一种用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊的光控技术的制作方法

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种使用双光纤光镊实现红细胞可控旋转和变形的光控技术。

背景技术：

众所周知，红细胞在生物体新陈代谢和有氧呼吸过程中扮演着相当重要作用，其物理和机制特性也被当做生物医学及病理临床学研究的重要指标。实现红细胞的精确操控，尤其是可控旋转和变形，有利于在微纳尺度进一步理解细胞结构，对血管疾病诊断、层析显微成像、细胞微机械驱动、机制力传导和化学物质释放等都具有重要意义。截止目前，人们提出多种方案用于红细胞的可控旋转，包括介电泳、双光束扳手和聚焦显微成像技术等。同时，对于红细胞可控变形，研究者也通过微过滤技术、激光衍射技术、微管输送、电场以及原子力显微技术等予以实现。此外，亦有研究通过使用全息光镊或基于非旋转对称捕获光束以及环形偏振光束的传统光镊来实现红细胞的可控旋转操控。

技术实现要素：

有鉴于此，以上技术方案仅限于单功能化操作，即只能实现细胞的旋转或细胞变形。为更加简易有效的研究红细胞的物理和机制特性，基于单一平台同时实现细胞的可控旋转和变形正日益引发研究人员的密切关注。而对于传统光镊和全息光镊方法而言，一旦光捕获结构确定，细胞只能绕预先设计的轴向旋转。由于光纤光镊本身具有制作简易、便于集成、操作灵活等特性，我们将进一步利用双锥形光纤光镊的出射激光同时实现人体红细胞的可控旋转，包括绕x轴，z轴及多元化的旋转操控。此外，基于该技术方案还可实现单细胞及多细胞的光控变形。

即本发明提供了一种用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊的制作方法，所述方法为通过熔融拉锥法制备双光纤光镊，并在末端具有渐变的锥形结构。

优选地，本发明用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊的制作方法中，包括以下步骤：

1)将两个单模光纤分别去除缓冲层和聚合物涂覆层，并套上毛细玻璃管；

2)将两个步骤1)去除缓冲层和聚合物涂覆层的光纤置于氢氧火焰加热至光纤熔点后沿光轴方向进行拉伸；

3)两个光纤将折断为两部分，并在末端形成渐变的锥形结构。

优选地，本发明用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊的制作方法中，所述步骤2)中对两个光纤的初始拉伸速度为0.5mm/s。

优选地，本发明用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊的制作方法中，所述步骤2)中光纤直径首先从125μm在1.8-2.2mm范围内减至7.8μm，再从5.6-6.4μm范围内从7.8μm减至0.47-0.53μm(即指光纤尖锥前端部分直径从7.8μm减小至0.47-0.53μm，对应横向长度为5.6-6.4μm之间变化，下同)，将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状；

优选地，光纤直径首先从125μm在1.8-2.2mm范围内减至7.8μm，在6μm长度内从7.8μm减至0.5μm时，将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状。

本发明的另一方面在于提供上述方法获得双光纤光镊，所述双光纤光镊为通过熔融拉锥法制备，并在末端具有渐变的锥形结构。

优选地，本发明所述方法获得的双光纤光镊中，所述双光纤光镊末端的锥形结构为对两个光纤的初始拉伸速度为0.5mm/s；当光纤直径首先从125μm在1.8-2.2mm范围内减至7.8μm，再从5.6-6.4μm范围内从7.8μm减至0.47-0.53μm，将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状；

优选地，光纤直径首先从125μm在1.8-2.2mm范围内减至7.8μm，在6μm长度内从7.8μm减至0.5μm时，将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状。。

本发明还提供了上述方法获得的双光纤光镊对红细胞可控旋转的方法，包括以下步骤：

1)制备如上所述的双光纤光镊，分别连接到两个激光器的输出端，将含有红细胞溶液的载玻片放置于x-y手动调节台；

2)将第一光纤光镊接近红细胞溶液中的红细胞，向第一光纤光镊通入激光后，将红细胞捕获至第一光纤光镊的前端，稳定接触后关闭激光；

3)向第二光纤光镊通入激光，操控第一光纤光镊所捕获红细胞，通过第二光纤光镊沿-y/+y轴方向平移，以旋转被捕获红细胞；

其中，所述第一光纤光镊的波长为980nm、功率30mw；

所述第二光纤光镊的波长为980nm、功率24mw。

优选地，本发明所述的双光纤光镊对红细胞可控旋转的方法中，所述方法还包括第二光纤光镊通入激光，操控第一光纤光镊所捕获红细胞，通过第二光纤光镊沿-y/+y轴方向平移，使得被捕获红细胞绕z轴旋转。

