(一)技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种单芯光纤-多芯光纤组合式光学马达系统，本发明可用于单细胞或多细胞的捕获及其旋转操作，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
[0002] 单芯光纤-多芯光纤组合式光学马达系统，是光纤光镊的一种发展和应用。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 一种光学细胞拉伸器(Biophys,The optical stretcher:a novel laser tool to 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。
[0010]
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。
[0011] 此外，一种光学细胞旋转器(Kreysing M K,Kiessling T,Fritsch A,et al.The optical 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。
[0012] 本发明在以上背景之下，提出了一种单芯光纤-多芯光纤组合式光学马达系统。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，而且光纤端面采用平端面，无需拉锥，从而使得操作更加简单、设备制作也更加容易。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
[0013] 本发明的目的在于提供一种单芯光纤-多芯光纤组合式光学马达系统，可用于细胞捕获、旋转以及显微制造。
[0014] 本发明的目的是这样实现的：
[0015] 该光学马达系统包括：产生所需
光源的
激光器1；将激光器光路分为N+1路的光纤分束器2；分别连接N+1条光路并控制每条光路功率的
衰减器阵列3；其中将N条光束耦合到一条用于操控细胞的多芯光纤臂5-1的多芯光纤合束器4；将剩余一条光束为一条单模光纤臂5-2，用于操控细胞；用于夹持一对多芯光纤臂、输送细胞流、提供实验环境的微流芯片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N+1束激光。衰减器阵列3包含N+1个衰减器。光纤分束器发出的N+1条光束分别连接到衰减器阵列3中的N+1个衰减器。N条从衰减器引出的光路连接到多芯光纤合束器4，多芯光纤合束器4连接多芯光纤臂5-1，另外1条从衰减器引出的光路连接到单模光纤臂5-2。单模光纤臂5-1和多芯光纤臂5-2用于捕获、旋转细胞。微流芯片6固定两条光纤臂，微流芯片6还具有两条
微流通道，用于输入和输出细胞流，所需研究的细胞就是通过细胞流流经微流芯片6上的两条微流通道，并且被两条光纤臂5-1和5-2所控制。显微成像系统7包括CCD和电脑，可以实时呈现微流芯片上的实验过程。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。
[0016] 该系统中所使用的多芯光纤至少有两个纤芯，且有一个纤芯在光纤中间。如图2所示，图片仅示例了双芯、三芯、五芯和七芯光纤，但不局限于这四种。
[0017] 摆放光纤时，多芯光纤的中心芯对准单模光纤的纤芯。这里用三芯光纤以示说明，如图3。
[0018] 细胞流通过微流芯片6中的细胞微流通道，细胞流经过一对光纤端的中间，如图4所示，从而为实验提供所需观测的细胞。激光器1发出980nm的光源，光源经过光纤分束器2、衰减器阵列3，调节衰减器阵列中的衰减器，使多芯光纤5-1的中心芯和单模光纤产生光场，且功率相同。细胞所受力在纵向被相互抵消，从而被稳定捕获在两光纤端中间。达到捕获到细胞的目的。通过显微成像系统7，在电脑显示屏上实时观察细胞流的状况以及捕获情况。每条光纤臂传输的光场作用于细胞上的散射力为：
[0019] 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
