麻省理工学院的研究团队开发了一种微型的、基于芯片的“牵引波束”，类似于电影《星球大战》中捕捉千年隼号的情节，未来可能帮助生物学家和临床医生研究DNA、分类细胞以及探讨疾病机制。
这项研究已在《自然通讯》杂志上发表。
该装置小巧到可以放在手掌中，利用硅光子学芯片发出的光束来操控距离芯片表面几毫米的粒子。光线能够穿透生物实验中保护样品的玻璃盖片，从而保持细胞在无菌环境中。
传统的光学镊子依赖光来捕获和操纵粒子，通常需要大型显微镜设备，而基于芯片的光学镊子则提供了更紧凑、可批量生产、广泛应用和高通量的解决方案。
然而，其他类似的集成光学镊子只能捕获和操纵非常接近或直接在芯片表面上的细胞，这会导致芯片污染并对细胞造成压力，从而限制其与标准生物实验的兼容性。
麻省理工学院的研究人员采用了一种称为集成光学相控阵的系统，开发出一种新型的集成光学镊子，能够在距离芯片表面100多倍的地方捕获和操纵细胞。
“这项研究为基于芯片的光学镊子开辟了新的可能性，能够在比以往更大的距离上捕获和操纵细胞。想到这项技术的不同应用，令人感到兴奋，”电子研究实验室的成员、电子工程与计算机科学(EECS)的罗伯特·J·希尔曼职业发展教授耶琳娜·诺塔诺斯表示。
论文的第一作者、EECS的研究生Tal Sneh，以及Sabrina Corsetti、Milica Notaros博士、Kruthika Kikkeri博士和Joel Voldman教授共同参与了这项研究。
一种新的捕获方式
光学陷阱和镊子利用聚焦的光束来捕获和操控微小粒子。光束施加的力将微粒拉向中心强烈聚焦的光，并将其捕获。通过控制光束，研究人员能够使用非接触力操纵微小物体。
然而，传统的光学镊子通常需要在实验室中设置大型显微镜和多个设备来形成和控制光，这限制了它们的使用场所和方式。
“借助硅光子学，我们能够将这个大型的、典型实验室规模的系统集成到芯片上。这为生物学家提供了一个理想的解决方案，因为它为他们提供了光学捕获和镊子功能，而无需复杂的大型光学设备，”诺塔诺斯说。
然而，迄今为止，基于芯片的光学镊子只能发射离芯片表面非常近的光，因此这些早期设备只能捕获距离芯片表面几微米的粒子。生物样本通常用约150微米厚的玻璃盖片保存在无菌环境中，因此操作这些样本的唯一方法是将细胞取出并放置在芯片表面。
然而，这会导致芯片污染。每次进行新实验时，芯片都必须被丢弃，细胞需要放置在新的芯片上。
为了解决这些挑战，麻省理工学院的研究人员开发了一种硅光子学芯片，能够发出一束光，聚焦在其表面以上约5毫米处。通过这种方式，他们可以捕获和操纵留在无菌覆盖片内的生物颗粒，从而保护芯片和颗粒免受污染。
操纵光
研究人员使用一种称为集成光学相控阵的系统来实现这一目标。这项技术涉及使用半导体制造工艺在芯片上制造一系列微型天线。通过电子控制每个天线发出的光信号，研究人员能够塑造和控制芯片发出的光束。
受激光雷达等远程应用的影响，大多数早期的集成光学相控阵无法产生光镊所需的紧密聚焦光束。麻省理工学院的研究小组发现，通过为每个天线创建特定的相位模式，他们能够形成强烈聚焦的光束，这可以用于光学捕获和从芯片表面镊子毫米。
“在此之前，还没有人创造出基于硅光子学的光学镊子，能够在毫米尺度的距离上捕获微粒。与之前的演示相比，这是一个高出几个数量级的改进，”诺塔诺斯说。
通过改变驱动芯片的光信号的波长，研究人员能够将聚焦光束控制在超过一毫米的范围内，并具有微尺度的精度。
为了测试他们的设备，研究人员首先尝试捕获和操纵微小的聚苯乙烯球体。一旦成功，他们就会继续捕捉和镊子夹住沃尔德曼小组提供的癌细胞。
Sneh补充道：“在将硅光子学应用于生物物理学的过程中，出现了许多独特的挑战。”
例如，研究人员必须确定如何以半自动化的方式跟踪样品粒子的运动，确定适当的陷阱强度以保持粒子的位置，并有效地后处理数据。
最终，他们展示了第一个用单光束光镊进行的细胞实验。
在这些结果的基础上，研究小组希望改进该系统，使光束的焦距可调。他们还希望将该设备应用于不同的生物系统，并同时使用多个陷阱位点以更复杂的方式操纵生物颗粒。
“从很多方面来说，这是一篇非常有创意和重要的论文，”本·米勒(Ben Miller)说，他是罗切斯特大学皮肤病学院长教授和生物化学与生物物理学教授，他没有参与这项工作。
“首先，考虑到硅光子芯片可以以低成本制造，它有可能使光镊实验大众化。
“这听起来像是只有少数科学家会感兴趣的东西，但实际上，由于仪器的高成本和复杂性，这些系统的广泛使用将使我们能够以以前只有少数实验室才能使用的方式研究单细胞生物物理学的基本问题。
“我还可以想象许多应用，其中一个设备（或可能是一系列设备）可以用来提高疾病诊断的灵敏度。”
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