生物粒子操控在细胞生物学、单分子生物学、胶体科学及物理学等领域都有重要应用。目前,人们可用光镊技术对各种细胞、DNA、染色体,甚至细菌、病毒等进行俘获、选择、分离、移动、旋转、测量等操控。极大地提高了人们操控和测量分子尺度粒子的能力。光镊被认为是最适合微纳粒子操控的技术。长期以来,由于缺乏操纵微纳粒子的手段和将人与原子联系起来的纳米技术,微纳系统工程一直受到阻碍。直到几年前,对微纳系统中物质的操控、分析和组织都是受限的。而具有强可塑性的光镊技术将完全解决这些问题。本论文总结介绍了生物粒子操控技术的基本应用和方法,还开发了基于光纤光镊技术束腰和模式特性与俘获力及扭矩对应关系的理论模型,并设计实验方案实现了低功率低损伤下的三维操控,用功率低至10m W的激光实现对微米级酵母菌细胞的俘获操控,具有低功率,低成本,无损伤,三维灵活操控的优点;利用LP21模式大幅度提升了光纤光镊系统的稳定度,将光纤低阶模的优越特性展现的淋漓尽致,并在此基础上进行了间接抓手粒子的制作,完成了间接操控实验,进一步降低对细胞的损伤;此外还提出一种用于分析光纤不同模式光镊技术的束腰参数优化理论,并以LP11,LP21,LP31为例进行仿真分析比较,得到结论与实验数据基本吻合,即束腰和细胞尺寸比值的最佳范围在0.8-1.3之间,可以同时有效地操纵单个细胞的移动和控制旋转。本论文介绍了一种与众不同的单光束细胞操控技术,该技术能够利用一根光纤俘获细胞并实现平移、旋转和保持位置和方向等操作。它的主要内容如下:1.介绍了生物粒子光镊操控技术的研究背景和各种微纳粒子操控技术的发展现状,深入分析光纤光镊技术的原理,并对T矩阵算法进行详细的介绍,为下一步实际实验和结果分析打下基础。2.制备和搭建基于单光纤光镊技术的生物粒子操控平台,配置待操控粒子溶液,实验操作并进行数据分析,验证理论的可行性。最终成功实现了生物粒子的高效操控。3.对不同光纤模式下的束腰参数选择进行理论优化,通过理论分析寻找最优束腰参数点,为今后的光纤低模式光镊工作提供了坚实的理论支撑,验证了束腰参数选择方法的可行性。4.详细阐述了间接操控系统的背景和原理,设计完成间接操控实验和理论仿真,实现对生物细胞的三维低功耗无损间接操控。本文的创新点如下:1.本文利用光纤LP21模式的线性旋转特性和弯曲不变特性,通过直接操控LP21模式实现对光场的调制,实现成本低廉,而且提供了独特的能力,不仅可以操作,而且可以旋转保存活的单细胞。在不引入任何外部组件的情况下,使单细胞保持在任意位置和方向上,由于本方案未引入外部调制器,故系统功率损耗大大降低,在满足上述复杂条件下可保持传输功率低至10m W,可以减轻细胞手术中可能由于光或热效应可能造成的细胞损伤。适用于具有多侧遮挡的复杂环境;结构是高度紧凑。上述特性使它可以很容易地集成到现代细胞手术环境中。所有这些都可以通过现成的光学元件实现。2.首次提出了一整套完备的用于分析粒子尺度接近波长条件下的光纤不同模式光镊技术的束腰参数优化理论,在理论上将“束腰、低阶模式”等光参数与“俘获力、扭矩”等俘获参数直观结合。以LP11,LP21,LP31为例进行仿真分析比较,结论保持高度一致。3.在之前实验和理论的基础上,利用纳米压印技术制备间接抓手粒子,实现了细胞的间接操控,实验结果和理论数据吻合,并进一步降低了对细胞的损伤,为不同应用环境提供了多种选择。这些成果将在细胞手术和基因研究中实际细胞操作的起到重大作用,将广泛的应用在生物医学领域,对生物细胞的三维无损伤操控起到重要作用。