CN113219581A - 一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊及其制备方法 - Google Patents

一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，其特征在于，所述光纤光镊由鸟喙形光纤探针、激光器、调节架、样品槽以及显微成像系统组成。其中鸟喙形型光纤探针的特征在于，通过调整光纤的弯曲尖端区的曲率半径来改变光纤侧面的倏逝场分布，形成差异化的梯度光场。不同体积的细胞在梯度光场中的不同位置受到的梯度力不同，光阱力的大小也不同，从而该光纤光镊能实现细胞体积的可控筛选。

Description

一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊及其制备方法
(一)技术领域
本发明所涉及的是一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统及其制备方法，可用于细胞体积筛选，属于光操控技术领域。
(二)背景技术
细胞分选是细胞操控领域中重要的方面之一。在生物化学、生物物理学等方面对细胞进行分选能够降低操控方面的难度，避免其它微粒的影响，优化实验结果。现在常用的细胞分选方法有流式细胞仪、免疫磁珠法、荧光激活法、离心法以及激光诱导法。
但是上述的方法都会有一定的局限性，如基于免疫磁珠法的胞外囊泡表面蛋白特异适配体筛选技术(专利号：CN110791504A)和基于免疫磁珠法的检测试剂及其制备方法、试剂盒以及检测方法(专利号：CN111579772A)中，采用免疫磁珠法对目标细胞进行分选，分选的程序与检测试剂的制备都比较复杂；又如一种人类成骨细胞的分选方法(专利号：CN111560347A)采用离心法进行细胞分选，是对细胞的质量进行分选，不能实现粒径的分选，局限性比较大，并且分选率低；此外，流式细胞仪、荧光激活法和激光诱导法虽然可作为分离细胞的有效手段，但是这三种方法需要对细胞外加荧光标记或者其它的处理，改变了细胞的原有状态，有时还会影响细胞活性，容易对细胞造成损伤。
本发明提出的一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊是通过增强光纤侧面倏逝场的方法实现细胞分选。该发明中采用特殊工艺调整弯曲锥的曲率半径，改变光纤侧面产生的倏逝场梯度力，从而能够实现微粒的分选。与在先技术相比，采用弯曲锥型的光纤光镊，能够扩大微粒捕获的范围，提高应力张量积分值(表征力的大小和方向)。影响阿尔茨海默症的小胶质细胞直径约为5μm，由于小胶质细胞多分布在小血管周围，因此要从红细胞(直径约7μm)中分离出来从而实现治疗阿尔茨海默症的目的。而红细胞和小胶质细胞采用传统的离心法难以分选和识别，采用本发明就可以实现小胶质细胞分选的目的，有助于科研和医学领域的进步。
(三)发明内容
本发明提供了一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，包括鸟喙形光纤探针、940nm激光器、三维调节架、上表面凹下的样品槽以及含倒置显微镜在内的显微成像系统。
本发明的目的在于提供一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，所述光纤光镊可用于不同体积的细胞的可控筛选。
本发明提供了一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，所述光纤光镊是前端为鸟喙形的光纤探针。
本发明提供的光纤光镊系统，所述光纤可以是纤芯直径为8μm～10μm、色散小、传输距离远的光纤，也可以是纤芯直径为50μm～100μm、传输带宽大的光纤。
本发明提供了一种鸟喙形光纤探针，所述鸟喙形光纤探针的曲率半径表征的是弯曲锥尖较直锥中心的下落程度，下落程度越大，曲率半径越小。所述光纤的曲率半径在50μm～200μm之间。
该发明提供的鸟喙形光纤探针的制备方法，具体如下：
首先取一根单模光纤，去除其涂覆层，并用乙醇清洗后得到裸光纤。接着，经控制台调整后，将其放置在非均匀热场(钨丝加热、电极加热，CO2激光加热，H2/O2加热)中，对光纤进行非仿射变形，热端变形大，冷端变形小，形成鸟喙形光纤探针，其倏逝场非均匀对称分布在热场一侧。
本发明采用的一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统通过改变弯曲尖端区的曲率半径进行不同体积细胞的分选，具体步骤如下：
将940nm激光引入该弯曲光纤，由于其光纤端弯曲的性质，光束会在弯曲端部不断折射会聚，形成高数值孔径(NA)的聚集光场，即光捕获势阱。细胞所受的梯度力与其体积有关，因此不同体积的细胞在弯曲光纤的同一位置受到的梯度力不同。当大体积和小体积的细胞被捕获在弯锥侧表面的同一位置时，由于大体积的细胞受到的梯度力大于所受的散射力，因此细胞在该位置被捕获。而小体积细胞受到的梯度力小于所受的散射力，因此会被推离到弯锥侧表面上的其它位置。当在某位置小细胞所受到的梯度力大于散射力时，小体积细胞会被束缚。光纤探针的不同位置形成不同的光阱捕获力，实现不同体积的细胞筛选。
本发明至少具备以下独特而显著的优点：
(1)该发明提出的一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，由于不同体积的细胞受到的梯度力相异，使得光阱力不同，光镊上不同位置所捕获的细胞体积不同，从而实现细胞体积筛选。
(2)提出的一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，相对于其他已提出的同功能光纤光镊，本发明不仅能在锥型光纤的尖端捕获细胞，而且还能在光纤光镊的侧表面进行细胞捕获。
