麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種基于芯片的微型“牽引光束”，類似于電影《星球大戰(zhàn)》中捕獲千年隼號的光束，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)胞保持在無菌環(huán)境中。

傳統(tǒng)的光鑷?yán)霉鈦聿东@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。這會污染芯片并給細(xì)胞帶來壓力，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為集成光學(xué)相控陣的系統(tǒng)，開發(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 說道。

新的誘捕方式

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

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，而無需復(fù)雜的體光學(xué)裝置的開銷，”Notaros 說。

但到目前為止，基于芯片的光鑷只能在非常靠近芯片表面的地方發(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。通過電子控制每個(gè)天線發(fā)射的光信號，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，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。

“之前沒有人制造過能夠捕獲毫米級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)量級的改進(jìn)，”諾塔羅斯說。

通過改變?yōu)樾酒╇姷墓庑盘柕牟ㄩL，研究人員可以在大于一毫米的范圍內(nèi)以微米級的精度控制聚焦光束。

為了測試他們的設(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)的過程中出現(xiàn)了許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)。”

例如，研究人員必須確定如何以半自動化方式跟蹤樣品粒子的運(yùn)動，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/