用于细胞分选的双光束光阱理论及其与微流控集成的技术研究

Cell skeleton model is introduced into the existing light trap mechanics effect theory for dual beam laser trap (DBLT) in the application of cell sorting. Using ray optics and steered molecular dynamics method, the mechanical effect on deformable soft cell of DBLT, and mechanical behavior of deformable soft cell in DBLT are investigated. On this basis, integration technology of DBLT with microfluidic is going to be studied to realize cell capture, stretch and release in microfluidic channel. The project is expected to establish DBLT mechanics effect theory suitable for deformable soft cell, to develop a novel microfluidic optical device and system, which achieve cell sorting of different mechanical characteristics using non-invasive, non-contact mechanical effect of DBLT. The results of project have important significance to the lab on a chip which provides quick, simple, accurate, noninvasive screening separation and medical diagnosis at cell level, and has broad application prospects in the area of cell biology.

项目围绕双光束光阱在细胞分选中的应用，开展理论与技术研究。以双光束光阱中的可变形软细胞为研究对象，将细胞骨架模型引入到传统的光阱力学效应理论，采用射线光学及拉伸分子动力学方法，研究双光束光阱对可变形软细胞的力学效应，以及可变形软细胞在双光束光阱中的力学行为。在此基础上，探索双光束光阱与微流控的集成技术，通过控制双光束光阱来实现对微流通道中的细胞进行捕获、拉伸和释放。 项目将建立适用于可变形软细胞的双光束光阱力学效应理论，发展出一种新型微流控光学器件及系统，利用双光束光阱对细胞无损伤、非接触的力学作用，实现对不同力学特性细胞的分选。项目的研究结果对于在细胞水平上进行快速、简便、准确、非损伤的筛选分离、医学诊断等具有重要意义，在细胞生物学领域有广阔的应用前景。

近年来，国际上对双光束光阱技术与微流控技术的集成及其在细胞力学中的应用方面已经取得了一系列很重要的研究成果，展示了这一研究方向广阔的前景。从学科发展的层面上来看，微流控技术与现代光学相结合而形成的微流控光学已成为一个新型交叉前沿学科，微流控光学技术为现代光学系统的变革带来了新的机遇，将催生出新一代微流控光学器件和系统。但是，目前双光束光阱对可变形软细胞的力学效应的基础理论还不够完善，细胞的可变形性对光阱力学效应的影响等一些基本理论问题并未阐述清楚，同时国内在双光束光阱的力学效应理论、光阱与微流控的集成技术及其在细胞力学中的应用等研究尚未深入。.　　本项目围绕双光束光阱在细胞分选中的应用开展了理论与技术研究。理论上，以双光束光阱中的可变形软细胞为研究对象，将细胞骨架模型引入到传统的光阱力学效应理论，采用基于T矩阵和麦克斯韦应力张量法的电磁理论模型，和基于覆膜球的细胞力学模型，建立了以正四边形为基本单元的红细胞骨架索网模型，研究了双光束光阱对可变形软细胞的力学效应以及可变形软细胞在双光束光阱中的力学行为，得到不同的膜面积压缩模量和剪切模量下细胞形变和应力之间的定量关系。实验上，研究了双光束光阱与微流控的集成技术，研制出20×20×0.4mm3基于PDMS的双光束光纤光阱－微流控集成Y型分支芯片样品，构建了基于该集成芯片的细胞力学特性分析实验系统，通过控制双光束光阱来实现对微流通道中的细胞进行捕获、拉伸和释放，并对细胞在双光束光阱力下的形变进行了测量，测得正常红细胞的变形量与双光束光阱功率之间成近似线性关系，线性系数约为11.5μm/W，与理论仿真结果基本符合。在此基础上实现了细胞的分选功能验证。.　　本项目研究通过理论和实验验证了利用双光束光阱-微流控芯片实现可变形软细胞的力学特性分选，完善了微流控光学的理论框架，拓展了芯片实验室的内涵，在此基础上可发展出新型微流控光学器件和系统，在细胞力学等生命科学领域有广阔的应用前景。