[0020] 式中， Tij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。nj是垂直于j轴的细胞外表面S的向外法向量。
[0021] 在直角
坐标系中，z轴的方向为多芯光纤5-1的光束传播方向。
[0022] 调节衰减器3使得中心芯达传输的光场达到合适的强度，且当多芯光纤臂5-1的纵向分力Fz1与单模光纤臂5-2的纵向分力Fz2的关系为Fz1＝-Fz2时，即细胞纵向所受合力为零时，细胞被稳定捕获于两光纤端面中间。
[0023] 如若需要控制细胞旋转，调节衰减器3，根据不同旋转角度的需求，控制相应旋转控
制芯发出的光场。转矩M作用于细胞的关系为
[0024] 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
[0025] 例如使用单芯光纤和双芯光纤使细胞绕y轴旋转。如图5所示，通过调节衰减器阵列3中控制旋转控制芯的衰减器，从而调节双芯光纤臂5-1的旋转控制芯的光场，就可以控制细胞旋转的差动转矩M,从而调节细胞旋转的方向和速度。(四)
附图说明
[0026] 图1是单芯光纤——七芯光纤组合式光学马达系统的装置示意图。
[0027] 图2是多芯光纤示意图。
[0028] 图3是单芯光纤——三芯光纤摆放方式示意图。
[0029] 图4是微流芯片芯片示意图。包括微流通道输入端14-1、微流通道输出端14-2、被捕获细胞15、多芯光纤臂5-1和5-2。
[0030] 图5是使用单芯光纤——双芯光纤使细胞绕y轴旋转的示意图。
[0031] 图6是当单模光纤——七芯光纤组合式光学马达系统抓取微粒和使细胞围绕直角坐标的y轴旋转时所用到的纤芯示意图。包括七芯光纤臂5-1、单模光纤臂5-2。
[0032] 图7是当单模光纤——七芯光纤组合式光学马达系统抓取微粒和使细胞围绕直角坐标的y轴旋转时，微粒受力分析示意图。参考平面为xoz面其中包括七芯光纤臂5-1、单模光纤臂5-2、中心芯9、散射力10、被捕获细胞11、旋转轴12。(五)具体实施方式
[0033] 下面以单模光纤——七芯光纤组合式光学马达系统为例，对本发明进行具体的说明。
[0034]
实施例1：基于单模光纤——七芯光纤组合式光学马达系统对人体红细胞的旋转控制：
[0035] 图1是基于单模光纤——七芯光纤组合式光学马达系统，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8束激光。衰减器阵列3包含8个衰减器。光纤分束器发出的8条光束分别连接到衰减器阵列3中的8个衰减器。7条从衰减器引出的光路连接到七芯光纤合束器4-1，另外1条从衰减器引出的光路连接到单模光纤臂5-2。单模光纤臂5-1和多芯光纤臂5-2用于捕获、旋转细胞。微流芯片6固定两条光纤臂，微流芯片6还具有两条微流通道，用于输入和输出细胞流，所需研究的细胞就是通过细胞流流经微流芯片6上的两条微流通道，并且被两条光纤臂5-1和5-2所控制。显微成像系统7包括CCD和电脑，可以实时呈现微流芯片上的实验过程。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。
[0036] 红细胞直径大约7um，且作为实验对象具有若干优点，因为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。结构简单，干扰因素较少，便于研究。系统工作时，捕获光源1发出功率为30mw
波长为980nm的激光，通过目镜9、CCD6和电脑10，观察整个实验操作过程。调节衰减器3，使得七芯光纤臂5-1的中心芯和单模光纤臂5-2发出的激光可以稳定捕获到红细胞，且其他控制旋转芯不发出激光。如果两条中心芯发出光场的功率相同，则红细胞被捕获于光场中间。如果改变七芯光纤中心芯或者单模光纤的功率大小，细胞朝着功率小的纤芯发生位移。功率通过调节衰减器阵列3中对应纤芯芯的衰减器来改变。
[0037] 如若需要细胞围绕某个旋转轴旋转时，通过调节衰减器3而调节相应的旋转控制芯，使得光纤端发出的激光作用于细胞而产生旋转
扭矩。例如，当需要细胞围绕直角坐标的y轴旋转时，如图6所示，调节衰减器3使得七芯光纤臂5-1的旋转控制芯4，使其光场中的散射力可以产生使得细胞围绕y轴旋转所需的力矩，红细胞的受力分析如图7所示。这时，通过电脑显示器可以观察到红细胞围绕y轴做顺
时针旋转。