优选地，本发明所述的双光纤光镊对红细胞可控旋转的方法中，所述方法还包括将第二光纤光镊通入激光，操控第一光纤光镊所捕获红细胞的左半部分，通过第二光纤光镊沿-y/+y轴方向平移，使得被捕获红细胞绕i轴旋转，而实现被捕获红细胞的多元化旋转。

本发明又提供了本发明所述的双光纤光镊对红细胞可控变形的方法，包括以下步骤：

1)制备如上述方法获得的双光纤光镊，分别连接到两个激光器的输出端，将含有红细胞溶液的载玻片放置于x-y手动调节台；

2)将第一光纤光镊、第二光纤光镊分别接近红细胞溶液中的红细胞的两端，同时通入激光，红细胞将在光力作用下被捕获并沿光纤光镊轴向方向排列，并沿光纤光镊轴向方向拉伸变形；

其中，所述红细胞为一个或多个红细胞；

所述激光的波长为980nm，功率可以根据红细胞变形的程度调整。

由上可见，本发明至少有以下优点：

1.本发明的光纤光镊具有制作简易、操控灵活、非接触及无损伤捕获等优势，从而避免其余技术方案所需的复杂光刻衬底制作及体材料微纳加工，在血管等狭小的生物微管操控中具有潜在的重要应用；

2.在本发明的技术方案中，细胞串列组织和排列过程中无需局限在衬底表面，从而避免潜在的细胞样品污染，并可实现系统的重复利用；

3.本发明的双光纤光镊系统，特别适用于较低浓度下的细胞溶液，可以在低细胞浓度的细胞溶液中，实现细胞串列的可控调整；

4.本发明的双光纤光镊系统，可同时实现红细胞的旋转及变形操控，即实现红细胞绕x轴，z轴及多元化的旋转操控。此外，基于该技术方案还可实现单细胞及多细胞的光控变形；

5.光纤光镊的锥形端面可实现出射光束强聚焦，从而将细胞变形所需激光功率减至数十毫瓦，避免针对细胞的潜在光学损伤；

6.本发明的技术方案避免复杂的全息算法设计，并可实现细胞串列的动态调整。由于光纤光镊本身集成化及微型化的优势，通过进一步将其与微流芯片设备相结合，有望为细胞生长，组织分化、细胞间信号传递等过程提供强有力的研究工具。

附图说明

图1为本发明基于双光纤光镊实现红细胞旋转与变形的原理示意图；其中，图1a为红细胞绕x轴旋转示意图、图1b为红细胞几何示意图，partiii示出了红细胞的左半部分；

图2为本发明的一个实施例中双光纤光镊实验装置示意图；

图3为本发明的一个实施例中双光纤光镊实现红细胞绕x轴旋转的光学显微图片，横向箭头表示通光方向，纵向箭头表示细胞旋转方向，标尺：5μm；

图4为双光纤光镊实现红细胞绕z轴旋转示意图；

图5为本发明的一个实施例中双光纤光镊实现红细胞绕z轴旋转的光学显微示意图；

图6为本发明的一个实施例中双光纤光镊实现红细胞多元化旋转的光学显微图片；

图7为本发明的一个实施例中双光纤光镊实现两个红细胞同时变形的光学显微图片；

图8为本发明的一个实施例中双光纤光镊实现三个红细胞同时变形的光学显微图片；

图9为本发明的一个实施例中双光纤光镊实现单红细胞变形的光学显微图片，标尺：5μm。

具体实施方式

本发明的设计思路如下:

如图1所示：红细胞绕锥形光纤光镊旋转示意图，基于光力和范德瓦尔斯力的作用可将红细胞一端固定在锥形第一光纤光镊(下简称tfp1)的尖端；此时，向第一光纤光镊(下简称tfp2)中通入特定功率和波长的激光后，红细胞的上半部分将在tfp2出射激光的作用下被捕获，进而随tfp2在y方向进行移动。此时由于红细胞一端固定在tfp1尖端，其将受到光力矩的作用，并绕光纤光镊轴向(x轴)进行旋转。

