芯片级光镊技术实现毫米级生物粒子操控

工程师研制出用于生物粒子的芯片级“牵引光束”

一项研究展示了一种微型、基于芯片的“牵引光束”装置，它能利用硅光子芯片发射的紧密聚焦光束，在距离芯片表面数毫米处操控粒子。该技术有望帮助生物学家和临床医生研究DNA、分类细胞并探索疾病机制。

传统光镊的局限与芯片化机遇

传统的光学镊子利用光来捕获和操控微小粒子，但通常需要庞大的显微镜系统。芯片化的光学镊子则可能为生物实验中的光学操控提供更紧凑、可大规模生产、更易获取且高通量的解决方案。

然而，此前类似的集成光学镊子只能捕获和操控非常靠近或直接在芯片表面的细胞。这会污染芯片并对细胞造成压力，限制了其与标准生物实验的兼容性。

新技术：集成光学相控阵

为了克服这些挑战，某机构的研究人员利用一种称为集成光学相控阵的系统，开发了集成光学镊子的新模态。该系统使捕获和“镊取”细胞的距离达到芯片表面百倍以上。

该硅光子芯片发射的光束能在其表面上方约5毫米处聚焦。这样，研究人员就能捕获和操控仍处于无菌盖玻片内的生物粒子，保护芯片和粒子免受污染。

技术原理与实现

这项技术涉及一系列通过半导体制造工艺在芯片上制造的微型天线。通过电子控制每个天线发射的光信号，研究人员可以塑造和引导芯片发射的光束。

研究团队发现，通过为每个天线创建特定的相位模式，可以形成紧密聚焦的光束，用于在距离芯片表面毫米级的距离进行光学捕获和镊取。通过改变为芯片供电的光信号的波长，研究人员可以以微米级的精度在超过一毫米的范围内引导聚焦光束。

实验验证与应用前景

研究人员首先尝试捕获和操控微小的聚苯乙烯球体，成功后转向捕获和镊取由合作实验室提供的癌细胞。他们克服了将硅光子学应用于生物物理学过程中的诸多独特挑战，例如以半自动化方式跟踪样本粒子的运动、确定保持粒子到位的适当捕获强度以及有效进行数据后处理等。

最终，他们成功展示了首个采用单光束光学镊子的细胞实验。基于这些结果，该团队希望改进系统，以实现光束焦距高度的可调节。他们还希望将该装置应用于不同的生物系统，并同时使用多个捕获位点，以更复杂的方式操控生物粒子。

这项研究由某机构等资助。