CN111019802A - 角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种具有捕获、旋转细胞功能的角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达系统。该光学马达系统包括：产生所需光源的激光器1；光纤分束器2；衰减器3；多芯光纤合束器4‑1和4‑2；分别连接两个多芯光纤合束器并且用于捕获、旋转细胞的多芯光纤臂5‑1和5‑2；实验操作池6；用于观察实验操作过程的显微成像系统7。本发明可用于单细胞或多细胞的捕获及其对方向的旋转操作，和微小颗粒的捕获、排列，还可以为微型机器人或微米级器械提供动力。可广泛用于细胞分析、药物开发、显微制造领域。

Description

角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达

(一)技术领域

本发明涉及的是一种角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达系统，本发明可用于单细胞或多细胞的捕获及其多方向的旋转操作，和微小颗粒的捕获、排列，还可以为微型机器人或微米级器械提供动力。可广泛用于细胞分析、药物开发、显微制造领域。

(二)背景技术

角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达系统是光纤光镊的一种发展和应用。

在光镊领域，贝尔实验室的Ashkin实验组做了开创性的工作。1970年，Ashkin通过估算，推测聚焦的激光可以推动微米级别的微粒。他将直径为0.6～2.5um的乳胶微球放置于水中，并将功率为1w的两虚氩离子激光聚焦于水中，结果发现这些微粒可以沿着光轴被加速移动。这个实验首次明显的观测到光压作用，同时证实了他的推测。

Ashkin发现不仅微粒可以沿着光轴方向被推离之外，还发现了光束对折射率比周围介质高的微粒具有横向吸力。相反，对于折射率比周围介质低的微粒具有横向推力。利用这一性质，Ashkin将两束激光相对入射，聚焦于同一处，其结果表现为在两束激光的轴向作用力相互抵消处产生了一个可以将微粒横向吸入并固定不动的势阱。这就是“双光束捕获”的雏形。

1985年，在研究单光束激光捕获原子是，Ashkin尝试用类似的装置来抓取较大的粒子，并发现：仅仅将单束激光高度聚焦就可以稳定捕获这些微粒。于是，1986年，Ashkin等指出将单束激光高度聚焦，在激光光束聚焦点处可以将微粒稳定地捕获。这种单束激光的光学捕获成为“光镊”，它可以在没有机械接触的情况下可以抓取直径为数十纳米至数十微米的粒子。

光镊能够在没有机械接触的情况下可以操纵微粒的这一性质引起了生命科学界的极大兴趣。1987年，Ashkin等首先将光镊用于捕获生命科学中的细菌病毒。从此光镊技术广泛应用于生命科学研究，为细胞研究、生物制药提供了有力的工具。

细胞生物学是运用近代物理、化学技术和分子生物学方法，在显微、亚显微和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能和各种生命规律的一门学科。它是由细胞学发展而来。因为关于细胞早已不仅是单纯地研究一个个细胞、细胞器和生物大分子或者一个个生命现象，而是将它们有机结合，从动态的变化过程中探索它们之间的相互关系以及它们与环境的关系。

细胞生物学与分子生物学、神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。从生命结构层次来看，细胞生物学介于分子生物学和分体生物学之间，与它们相互衔接和渗透，起着承上启下的重要作用。无论是在遗传、发育、生殖、神经、免疫等学科中，还是在医学和生物高科技的发展中非，都可以看到细胞生物学的身影。举例来说，生物化学中的蛋白质、核酸、糖蛋白等生物大分子的代谢与调节、基因的表达和调控、细胞信号的转导、细胞的异常增殖等，生理学中的物质运输、细胞信号转导等，病理学的细胞衰老与死亡、炎症、癌变等……这些都与细胞生物学中相关物质的化学组成、结构和功能、相关细胞器的生命活动息息相关。因此，细胞生物学被认为是现代生命科学的重要基础，是当今生命科学中的前沿学科之一，对细胞生物学的研究势必推动生命科学的蓬勃发展。

