双光束失准法光致轨道旋转及其在微区空间液体粘滞系数测量上的应用研究

The viscosity coefficient is one of the basic characteristic parameters in the field of biological cells. The accurate measurement of the viscosity coefficient in micro-region has guiding significance for analyzing the characteristics and reaction dynamics of cells, and then studying the activity state of organism. The traditional viscometer always requires lots of sample solution or large space. It is not applicable to measuring the viscosity coefficient in micro-region. In this project, the optical trap is used to measure the viscosity coefficient in micro-region. The orbital rotation could be realized by introducing a transverse offset to the dualbeam optic trap. The rotation period increases linearly with the viscosity coefficient of the environmental liquid, which could be applied to measuring the viscosity coefficient. The major research contents of this project are as follows: The theory and experimental research of the orbital rotation in dual-beam optic trap with transverse offset, The accurate measurement of viscosity coefficient in micro-region and its key technology research, the development of optical waveguide chip and the integration principle prototype. This project aims to develop an integrated principle prototype for measuring the viscosity coefficient in micro-region, with micro-liter sample solution. This technology can be easily applied to the area of biological cells and medical.

作为生物细胞领域的基本特征参数之一，微区空间粘滞系数的测量对于分析细胞特性及反应动态、进而研究生命活动基本规律具有重要的指导意义。传统的粘滞系数测量方法需要大量的样品和较大的测量空间，不适用于生物细胞领域微区空间液体粘滞系数的测量。本项目基于光镊技术，首次提出利用双光束失准法光致轨道旋转测量微区空间液体的粘滞系数。在双光束光阱中，当两束捕获光之间存在横向失准时，被捕获微球将在光阱中做轨道旋转，其旋转周期随环境液体粘滞系数的增大而线性增大，因此可利用该方法实现对微区空间液体粘滞系数的精确测量。本项目的具体研究内容包括：双光束失准法光致轨道旋转理论与实验研究、微区空间液体粘滞系数的测量及关键技术攻关、光波导芯片设计及一体化原理样机的开发。本项目旨在研制微区空间粘滞系数测量的一体化原理样机，实现微升量级液体粘滞系数的精密测量，并进一步拓展该技术在细胞生物、医疗卫生等领域的相关应用。

本项目首次提出利用双光束失准法实现介观尺度微粒可控光致轨道旋转，并将其应用于微区空间液体的粘滞系数测量。本项目的研究内容为微区空间粘滞系数的精密测量提供了便携式实验平台，可用于生物细胞液、细胞核浆等微量溶液的粘滞系数测量，为细胞活性测量、生物传感、生物筛选等领域提供有力的技术支撑。.首先，基于射线模型，计算了双光束失准光纤光阱中被捕获微球所受到的光阱力，并对不同失准条件下微球运动轨迹进行了仿真。仿真结果表明，随着横向失准距离的增大，被捕获微球的运动状态依次为：稳定捕获、螺旋运动、轨道旋转和逃逸，明确了光致轨道旋转的条件。研究了微球轨道旋转周长和周期随失准距离、捕获光功率、光纤端面间距和微球直径的变化规律，仿真结果表明：当其它参数固定时，微球轨道旋转的周长随失准距离的增大而增大，随光纤端面间距和微球直径的增大而减小；微球轨道旋转周期随失准距离的增大而增大，随捕获光功率、光纤端面间距和微球直径的增大而减小。.随后，搭建双光束光阱实验系统，利用双光束失准光纤光阱捕获聚苯乙烯微球，调节光纤横向失准距离，实现了被捕获微球的光致轨道旋转，通过实验验证了失准距离、捕获光功率、光纤端面间距和微球直径对轨道旋转周长和周期的影响。.最后，研究了环境液体粘滞系数对微球轨道旋转周期的影响机理，环境粘滞系数越大，微球受到的粘滞阻力越大，其轨道旋转的周期越长，从而可通过对轨道旋转的监控实现对微区空间液体粘滞系数的精确测量。设计了用于微区空间液体粘滞系数测量的双光束光阱芯片，芯片尺寸达到4 mm ×16 mm ×1 mm，基于该系统测量了不同浓度乙醇溶液的粘滞系数，所需待测液容积小于0.4μL，测量分辨率达到3.7E-6Pa·s。