基于上述设计思路，本发明的一个实施例中提供了一种用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊的制作方法，所述方法为通过熔融拉锥法制备双光纤光镊，并在末端具有渐变的锥形结构。

优选地，在本发明的一个实施例中，所述用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊的制作方法，包括以下步骤：

1)将两个单模光纤分别去除缓冲层和聚合物涂覆层，并套上毛细玻璃管；

2)将两个步骤1)去除缓冲层和聚合物涂覆层的光纤置于氢氧火焰加热至光纤熔点后沿光轴方向进行拉伸；

3)两个光纤将折断为两部分，并在末端形成渐变的锥形结构。

优选地，在本发明的一个实施例中，所述步骤2)中对两个光纤的初始拉伸速度为0.5mm/s。

优选地，在本发明的一个实施例中，本发明用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊的制作方法中，所述步骤2)中光纤直径首先从125μm在1.8-2.2mm范围内减至7.8μm，再从5.6-6.4μm范围内从7.8μm减至0.47-0.53μm，将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状；

优选地，光纤直径首先从125μm在1.8-2.2mm范围内减至7.8μm，在6μm长度内从7.8μm减至0.5μm时，将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状。

更优选地，在本发明的另一个实施例中，提供上述方法获得双光纤光镊，所述双光纤光镊为通过熔融拉锥法制备，并在末端具有渐变的锥形结构。

更优选地，在本发明的另一个实施例中，所述双光纤光镊末端的锥形结构为对两个光纤的初始拉伸速度为0.5mm/s；当光纤直径首先从125μm在1.8-2.2mm范围内减至7.8μm，再从5.6-6.4μm范围内从7.8μm减至0.47-0.53μm(即指光纤尖锥前端部分直径从7.8μm减小至0.47-0.53μm，对应横向长度为5.6-6.4μm之间变化)，将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状；

优选地，光纤直径首先从125μm在1.8-2.2mm范围内减至7.8μm，再从6μm长度内从7.8μm减至0.5μm时，将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状。

更优选地，在本发明的又一个实施例中，还提供了上述方法获得的双光纤光镊对红细胞可控旋转的方法，包括以下步骤：

1)制备如上所述的双光纤光镊，分别连接到两个激光器的输出端，将含有红细胞溶液的载玻片放置于x-y手动调节台；

2)将第一光纤光镊接近红细胞溶液中的红细胞，向第一光纤光镊通入激光后，将红细胞捕获至第一光纤光镊的前端，稳定接触后关闭激光；

3)向第二光纤光镊通入激光，操控第一光纤光镊所捕获红细胞，通过第二光纤光镊沿-y/+y轴方向平移，以旋转被捕获红细胞；

其中，所述第一光纤光镊的波长为980nm、功率30mw；

所述第二光纤光镊的波长为980nm、功率24mw。

更优选地，在本发明的又一个实施例中，本发明所述的双光纤光镊对红细胞可控旋转的方法中，所述方法还包括第二光纤光镊通入激光，操控第一光纤光镊所捕获红细胞，通过第二光纤光镊沿-y/+y轴方向平移，使得被捕获红细胞绕z轴旋转。

更优选地，在本发明的又一个实施例中，本发明所述的双光纤光镊对红细胞可控旋转的方法中，所述方法还包括将第二光纤光镊通入激光，操控第一光纤光镊所捕获红细胞的左半部分，通过第二光纤光镊沿-y/+y轴方向平移，使得被捕获红细胞绕i轴旋转，而实现被捕获红细胞的多元化旋转。

更优选地，在本发明的再一个实施例中，提供了本发明所述的双光纤光镊对红细胞可控变形的方法，包括以下步骤：

1)制备如上述方法获得的双光纤光镊，分别连接到两个激光器的输出端，将含有红细胞溶液的载玻片放置于x-y手动调节台；

2)将第一光纤光镊、第二光纤光镊分别接近红细胞溶液中的红细胞的两端，同时通入激光，红细胞将在光力作用下被捕获并沿光纤光镊轴向方向排列，并沿光纤光镊轴向方向拉伸变形；

