麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出一種基于芯片的微型“牽引光束”，類(lèi)似于電影《星球大戰(zhàn)》中捕獲千年隼號(hào)的光束，它有朝一日可以幫助生物學(xué)家和臨床醫(yī)生研究DNA、分類(lèi)細(xì)胞和研究疾病機(jī)制。

該設(shè)備體積小到可以放在手掌中，它利用硅光子芯片發(fā)射的光束來(lái)操控距離芯片表面幾毫米的粒子。光線可以穿透保護(hù)生物實(shí)驗(yàn)樣品的玻璃蓋玻片，使細(xì)胞保持在無(wú)菌環(huán)境中。

傳統(tǒng)的光鑷?yán)霉鈦?lái)捕獲和操縱粒子，通常需要笨重的顯微鏡裝置，但基于芯片的光鑷可以為生物實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)操縱提供更緊湊、可大規(guī)模制造、廣泛可用和高通量的解決方案。

然而，其他類(lèi)似的集成光鑷只能捕獲和操縱非常接近或直接位于芯片表面的細(xì)胞。這會(huì)污染芯片并給細(xì)胞帶來(lái)壓力，限制與標(biāo)準(zhǔn)生物實(shí)驗(yàn)的兼容性。

麻省理工學(xué)院的研究人員利用一種稱(chēng)為集成光學(xué)相控陣的系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出了一種集成光鑷的新方式，可以捕獲和鑷取距離芯片表面一百倍以上的細(xì)胞。

“這項(xiàng)研究為基于芯片的光鑷開(kāi)辟了新的可能性，它能夠捕獲和夾取細(xì)胞的距離比之前演示的要遠(yuǎn)得多。想想這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的不同應(yīng)用，真是令人興奮，”電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué) (EECS) 的 Robert J. Shillman 職業(yè)發(fā)展教授、電子研究實(shí)驗(yàn)室成員 Jelena Notaros 說(shuō)道。

新的誘捕方式

光阱和鑷子使用聚焦光束來(lái)捕獲和操縱微小粒子。光束施加的力會(huì)將微粒拉向中心高度聚焦的光線，從而捕獲它們。通過(guò)控制光束，研究人員可以拉動(dòng)微粒，使他們能夠使用非接觸力來(lái)操縱微小物體。

然而，光鑷傳統(tǒng)上需要在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置大型顯微鏡，以及多個(gè)設(shè)備來(lái)形成和控制光，這限制了它們的使用地點(diǎn)和方式。

“借助硅光子學(xué)，我們可以將這種大型、通常為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的系統(tǒng)集成到芯片上。這為生物學(xué)家提供了一個(gè)很好的解決方案，因?yàn)樗鼮樗麄兲峁┝斯鈱W(xué)捕獲和鑷子功能，而無(wú)需復(fù)雜的體光學(xué)裝置的開(kāi)銷(xiāo)，”Notaros 說(shuō)。

但到目前為止，基于芯片的光鑷只能在非?？拷酒砻娴牡胤桨l(fā)射光線，因此這些先前的設(shè)備只能捕獲距離芯片表面幾微米的粒子。生物樣本通常使用厚度約為 150 微米的玻璃蓋玻片保存在無(wú)菌環(huán)境中，因此使用這種芯片操作它們的唯一方法是將細(xì)胞取出并放置在芯片表面。

然而，這會(huì)導(dǎo)致芯片污染。每次進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)時(shí)，芯片都必須扔掉，并將細(xì)胞放入新芯片上。

為了克服這些挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種硅光子芯片，該芯片發(fā)射的光束聚焦在其表面上方約 5 毫米處。這樣，他們就可以捕獲和操縱留在無(wú)菌蓋玻片內(nèi)的生物顆粒，從而保護(hù)芯片和顆粒免受污染。

操控光線

研究人員使用一種稱(chēng)為集成光學(xué)相控陣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。該技術(shù)涉及一系列使用半導(dǎo)體制造工藝在芯片上制造的微尺度天線。通過(guò)電子控制每個(gè)天線發(fā)射的光信號(hào)，研究人員可以塑造和控制芯片發(fā)射的光束。

受激光雷達(dá)等遠(yuǎn)程應(yīng)用的推動(dòng)，大多數(shù)先前的集成光學(xué)相控陣并非設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生光學(xué)鑷子所需的緊密聚焦光束。麻省理工學(xué)院的研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)為每個(gè)天線創(chuàng)建特定的相位模式，它們可以形成高度聚焦的光束，可用于在距離芯片表面幾毫米的地方進(jìn)行光學(xué)捕獲和鑷子操作。

“之前沒(méi)有人制造過(guò)能夠捕獲毫米級(jí)距離微粒的硅光子學(xué)光鑷。與之前的演示相比，這是一個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)，”諾塔羅斯說(shuō)。

通過(guò)改變?yōu)樾酒╇姷墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)，研究人員可以在大于一毫米的范圍內(nèi)以微米級(jí)的精度控制聚焦光束。

為了測(cè)試他們的設(shè)備，研究人員首先嘗試捕獲和操縱微小的聚苯乙烯球。成功后，他們繼續(xù)捕獲并夾取 Voldman 團(tuán)隊(duì)提供的癌細(xì)胞。

Sneh 補(bǔ)充道：“將硅光子學(xué)應(yīng)用于生物物理學(xué)的過(guò)程中出現(xiàn)了許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)?！?/p>

例如，研究人員必須確定如何以半自動(dòng)化方式跟蹤樣品粒子的運(yùn)動(dòng)，確定適當(dāng)?shù)南葳鍙?qiáng)度以將粒子固定在適當(dāng)位置，以及有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

最后，他們展示了利用單光束光鑷進(jìn)行的首次細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。

基于這些結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)希望改進(jìn)該系統(tǒng)，使光束的焦距可調(diào)。他們還希望將該設(shè)備應(yīng)用于不同的生物系統(tǒng)，并同時(shí)使用多個(gè)捕獲點(diǎn)，以更復(fù)雜的方式操縱生物粒子。

參考鏈接

https://scitechdaily.com/real-life-star-wars-tech-mit-researchers-have-created-a-miniature-tractor-beam-to-capture-cells/