High-Order Fiber Mode Beam Parameter Optimization for Transport and Rotation of Single Cells.
High-Order Fiber Mode Beam Parameter Optimization for Transport and Rotation of Single Cells.
复制标题
单细胞传输和旋转的高阶光纤模式光束参数优化
DOI：
10.3390/mi12020226
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发表时间：
2021-02-23
期刊：
影响因子：
3.4
通讯作者：
Wu X
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Shan Z;Yao S;Zhang E;Pi D;Cao W;Lin F;Cai Z;Wu X
光镊在生物医学应用中越来越重要，用于捕获、推进、结合和控制生物颗粒的旋转。这些功能使细胞手术、显微注射、细胞器提取和修饰以及植入前遗传诊断等应用成为可能。特别地，基于光纤的镊子是紧凑的、高度柔性的，并且可以容易地集成到芯片实验室设备中。利用光纤中高阶传播模式固有的光束结构，LP 11、LP 21和LP 31光纤模式可以在光束的横截面中产生具有两个或更多个浓度的结构化径向光场，从而用单个光纤形成生物颗粒的多个陷阱。在本文中，我们报告的动态建模和优化的单细胞操作与两个到六个光阱形成一个单一的光纤，产生的空间光调制（SLM）或倾斜入射激光光纤耦合。特别是，我们专注于任意目标细胞尺寸的光束尺寸优化，使被困运输和控制旋转的单个细胞，使用点匹配方法（PMM）的T矩阵计算捕获力和旋转扭矩。最后，我们通过实验验证了这些优化的光束尺寸为LP 21模式。这项工作提供了一个新的理解，最佳的光学操纵使用高阶光纤模式在单细胞水平。
Optical tweezers are becoming increasingly important in biomedical applications for the trapping, propelling, binding, and controlled rotation of biological particles. These capabilities enable applications such as cell surgery, microinjections, organelle extraction and modification, and preimplantation genetic diagnosis. In particular, optical fiber-based tweezers are compact, highly flexible, and can be readily integrated into lab-on-a-chip devices. Taking advantage of the beam structure inherent in high-order modes of propagation in optical fiber, LP11, LP21, and LP31 fiber modes can generate structured radial light fields with two or more concentrations in the cross-section of a beam, forming multiple traps for bioparticles with a single optical fiber. In this paper, we report the dynamic modeling and optimization of single cell manipulation with two to six optical traps formed by a single fiber, generated by either spatial light modulation (SLM) or slanted incidence in laser-fiber coupling. In particular, we focus on beam size optimization for arbitrary target cell sizes to enable trapped transport and controlled rotation of a single cell, using a point matching method (PMM) of the T-matrix to compute trapping forces and rotation torque. Finally, we validated these optimized beam sizes experimentally for the LP21 mode. This work provides a new understanding of optimal optical manipulation using high-order fiber modes at the single-cell level.
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