(3)提出的一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，通过控制弯曲锥的曲率半径来控制细胞捕获的位置以及数目，能够为一些复杂结构的细胞筛选提供更广的应用范围。
(四)附图说明
图1是鸟喙形光纤探针结构示意图。
图2是制备鸟喙形光纤探针的装置图。
图3是非均匀热场制备鸟喙形光纤探针的原理示意图。
图4是一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统示意图。
图5是使用一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统在红细胞中进行小胶质细胞分选示意图。其中9是小胶质细胞，10是红细胞。
图6是鸟喙形光纤探针在不同位置所受的梯度力分布示意图。
(五)具体实施案例
本发明提供了一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，所述光纤光镊的前端为鸟喙形结构的光纤探针。
如图1所示，所述光纤探针的尾部长14μm，锥长35μm，可根据工艺不同，形成不同的弯曲形状，上边为类抛物线形状，下边为多段弧线的非对称结构。
本发明提供了一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统。如图2 与图3所示，所述的鸟喙形光纤探针的制备方法，包括以下步骤：
首先取一根单模光纤，去除其涂覆层，并用乙醇清洗后得到裸光纤。接着，将处理过的光纤两端连接砝码1，放置在控制台4上，使光纤拉直。最后，将其放置在非均匀热场装置3产生的非均匀热场区(钨丝加热、电极加热，CO2激光加热，H2/O2加热)中，对光纤进行非仿射变形。由于上端温度更高，所以光纤上端的变形程度比下端更大。另外，由于光纤与非均匀热场之间存在温度差，因此会形成一个过渡区。而在过渡区与非均匀热场交接处，由于两处的温度差量不大，所以会形成一个均匀腰锥区。此时弯曲尖端区即可形成鸟喙形结构，其倏逝场非均匀对称分布在热场一侧。
如图4所示，本发明所述光纤光镊系统还包括由940nm激光器5、三维调节架6、样品槽7以及显微成像系统8。
以下实用案例中通过调整光纤光镊的曲率半径从而控制光镊侧表面上不同位置的应力，以便捕获不同粒径大小的细胞。
实施例1曲率半径为75μm的鸟喙形光纤探针进行细胞分选
所述系统中，向单模光纤通入波长为940μm的激光，在传输过程中由三维调节架进行调整，将鸟喙形光纤探针置于样品槽中，通过下方的倒置显微镜进行观察，最终通过显微成像系统在PC机上进行显示。如图6所示，当鸟喙形光纤探针的曲率半径为75μm时，由于Yb5位置微粒所受的倏逝场梯度力小于光散射力，因此细胞在该位置不能被捕获。而在Yb1～Yb4位置微粒所受的梯度力大于光散射力，因此细胞可以在这四个位置被捕获。并且Yb1～Yb3的应力张量积分值呈现递增趋势，应力张量积分值分别为1.59pN/m、1.94pN/m以及2.60pN/m。而Yb4位置细胞所受的应力张量积分值仅为1.37pN/m，因此在该处捕获的细胞体积最小。因此，当曲率半径为75μm时，可以在Yb1～Yb4四个位置捕获四个体积不同的细胞，而且在Yb3位置捕获的细胞体积最大。
实施例2曲率半径为100μm的鸟喙形光纤探针进行细胞分选
如图6所示，当鸟喙形光纤探针的曲率半径为100μm时，Yb5位置细胞仍然不能被捕获。而在Yb1～Yb2位置细胞的应力张量积分值呈现递增趋势，分别为 1.07pN/m和2.84pN/m。而Yb3～Yb4位置细胞的应力张量积分值呈现递减趋势，分别为1.99pN/m和0.82pN/m。因此，当曲率半径为100μm时，可以在Yb1～Yb4四个位置捕获四个体积不同的细胞，而且在Yb2位置捕获的细胞体积最大，在Yb4位置捕获的细胞体积最小。
实施例3曲率半径为150μm的鸟喙形光纤探针进行细胞分选
如图6所示，当鸟喙形光纤探针的曲率半径为150μm时，Yb5位置细胞所受的梯度力大于光散射力，因此在该位置可以被捕获，并且应力张量积分值为 0.58pN/m。而在Yb1～Yb4位置细胞的应力张量积分值呈现递减趋势，分别为2.20 pN/m、2.19pN/m、1.09pN/m和0.38pN/m。因此，当曲率半径为150μm时，可以在Yb1～Yb5五个位置捕获五个体积不同的细胞，而且在Yb1位置捕获的细胞体积最大，在Yb4位置捕获的细胞体积最小。
实施例4曲率半径为200μm的鸟喙形光纤探针进行细胞分选
如图6所示，当鸟喙形光纤探针的曲率半径为200μm时，Yb1～Yb5五个位置细胞所受的梯度力均大于光散射力，并且应力张量积分值分别为2.37 pN/m、1.77pN/m、0.75pN/m、0.24pN/m和1.03pN/m。因此，当曲率半径为150μm时，可以在Yb1～Yb5五个位置捕获五个体积不同的细胞，而且在Yb1位置捕获的细胞体积最大，在Yb4位置捕获的细胞体积最小。
实施例5曲率半径为150μm时的鸟喙形光纤探针侧表面对不同粒径细胞的筛选
由于细胞所受的梯度力与其体积有关，因此不同粒径的细胞在鸟喙形探针侧表面的同一位置受到的梯度力不同。如图6所示，当曲率半径r＝4μm和 r＝5μm的细胞在弯锥侧表面的Yb2处，由于曲率半径r＝5μm的细胞受到的梯度力大于所受的散射力，因此细胞在Yb2处能够被捕获。而在该处，曲率半径r＝ 4μm的细胞受到的梯度力小于所受的散射力，因此会被推离到鸟喙形光纤探针侧表面上的其他位置。当被推离到Yb1处时，曲率半径r＝4μm的细胞所受到的梯度力会大于其所受到的散射力，因此细胞会在Yb1处被束缚，从而实现在鸟喙形光纤探针侧表面对不同粒径细胞的筛选。

