[論文レビュー] Euler buckling in red blood cells: An optically driven biological micromotor

Abhijit Ghosh, Supurna Sinha+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2005

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、光学トラップが生きた赤血球（RBC）にエーラー座屈を誘発し、細胞が棒状に折りたたまれることを提案している。円偏光で照射された場合、折りたたまれたRBCは光学的トルクにより回転し、回転速度はレーザー出力に比例する。モデルは、臨界レーザー強度における折りたたみ／展開の時間スケールと、大きな形状の揺らぎをうまく予測している。

ABSTRACT

We investigate the physics of an optically-driven micromotor of biological origin. A single, live red blood cell, when placed in an optical trap folds into a rod-like shape. If the trapping laser beam is circularly polarized, the folded RBC rotates. A model based on the concept of buckling instabilities captures the folding phenomenon; the rotation of the cell is simply understood using the Poincarè sphere. Our model predicts that (i) at a critical intensity of the trapping beam the RBC shape undergoes large fluctuations and (ii) the torque is proportional to the intensity of the laser beam. These predictions have been tested experimentally. We suggest a possible mechanism for emergence of birefringent properties in the RBC in the folded state.

研究の動機と目的

• 光学トラップ内での生きた赤血球の光学的誘発折りたたみと回転の物理的メカニズムを理解すること。
• 折りたたみ（速い）と展開（遅い）の時間スケールにおける観察された非対称性を説明すること。
• 光学的角運動量の移行を用いて、円偏光下での折りたたまれたRBCの回転をモデル化すること。
• 折りたたまれた状態でコーシャルの配列に起因する屈折率異方性が生じるという仮説を検証すること。
• レーザー強度および出力に依存する折りたたみダイナミクスの予測と実験的検証を行うこと。

提案手法

• RBC膜を光学トラップからの圧縮力を受けた柔軟な弾性構造として扱い、エーラー座屈不安定性を用いて折りたたみをモデル化する。
• 円偏光光からRBCへの角運動量移行を記述するために、ポアンカレ球を用いる。
• トルクをレーザー出力に比例する形で導出する：$ \tau \propto P $、ここで $ \tau = \xi \omega $ であり、$ \xi $ は粘性抵抗係数を表す。
• 折りたたみ時間を $ T_{\text{fold}} \propto 1/(P - P_0) $ としてモデル化し、$ P_0 $ は折りたたみの臨界出力である。
• 測定された角速度からトルクを推定するため、粘性抵抗モデル $ \xi = \frac{\pi \eta L^3}{3(\ln(L/2r) - 0.447)} $ を用いる。
• 臨界出力付近での形状揺らぎを分析し、復元力が消失するため、大きなブラウン運動的揺らぎが生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学トラップ内での赤血球の折りたたみの背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ2 なぜ折りたたみ時間は展開時間よりもはるかに短いか？
• RQ3 円偏光が折りたたまれたRBCにどのように回転を誘発するか？
• RQ4 回転速度はレーザー出力にどのように依存するか？
• RQ5 どのレーザー強度でRBCに大きな形状揺らぎが現れるか？

主な発見

• 折りたたみは約20 mWのレーザー出力で発生し、折りたたみ時間は約1秒、展開時間は約14秒である。
• RBCにかかるトルクはレーザー出力に比例し、1064 nmの波長で測定されたトルクは26 nN·nmであった。
• 回転は円偏光下でのみ観察され、回転速度はレーザー出力によって直接制御可能である。
• 臨界レーザー強度において、折りたたみ座標における復元力が欠如するため、RBCは大きな形状揺らぎを示す。
• モデルは、レーザー出力が臨界閾値 $ P_0 $ に近づくにつれて折りたたみ時間が延びることを予測しており、実験データと一致する。
• 折りたたまれたRBCは、細胞骨格バイオポリマーが円筒軸に沿って整列することで屈折率異方性を示し、液体結晶の挙動に類似している。