這種微型設(shè)備使用一束緊密聚焦的光來捕獲和操縱細(xì)胞。
麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種微型的、基于芯片的“牽引波束”，就像電影《星球大戰(zhàn)》中捕捉千年隼號的那種，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)胞和調(diào)查疾病的機(jī)制。
這個裝置小到可以放在你的手掌里，它利用硅光子學(xué)芯片發(fā)出的一束光來操縱芯片表面幾毫米外的粒子。光線可以穿透生物實(shí)驗(yàn)中保護(hù)樣品的玻璃蓋片，使細(xì)胞保持在無菌環(huán)境中。
傳統(tǒng)的光學(xué)鑷子利用光捕獲和操縱粒子，通常需要笨重的顯微鏡裝置，但基于芯片的光學(xué)鑷子可以為生物實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)操作提供更緊湊、可批量生產(chǎn)、廣泛使用和高通量的解決方案。
然而，其他類似的集成光學(xué)鑷子只能捕獲和操縱非常接近或直接在芯片表面上的細(xì)胞。這會污染芯片并對細(xì)胞造成壓力，限制其與標(biāo)準(zhǔn)生物實(shí)驗(yàn)的兼容性。
麻省理工學(xué)院的研究人員使用一種稱為集成光學(xué)相控陣的系統(tǒng)，開發(fā)了一種集成光學(xué)鑷子的新模式，可以在距離芯片表面100多倍的地方捕獲和鑷子細(xì)胞。
“這項(xiàng)工作為基于芯片的光學(xué)鑷子開辟了新的可能性，它可以在比以前演示的更大的距離上捕獲和鑷子細(xì)胞。想到這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的不同應(yīng)用，這是令人興奮的，”電子研究實(shí)驗(yàn)室成員、電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)（EECS）羅伯特·j·希爾曼職業(yè)發(fā)展教授耶琳娜·諾塔諾斯說。
一種新的捕獲方式
光學(xué)陷阱和鑷子使用聚焦的光束來捕獲和操縱微小的粒子。光束施加的力將把微粒拉向中心強(qiáng)烈聚焦的光，并捕獲它們。通過控制光束，研究人員可以拉動微粒子，使他們能夠使用非接觸力來操縱微小的物體。
然而，光學(xué)鑷子傳統(tǒng)上需要在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置大型顯微鏡，以及多個設(shè)備來形成和控制光，這限制了它們的使用位置和方式。
“有了硅光子學(xué)，我們可以把這個大型的、典型的實(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，而沒有復(fù)雜的大型光學(xué)裝置的開銷，”諾塔諾斯說。
但到目前為止，基于芯片的光學(xué)鑷子只能發(fā)射離芯片表面非常近的光，所以這些先前的設(shè)備只能捕獲離芯片表面幾微米的粒子。生物標(biāo)本通常用大約150微米厚的玻璃蓋片保存在無菌環(huán)境中，因此用這種芯片操作它們的唯一方法是將細(xì)胞取出并放置在其表面。
然而，這會導(dǎo)致芯片污染。每次進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)時，芯片都必須扔掉，細(xì)胞需要放在新的芯片上。
為了克服這些挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種硅光子學(xué)芯片，它能發(fā)出一束光，聚焦在其表面以上約5毫米處。通過這種方式，他們可以捕獲和操縱留在無菌覆蓋片內(nèi)的生物顆粒，保護(hù)芯片和顆粒免受污染。
操縱光
研究人員使用一種稱為集成光學(xué)相控陣的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)涉及到使用半導(dǎo)體制造工藝在芯片上制造一系列微型天線。通過電子控制每個天線發(fā)出的光信號，研究人員可以塑造和控制芯片發(fā)出的光束。
由于受到激光雷達(dá)等遠(yuǎn)程應(yīng)用的影響，大多數(shù)先前的集成光學(xué)相控陣都不能產(chǎn)生光鑷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)，通過為每個天線創(chuàng)建特定的相位模式，他們可以形成一束強(qiáng)烈聚焦的光束，可用于在距離芯片表面毫米的地方進(jìn)行光學(xué)捕獲和高頻化。
“在此之前，還沒有人創(chuàng)造出基于硅光子學(xué)的光學(xué)鑷子，能夠在毫米尺度的距離上捕獲微粒。與之前的演示相比，這是一個高出幾個數(shù)量級的改進(jìn)，”諾塔諾斯說。
通過改變驅(qū)動芯片的光信號的波長，研究人員可以將聚焦光束控制在超過一毫米的范圍內(nèi)，并具有微尺度的精度。
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體。一旦他們成功了，他們就會繼續(xù)捕捉和鑷子夾住研究小組提供的癌細(xì)胞。
研究人員表示：“在將硅光子學(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)?！?/p>
例如，研究人員必須確定如何以半自動化的方式跟蹤樣品粒子的運(yùn)動，確定適當(dāng)?shù)南葳鍙?qiáng)度以保持粒子的位置，并有效地后處理數(shù)據(jù)。
最后，他們展示了第一個用單光束光鑷進(jìn)行的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。
在這些結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究小組希望改進(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)，并同時使用多個陷阱位點(diǎn)以更復(fù)雜的方式操縱生物顆粒。
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