此同時(shí)，細(xì)胞將逐漸被拉伸并于t＝10s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。細(xì)胞拉伸程度可用切向應(yīng)變(γ)予以表征，其定義式為：γ＝δl/l，其中δl和l分別為細(xì)胞的變形量和變形前原長(zhǎng)。當(dāng)上述實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時(shí)(圖7c)，計(jì)算得到兩個(gè)細(xì)胞的切向應(yīng)變值分別為0.14和0.12。當(dāng)t＝35s時(shí)(圖7d)，關(guān)閉入射激光，此時(shí)細(xì)胞將逐漸恢復(fù)至最初的狀態(tài)，如圖7e,f所示。

二、對(duì)多個(gè)紅細(xì)胞可控變形

除兩個(gè)紅細(xì)胞外，我們也實(shí)現(xiàn)了三個(gè)及多個(gè)紅細(xì)胞的同時(shí)變形，如圖8所示：在t＝0s時(shí)，三個(gè)紅細(xì)胞(直徑分別為6.7，5.7和6.9μm)位于兩根光纖光鑷中間。當(dāng)向光纖光鑷中通入激光后，紅細(xì)胞將被捕獲并沿光軸方向被拉伸(圖8b)。在t＝5s時(shí)，三個(gè)紅細(xì)胞最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且形變量分別為0.15，0.1和0.12(圖8c)。在t＝9s時(shí)，關(guān)閉激光，紅細(xì)胞此時(shí)將逐漸恢復(fù)至原來的形狀(圖8d-f)。

三、對(duì)單細(xì)胞的可控變形

除多個(gè)紅細(xì)胞的同時(shí)變形外，我們還實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的可控變形，如圖9所示：在t＝0s時(shí)，紅細(xì)胞位于兩根光纖光鑷tfp1和2中間(圖9a)。在t＝3s時(shí)，向光纖光鑷中通入激光，此時(shí)紅細(xì)胞將在光力作用下被拉伸(圖9b)，并逐漸達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)(圖9c)，此后細(xì)胞將保持變形直至激光關(guān)閉。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。