一种光学细胞拉伸器(Biophys,The optical stretcher:a novel laser toolto micromanipulate cells,81:767–784,2001)将被捕获微粒放置于两束相对的非聚焦光束之间，被捕获微粒所受合力为零，被稳定捕获与光束中间。然而，在被捕获微粒的表面却会收到额外的力，这使得微粒可以朝着光轴的方向被拉伸。由此可以测量介质微粒的弹性特性，包括例如细胞的一些生物材料的特性。由于光束没有被聚焦，因此辐射损伤很小，表面力不受光功率的限制。并且实验测量了人体红细胞和老鼠的纤维母细胞。但是由于很多实际待测微粒并非各向同性，而这种方法只可以测量被测物体某个方向的表面弹性特性，无法翻转微粒因而无法测量任意方向上的弹性特性，使得检测出的弹性特性具有偶然性。

申请号为201811200059.X的专利介绍了一种单自由度细胞姿态角度调控方法。包括步骤：步骤1，通过CCD相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出目标细胞；步骤2，利用对偶光镊作用到目标细胞上，使得目标细胞旋转；步骤3，通过细胞旋转控制算法获得下一帧图像时所述对偶光镊相对于目标细胞的位置；步骤4，重新分配所述对偶光镊的位置，使得目标细胞旋转到新的姿态角；步骤5，通过图像处理算法实时获取目标细胞的姿态角，判断目标细胞是否旋转到期望位置；若是，则结束；若否，则返回步骤3。此发明提供的单自由度细胞姿态角调控方法可自动化实现细胞单自由度旋转操控。此发明虽然可以通过旋转细胞从而任意角度调整细胞姿态，但是每次调整都需要重新分配光镊位置，操作复杂繁琐，而且调整光镊位置对装置精度要求很高，难于调整到期望位置。

此外，一种光学细胞旋转器(Kreysing M K,Kiessling T,Fritsch A,et al.Theoptical cell rotator[J].Optics Express,2008,16(21):16984-16992.)介绍了一种细胞旋转的方法。该方法采用两条相对摆放的光纤传输激光，使被捕获微粒置于两光束中间。两条光纤传输分别传输两条不对称的激光光束。其中一条单模光纤臂插入一个陶瓷套圈中，另一条单模光纤通过一定偏移量焊接到一条多模光纤上，并将这条多模光纤插入另一个陶瓷套圈中。通过两个陶瓷套圈，使得两条光纤臂相对摆放。两条光纤臂可以传输两条不对称激光光束，通过旋转多模光纤的陶瓷套圈可以使得被捕获微粒绕着光轴旋转。该实验组对人体红细胞、早幼粒细胞白血病细胞、细胞丛簇进行了相关实验，证明了其可行性。但是，此方法只可以使被捕获微粒绕着光轴旋转，通过显微镜无法观测到旋转轴两极处。此外，通过旋转一个陶瓷套圈从而旋转细胞的方法，对机械精度要求极高，难度很大。

本发明在以上背景之下，提出了角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达系统。不仅能够捕获细胞，还可以通过调节每个纤芯的输出光束来控制细胞在多个方向上旋转，从而调整细胞姿态。与在先技术相比，本发明采用新型多芯光纤，高度集成了多路光束，装置体积小、造价低。只需控制相应纤芯的输出光场就可以实现细胞的万向旋转，本发明为细胞层析成像提供了有力的工具，对细胞分析、生物研究、显微制造具有深远的意义。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达系统，可用于细胞捕获、旋转以及显微制造。

本发明的目的是这样实现的：

如图1所示，该光学马达系统包括：产生所需光源的激光器1；光纤分束器2；衰减器3；多芯光纤合束器4-1和4-2；分别连接两个多芯光纤合束器并且用于捕获、旋转细胞的多芯光纤臂5-1和5-2；实验操作池6；用于观察实验操作过程的显微成像系统7。所述系统中激光由标准单模光纤从激光器1中引出到光纤分束器2，从而将一束激光分为2N束激光。衰减器3包含2N个衰减器。通过2N条单模光纤，将光纤分束器发出的2N条光束分别连接到衰减器阵列3中的2N个衰减器，使得每个衰减器可以控制一条光束。其中N条从衰减器引出的光路连接到多芯光纤合束器4-1，另外N条从衰减器引出的光路连接到多芯光纤合束器4-2。用于捕获、旋转细胞的多芯光纤臂5-1和5-2分别连接多芯光纤合束器6-1和6-2。两条多芯光纤成一定倾斜角放于实验操作池6中，待实验细胞放置于实验操作池8。显微成像系统9可以实时呈现实验操作池中的实验过程。旋转的细胞相充当“转子”，激光提供动力，从而形成光学马达系统。