其中，所述红细胞为一个或多个红细胞；

所述激光的波长为980nm，功率可以根据红细胞变形的程度调整。

以下通过具体实施例进一步对本发明的技术方案进行说明，应理解以下仅为本发明的示例性说明，并不用于限制本发明权利要求的保护范围。

实施例1用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊及其实验装置的制作方法

制备双光纤光镊及其实验装置如图2所示：

一、光纤光镊fp1和fp2通过火焰熔融拉锥法制备：

首先将单模光纤(连接类型：fc/pc，光纤芯径：9μm，包层直径：125μm；corninginc.)的缓冲层和聚合物涂层用光纤钳剥除，接着将光纤外面套上一个玻璃毛细管(内径：～0.9mm，管壁厚度：～0.1mm，管长：～120mm)以保护光纤不被损伤和弯曲。将拉伸部分至于酒精灯火焰上方加热约1分钟，当加热区域温度到达光纤熔点后，对被加热的光纤施加一个初始拉伸，拉伸速度为0.5mm/s。与此同时，光纤直径将在2mm的长度内从125μm减小至7.8μm，形成一个渐变的锥形。紧接着，光纤直径在6μm长度内从7.8μm减至0.5μm。最后，通过将拉伸速度提至2mm/s，光纤光镊将折断并在末端形成特定的锥形形状。

二、用于红细胞可控旋转和变形的双光纤光镊实验装置的制作方法

光纤光镊制作完毕后，将其连接到一台接有ccd的光学显微镜用于实时观测和记录。如图2所示，锥形光纤光镊制作完毕后，放置于微调节架1和2上，且分别连接在激光器1和2的输出端。红细胞悬浮液的配置方案如下：从一健康的成年男子指尖取20μl血液并收集于加有葡萄糖和柠檬酸钠的无菌抗凝剂中。进一步以2500转/分钟的速度离心后，将上层的血浆和白细胞去除。然后将净化后的红细胞置于磷酸盐缓冲液中，稀释浓度至3×10⁴个/ml。悬浮液配置完毕后，通过注射器滴于玻璃载玻片上。调节微调节架1和2，使得光纤光镊末端置于红细胞悬浮液中。盛有红细胞悬浮液的载玻片放置在可在x-y平面手动调节的载物台上(精度：50nm)，以实现较好的位置精度和机制稳定性。除此之外，实验中采用集成ccd的光学显微镜，进行图像捕捉和视频录制，且整个过程可在与其相连接的电脑上进行实时监控。

根据上面理论分析可知，在细胞旋转操作之前，红细胞一端需固定在光纤光镊tfp1的末端。在本实验中，我们基于光力和范德瓦尔斯力的共同作用实现以上操作：当红细胞悬浮液滴于玻璃载玻片上之后，调节微调节架使光纤光镊tfp1靠近特定红细胞。接着，向光纤光镊tfp1中通入波长为980nm的激光(功率p：30mw)，细胞将在光梯度力作用下被捕获至光纤光镊前端，并与其前端表面相接触。稳定接触约3min后，关闭激光，此时细胞将在范德瓦尔斯力作用下固定在tfp1的前端。

实施例2双光纤光镊实验装置对红细胞可控旋转和变形实验

1、双光纤光镊操纵红细胞绕x轴旋转实验

具体实验操控如图3所示：向光纤光镊tfp2的末端注入980nm激光(功率p2＝24mw)后，红细胞的可控旋转操作如图3所示：在t＝0s时，一个红细胞固定在光纤光镊tfp1的前端，其倾向角为θ＝0°。随光纤光镊tfp2沿-y方向平移，细胞将随之绕x轴逆时针旋转(如箭头所示)，且θ也随之增加。随着光纤光镊tfp2保持不动(t＝8–10s，如图3a5～a6所示)，细胞同时稳定在θ＝172°的位置。进一步，调节tfp2沿+y方向平移，θ将逐渐减小并最终恢复至最初的θ＝0°处(图3a7–a9)。注：标尺：5μm。

