Fiber-integrated optical tweezers for ballistic transport and trapping yeast cells
作者：邓洪昌 （桂林电子科技大学光电工程学院）
— 研究背景 —
自光纤光镊问世以来，由于其光学系统优秀的抗电磁干扰、体积结构灵巧、操作可移植性强等众多优点，光纤光镊的相关研究成果如雨后春笋般涌现出来。更重要的是，得益于光纤本身独有的体积结构优其非常适合微尺度范畴下对生物细胞开展各种光学操纵类研究，例如捕获、长距离微粒输运等。目前来看，多样化结构型光纤的发展极大的促进了光纤光镊的功能多样性，但是将不同的光操纵功能集成到单根光纤上仍具有挑战性。
针对于此，我们提出了一种全新的基于毛细管光纤的光纤光镊（COFT），在单根光纤中实现了弹道输运和多点捕获两种光学操纵方式的集成。值得一提的是,不同于常见单光纤光镊将导模束缚在纤芯之中传输， COFT巧妙地利用光纤内部的锥形空气腔将单模光纤的传导基模分散成在毛细管光纤传输的高阶空心光束，再借助于半椭球型的纤端结构聚焦空心光束形成能够连续同时多点捕获的光势阱。并且，COFT充分发挥了光纤包层表面倏逝场的作用，空心光束在光纤包层与外部媒介溶液分界面处发生全反射所产生的倏逝场被用以将被操纵的酵母菌输运至纤端捕获，真正的实现了将两种不同的光学操纵方式集成于单根光纤并前后衔接的案例示范。此研究工作为光纤光镊技术应用于微尺度范畴下的研究提供了新的应用方案，如药物定向运输、多微粒操纵、微粒筛选比对试验等。
— 创新点 —
1、将光学势阱的光操纵范围由纤端附近拓宽至整个纤端表面附近。
2、将用于微粒或生物细胞的输运和多点连续捕获功能集成于单根光纤。
— 主要工作 —
图 1 COFT概述（a）COFT用于酵母细胞运输和捕获的示意图。（b）COFT完整光场分布的数值模拟结果，（c）COFT纤端光场分布的局部放大。
此工作中我们提出了一种由单模光纤（SMF）和毛细管光纤（COF）级联制成的COFT，并将用于酵母细胞捕获的弹道输运和多点捕获两种功能集于单根光纤之中，COFT整体概述如图1a所示。制作COFT时通过控制SMF与COF熔融焊接时的放电强度和放电时间，于SMF-COF级联处制作出无芯光纤（CLF）和锥形空气腔结构。COFT的半椭球型纤端采用电弧加热的拉锥方式加工，一方面可以使上一步骤中制作的锥形空气腔另一端塌陷形成密闭的双锥形空气腔以防止外部溶液（本工作中为水溶液）进入腔体，另一方面电弧加热的拉锥方式具有加热区域紧凑（400-500mm）的独特优势，从而可以有效控制半椭球型纤端部分的长度。
图1b展示了COFT光束传播的模拟结果。SMF的传导基模首先被无芯光纤（CLF）扩束，然后锥形空气腔进一步分散形成由一系列高阶导模所组成的空心光束。接着，在半椭球型纤端的包层与水溶液分界面处，空心光束发生全反射所产生的倏逝场将引导纤端周围的酵母菌沿其表面输运至纤端附近。最终，经半椭圆型纤端汇聚的空芯光束在纤端附近形成用于稳定捕获酵母菌的连续多势阱区域，如图1c所示。
图 2 COFT出射光场。(a)COFT纤端出射光场分布实验结果。插图代表图(a)中虚线所示区域的放大视图。(b) COFT纤端出射光场分布模拟结果。实线为COFT纤端轮廓。(c)出射光场沿光轴（z轴）的强度分布。
在图2a中可以看到沿半椭球型纤端的整个表面都可以激发出较强的倏逝场，从而能够实现对酵母细胞的二维光捕获和长距离弹道输运。而出射光场的模拟结果与实验结果吻合较好，如图2b所示。经半椭圆型纤端汇聚的光束在纤端附近形成高度聚焦的多势阱，如图2c所示。借助于此，酵母细胞可被COFT纤端表面的倏逝场光学输运到纤端顶部附近，并最终被高度聚焦的输出光束稳定地捕获在多势阱中。
图 3 COFT弹道输运和捕获单个和双酵母细胞的实验演示。(a)单酵母细胞的弹道运输和捕获过程以及沿z轴的时间相关位移曲线(圆圈○)的实验测量值。(a)中的插图显示了从6.5 s到8.7 s的捕集过程的放大图。实线代表实验数据的线性和多项式拟合结果。(b) 双酵母细胞的弹道运输和捕获过程以及沿z轴的时间相关位移曲线(圆圈○)的实验测量值。
图3a展示了COFT对单个酵母细胞弹道运输和捕获的过程。酵母细胞能够被纤端表面的倏逝场捕获，该倏逝场由光纤包层和水溶液分界面处反射的光束激发并指向纤端顶部方向，从而实现酵母细胞在COFT纤端表面上的弹道传输。最终，酵母细胞被输运到纤端顶部附近后，继续被COFT出射的聚焦光束稳定捕获，从而实现非接触式捕获。因此，COFT对酵母细胞的微操纵可以分为两个过程，即在COFT表面的弹道输运过程和酵母细胞离开光纤后的三维捕获过程。在输运过程中，酵母细胞以2.4mm/s的恒定速度移动，即实验中位移数据对时间的拟合线斜率k，如图3a所示。在捕获过程中，由于COFT出射的聚焦光束施加的辐射力，细胞速度迅速增加使细胞进入到聚焦光束的捕获势阱。然后，细胞的速度在梯度力的作用下下降到零，这使得细胞被聚焦的输出光束稳定地3D捕获，如图3a插图所示。类似的，COFT对双酵母细胞弹道输运和捕获的过程如图3b所示。
— 个人感悟 —
COFT作为一种可控的纤维集成光学器件，可以作为构建集成光镊技术系统的基本组件，这一特性将有助于光纤光镊技术同微流控、集成光学、光热调控等技术相结合，同时增强光纤光镊技术在多学科交叉领域的发展，例如细胞科学、医学、化学等领域。
全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/nr/d1nr08348a
X sensors公众号报道：https://mp.weixin.qq.com/s/qySLZime5tJuzHvOf8O62w