一种角度偏差式双多芯光纤细胞光马达系统，系统中所采用的多芯光纤，其特征是：该光纤具有N个纤芯。其中一个纤芯为中间芯，其他纤芯围绕中间芯呈环形阵列式分布。如图2所示。图片仅示例五芯和七芯光纤，但不局限于这两种。

一种角度偏差式双多芯光纤细胞光马达系统，系统中所采用的多芯光纤，其特征是：多芯光纤的中间芯的端面粘连一个微球透镜，也可以是其他结构具有聚焦功能的微透镜，将中间的输出的光场强聚焦，用于捕获细胞。如图3所示。

一种角度偏差式双多芯光纤细胞光马达系统，其特征是可以捕获、旋转单细胞，也可以是细胞群。

一种角度偏差式双多芯光纤细胞光马达系统，其特征是：每一个衰减器可以控制一个纤芯输出的光路。整个系统仅使用一对多芯光纤，即可完成细胞的捕获、多方向的旋转操作。

打开激光器1，光场选择近红外光，通过光纤分束器3将光束分为2N束，多芯光纤衰减器阵列5用于控制多芯光纤6中的每个纤芯是否通光，以及功率的大小。调节多芯光纤衰减器，使得多芯光纤6-1和6-2的中间芯产生光场，调节两根多芯光纤的角度，使其捕获住细胞。由于中间芯端面加装了聚焦光场的透明小球，使得从中间芯发出的光场可以具有聚焦效果。两个中间芯发出的聚焦光场可以形成两个三维势阱，其合力和小球所受浮力的和可以克服小球重力，从而被捕获。如图4所示。

当小球被稳定捕获时，通过控制衰减器，可以使多芯光纤6-1和6-2中相应的旋转控制芯发出光场，从而使细胞获得旋转力矩。不同的纤芯发出光场，就可以使细胞朝着不同方向旋转。

每条光纤传输的光场作用于细胞上的力为：

作用在体积为V的细胞上的力可以看作是细胞的表面S上的张力，

为作用在单位面积上的张力张量。作用在面元上的力为

其中

式中，

T_ij的意义为作用在垂直于j轴单位面积上的力在i轴上的分量。n_j是垂直于j轴的细胞外表面S的向外法向量。

控制细胞旋转，调节衰减器5，使控制旋转的纤芯发出光场，其光场将动能作用在细胞两侧，使细胞获得转矩。转矩M作用于细胞的关系为

其中，

是直角坐标系中y方向的单位矢量，

是相对于旋转轴的位置向量，

是细胞外表面S的向外法向量。

为表面张力的时间平均值

控制不同旋转控制芯发出光场，就可以使细胞朝着不同方向旋转，调节衰减器控制光场功率，可以改变细胞旋转的速度。

相比现有技术，本发明的突出优点在于：

1.结构简单。无需大量使用复杂精密的光学器件和机械装置，且体积轻巧，应用场景灵活。光学器件只需要激光器、光纤分光器、衰减器、光纤合束器即可，而且连接方式简单无需精密的机械连接。

2.功能丰富、集成化高。由于一对多芯光纤中包含多个纤芯，而且每个纤芯发出的光场可以独立控制，从而仅使用一对光纤即可完成细胞的捕获、多方向旋转等复杂操作。

3.操作简单。衰减器可以控制每个纤芯的输出光场。捕获、旋转细胞时，无需重新该表光纤的位置，调节衰减器即可完成所有操作。

4.无损伤操作。该系统为非接触的结构，整个操作过程对细胞没有机械接触。对几乎对细胞没有损伤。

(四)附图说明

图1是基于角度位移式双七芯光纤光学马达系统的装置示意图。

图2是多芯光纤示例。

图3是中间芯粘连一个聚焦微球透镜，用于强聚焦中间芯输出的光场。

图4是细胞被捕获时受力分析图。

图5是一对多芯光纤每个纤芯的编号。

图6是使用一对双芯光纤使细胞绕y轴旋转的示意图。

(五)具体实施方式

下面以角度偏差式双七芯光纤细胞光学马达系统为例，对本发明进行具体的说明。

实施例1：基于角度偏差式七芯光纤细胞光学马达系统对人体红细胞的旋转控制：

图1是基于双七芯端的差动转矩式光学马达系统，所述系统中激光通过光纤跳线从激光器1中引出到光纤分束器2，从而将一束激光分为14束激光。14条光束分别连接衰减器3-1～3-14。从衰减器3-1～3-7引出的七条光路连接到七芯光纤合束器4-1，另外7条从衰减器3-8～3-14引出的光路连接到多芯光纤合束器4-2。用于捕获、旋转细胞的多芯光纤臂5-1和5-2分别连接七芯光纤合束器4-1和4-2。