2、双光纤光镊操纵红细胞绕z轴旋转实验

如图4所示，当细胞取向角θ＝90°时，若沿z方向调节光纤光镊tfp2，使细胞中心与光纤光轴在z方向予以对准(也即，ztfp2＝zrbc＝0μm)，细胞的partiii将在光力的作用下被光纤光镊tfp2所捕获；此时，随光纤光镊tfp2沿y方向平移，细胞将会绕z轴进行旋转。

进一步，我们实现红细胞绕z轴旋转操控实验，如图5所示：当t＝0s时，操控光纤光镊tfp2捕获红细胞左半部分；随tfp2沿-y方向移动，细胞随之逆时针旋转90°(如图5a–e所示)。进一步沿-y方向移动光纤光镊tfp2，细胞将脱离光纤光镊tfp2的捕获，并逐渐调整取向沿tfp1的轴向方向(如图5f–i所示)。

3、双光纤光镊操纵红细胞的多元化旋转

进一步通过精确操控微调节架，可实现红细胞的多元化旋转操控，如图6所示：纵向箭头表示细胞的旋转方向。在t＝0s时，细胞取向角为θ＝90°，且光纤光镊tfp2位于细胞的下方(图6a)。当向tfp2中通入激光后，细胞的上半部将被捕获，因而红细胞将随之绕x轴旋转，同时θ由90°增加至120°(图6b)。沿+y方向平移光纤光镊tfp2，此时θ将随之逐渐减少至90°(图6c)。此时沿-z方向调整光纤光镊tfp2，使得光纤光镊光轴在z方向与细胞中心重合。继续沿+y方向平移tfp2，红细胞将绕z轴旋转，且同时θ2将逐渐从0°增加到45°(图6d)。进一步调整tfp2，细胞将可绕特定轴i(如6e中虚线所示)旋转90°(图6e,f)。继续沿+y方向移动光纤光镊，细胞将绕z轴进行旋转(如图6g中纵向箭头所示)。最后，维持tfp2位置固定，细胞也将保持静止(图6h)，标尺：5μm。

4双光纤光镊操纵多个红细胞同时可控变形

一、对2个红细胞的可控变形

首先调节光纤光镊tfp1和2分别位于被操控细胞的两端，同时通入980nm激光后，红细胞将在光力作用下被捕获并沿光纤光镊轴向方向排列。进一步，在光致应力作用下，被捕获的红细胞将沿光纤光镊轴向方向拉伸变形，且变形程度可通过操控激光功率及锥形光镊至红细胞的间距予以调整，如图7所示：首先调整两根光纤光镊使其位于两个红细胞两侧(细胞直径分别为5.6和6.4μm)且红细胞的间距为2μm。接着，往两根光纤光镊中通入波长为980nm的激光(p1＝p2＝20mw)，红细胞将在光力的作用下相向运动并彼此接触。与此同时，细胞将逐渐被拉伸并于t＝10s时达到稳定状态。细胞拉伸程度可用切向应变(γ)予以表征，其定义式为：γ＝δl/l，其中δl和l分别为细胞的变形量和变形前原长。当上述实验中细胞达到稳定态时(图7c)，计算得到两个细胞的切向应变值分别为0.14和0.12。当t＝35s时(图7d)，关闭入射激光，此时细胞将逐渐恢复至最初的状态，如图7e,f所示。

二、对多个红细胞可控变形

除两个红细胞外，我们也实现了三个及多个红细胞的同时变形，如图8所示：在t＝0s时，三个红细胞(直径分别为6.7，5.7和6.9μm)位于两根光纤光镊中间。当向光纤光镊中通入激光后，红细胞将被捕获并沿光轴方向被拉伸(图8b)。在t＝5s时，三个红细胞最终达到稳定状态，且形变量分别为0.15，0.1和0.12(图8c)。在t＝9s时，关闭激光，红细胞此时将逐渐恢复至原来的形状(图8d-f)。

三、对单细胞的可控变形

除多个红细胞的同时变形外，我们还实现了单细胞的可控变形，如图9所示：在t＝0s时，红细胞位于两根光纤光镊tfp1和2中间(图9a)。在t＝3s时，向光纤光镊中通入激光，此时红细胞将在光力作用下被拉伸(图9b)，并逐渐达到一个平衡状态(图9c)，此后细胞将保持变形直至激光关闭。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。