[论文解读] 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 25

一句话总结

本文提出，光阱可诱导活体红细胞（RBCs）发生欧拉屈曲，使其折叠成棒状；当用圆偏振光照射时，折叠后的RBCs因光学扭矩而旋转，旋转速度与激光功率成正比。该模型成功预测了折叠/展开的时间尺度以及临界激光强度下的大尺度形状涨落。

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.

研究动机与目标

• 理解光阱诱导的活体红细胞折叠与旋转的物理机制。
• 解释观察到的折叠（快）与展开（慢）时间尺度之间的不对称性。
• 利用光角动量传递模型，描述折叠RBC在圆偏振光下的旋转行为。
• 检验假设：折叠状态下因细胞骨架排列而出现双折射现象。
• 预测并实验验证折叠动力学对激光强度与功率的依赖关系。

提出的方法

• 使用欧拉屈曲不稳定性模型描述折叠过程，将RBC膜视为在光阱压缩力作用下的柔性弹性结构。
• 利用庞加莱球描述圆偏振光向RBC传递角动量的过程，解释旋转现象。
• 推导扭矩与激光功率成正比：$ \tau \propto P $，其中 $ \tau = \xi \omega $，$ \xi $ 为粘性阻力系数。
• 将折叠时间建模为 $ T_{\text{fold}} \propto 1/(P - P_0) $，$ P_0 $ 为折叠的临界功率。
• 使用粘性阻力模型 $ \xi = \frac{\pi \eta L^3}{3(\ln(L/2r) - 0.447)} $ 估算由测量的角速度得出的扭矩。
• 分析临界功率附近的形状涨落，此时恢复力消失，导致显著的布朗涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光阱中，红细胞折叠的物理机制是什么？
• RQ2 为何折叠时间远短于展开时间？
• RQ3 圆偏振光如何诱导折叠RBC的旋转？
• RQ4 旋转速度如何依赖于激光功率？
• RQ5 在何种激光强度下，RBC会出现大尺度形状涨落？

主要发现

• 折叠发生在约20 mW的激光功率下，折叠时间约为1秒，展开时间约为14秒。
• RBC所受扭矩与激光功率成正比，在1064 nm波长下测得扭矩为26 nN·nm。
• 仅在圆偏振光照射下观察到旋转，且旋转速度可由激光功率直接调控。
• 在临界激光强度下，由于折叠坐标方向恢复力消失，RBC表现出大尺度形状涨落。
• 模型预测折叠时间随激光功率趋近临界阈值 $ P_0 $ 而增加，与实验数据一致。
• 折叠后的RBC因细胞骨架生物大分子沿圆柱轴向排列而表现出双折射，表现出类似液晶的行为。