七芯光纤每个纤芯的编号如图5所示。衰减器3-1控制七芯光纤5-1的纤芯a的光场，3-2控制纤芯b的光场，依此类推衰减器3-3～3-7分别控制纤芯c～g的光场。同理衰减器3-8控制七芯光纤5-2的纤芯a1，3-9控制纤芯b1，以此类推，衰减器3-10～3-14分别控制c1～g1。从而使得每个纤芯的光场都可以单独控制。

两条多芯光纤成一定倾斜角放于实验操作池6中。实验选用红细胞，其直径大约7um，由于它们没有内部细胞器，接近于各向同性、质地柔软的电介质球体模型，作为实验对象具有若干优点。结构简单，干扰因素较少，便于研究。将红细胞放置于实验操作池7。调节衰减器，将纤芯b～g和b1～g1的光场关闭，开启中间芯a和a1的光场，调节合适的功率，使其捕获到细胞。

旋转红细胞时，调节衰减器3-2和衰减器3-8，纤芯b和b1分别输出光束，光束产生的动能施加在红细胞的两侧，从而产生旋转力矩。如图6所示。增加两光纤输出光束的功率加快红细胞旋转的速度，反之，减慢速度。

同理，若要改变细胞旋转的方向，只需让相应的纤芯输出光场即可。不同的纤芯组合输出光场，可以使红细胞朝不同方向旋转。

显微成像系统9包括显微镜、CCD和电脑，可以实时呈现微流芯片上的实验过程。

Claims (6)

1.一种角度偏差式双多芯光纤细胞光学马达系统。该光学马达系统包括：产生所需光源的激光器1；光纤分束器2；衰减器3；多芯光纤合束器4-1和4-2；分别连接两个多芯光纤合束器并且用于捕获、旋转细胞的多芯光纤臂5-1和5-2；实验操作池6；用于观察实验操作过程的显微成像系统7。所述系统中激光由标准单模光纤从激光器1中引出到光纤分束器2，从而将一束激光分为2N束激光。衰减器3包含2N个衰减器。通过2N条单模光纤，将光纤分束器发出的2N条光束分别连接到衰减器阵列3中的2N个衰减器。其中N条从衰减器引出的光路连接到多芯光纤合束器4-1，另外N条从衰减器引出的光路连接到多芯光纤合束器4-2。用于捕获、旋转细胞的多芯光纤臂5-1和5-2分别连接多芯光纤合束器6-1和6-2。两条多芯光纤成一定倾斜角放于实验操作池6中，待实验细胞放置于实验操作池8。显微成像系统9可以实时呈现实验操作池中的实验过程。旋转的细胞相充当“转子”，激光提供动力，从而形成光学马达系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于角度位移式双多芯光纤细胞光学马达系统。其特征是：采用一对多芯光纤，且这对多芯光纤呈角度偏差的摆放方式。

3.据权利要求1所述的一种基于角度位移式双多芯光纤细胞光学马达系统。系统中所采用的多芯光纤，其特征是：该光纤具有N个纤芯。其中一个纤芯为中间芯，其他纤芯围绕中间芯呈环形阵列式分布。

4.据权利要求1所述的一种基于角度位移式双多芯光纤细胞光学马达系统。系统中所采用的多芯光纤，其特征是：多芯光纤的中间芯粘连一个微球透镜，也可以是其他结构的具有聚焦功能的透镜。

5.根据权利要求1所述的基于一种角度位移式双多芯光纤细胞光学马达系统。其特征是：所述的细胞可以是单细胞也可以是细胞群。

6.根据权利要求1所述的基于一种角度位移式双多芯光纤细胞光学马达系统。该系统通过控制纤芯发出光场，达到细胞捕获、旋转的目的。可以独立控制每个纤芯是否输出光场，以及输出光场的功率。

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