Claims (7)

1.一种具有分选功能的单纤芯鸟喙形光纤光镊系统，其特征在于，所述光纤光镊系统由鸟喙形光纤探针、激光器、调节架、样品槽以及显微成像系统组成。
2.根据权利要求1所述的光纤光镊系统，其特征在于，可用于细胞体积的可控分选。
3.根据权利要求1所述的光纤光镊系统，其特征是，所述的光纤可以是纤芯直径为8μm～10μm、色散小、传输距离远的光纤，也可以是纤芯直径为50μm～100μm、传输带宽大的光纤。
4.根据权利要求1所述的鸟喙形光纤探针，其特征在于，弯曲尖端区的曲率半径表征的是弯曲锥尖较直锥中心的下落程度，所述光纤的曲率半径在50μm～200μm之间。
5.权利要求4所述的鸟喙形光纤探针的制备方法，包括以下步骤：
首先去除单模光纤的涂覆层，并用乙醇清洗后得到裸光纤。接着经控制台调整后，在非均匀热场(钨丝加热、电极加热，CO2激光加热，H2/O2加热)中进行非仿射变形，会形成鸟喙形光纤探针，其倏逝场非均匀对称分布在热场一侧。
6.根据权利要求1所述的光纤光镊系统进行细胞分选，包括以下步骤：
向上述光纤通入940nm激光，由于弯曲锥的存在，光会在弯端部不断折射会聚，增强光纤光镊侧面的倏逝场分布，形成差异化的梯度光场。在弯曲锥的侧面，细胞所受光阱力方向(即被捕获方向)为梯度力与散射力的合力方向，若细胞所受梯度力大于其所受的散射力，二者的合力会始终指向光场的聚焦位置，从而使细胞稳定的束缚在光纤的侧表面。若细胞所受梯度力小于其所受的散射力，二者的合力会指向光传播的方向，从而将该细胞推离光镊。因此不同体积的细胞在光纤探针的不同位置形成相异的光阱力，可以实现不同体积的细胞分选。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所分选的细胞是小胶质细胞。
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