麻省理工学院的研究人员已经开发出一种微型的、基于芯片的“牵引波束”，就像电影《星球大战》中捕捉千年隼号的那种，有朝一日可以帮助生物学家和临床医生研究DNA、分类细胞和调查疾病的机制。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

这个装置小到可以放在你的手掌里，它利用硅光子学芯片发出的一束光来操纵芯片表面几毫米外的粒子。光线可以穿透生物实验中保护样品的玻璃盖片，使细胞保持在无菌环境中。

传统的光学镊子利用光捕获和操纵粒子，通常需要笨重的显微镜装置，但基于芯片的光学镊子可以为生物实验中的光学操作提供更紧凑、可批量制造、广泛使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。这会污染芯片并对细胞造成压力，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使用一种称为集成光学相控阵的系统，开发了一种集成光学镊子的新模式，可以在距离芯片表面100多倍的地方捕获和镊子细胞。

“这项工作为基于芯片的光学镊子开辟了新的可能性，它可以在比以前演示的更大的距离上捕获和镊子细胞。想到这项技术可以实现的不同应用，这是令人兴奋的，”电子研究实验室成员、电子工程和计算机科学(EECS)罗伯特·j·希尔曼职业发展教授耶琳娜·诺塔诺斯说。

论文的第一作者、EECS的研究生Tal Sneh也加入了nornoos;Sabrina Corsetti, EECS研究生;Milica Notaros博士;Kruthika Kikkeri博士;Joel Voldman, EECS的William R. Brody教授。

一种新的捕获方式

光学陷阱和镊子使用聚焦的光束来捕获和操纵微小的粒子。光束施加的力将把微粒拉向中心强烈聚焦的光，并捕获它们。通过控制光束，研究人员可以拉动微粒子，使他们能够使用非接触力来操纵微小的物体。

然而，光学镊子传统上需要在实验室中设置大型显微镜，以及多个设备来形成和控制光，这限制了它们的使用位置和方式。

“有了硅光子学，我们可以把这个大型的、典型的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很好的解决方案，因为它为他们提供了光学捕获和镊子功能，而没有复杂的大型光学装置的开销，”诺诺罗斯说。

但到目前为止，基于芯片的光学镊子只能发射离芯片表面非常近的光，所以这些先前的设备只能捕获离芯片表面几微米的粒子。生物标本通常用大约150微米厚的玻璃盖片保存在无菌环境中，因此用这种芯片操作它们的唯一方法是将细胞取出并放置在其表面。

然而，这会导致芯片污染。每次进行新的实验时，芯片都必须扔掉，细胞需要放在新的芯片上。

为了克服这些挑战，麻省理工学院的研究人员开发了一种硅光子学芯片，它能发出一束光，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，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。这项技术涉及到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，研究人员可以塑造和控制芯片发出的光束。

由于受到激光雷达等远程应用的影响，大多数先前的集成光学相控阵都不能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，他们可以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，”诺诺罗斯说。

通过改变驱动芯片的光信号的波长，研究人员可以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。一旦他们成功了，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补充说:“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。

最后，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(University of Rochester)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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