麻省理工學(xué)院的研究人員利用集成光學(xué)相控陣（OPA）技術(shù)，開發(fā)出一種集成光學(xué)鑷子，類似于電影《星球大戰(zhàn)》中捕捉千年隼號的“牽引光束”，該技術(shù)未來可能幫助生物學(xué)家和臨床醫(yī)生研究DNA、分類細胞及探索疾病機制。

這種設(shè)備小巧，能放在手掌中，通過硅光子芯片發(fā)出的光束在芯片表面幾毫米之外操控顆粒。光束可以穿透用于生物實驗的玻片，保持樣本在無菌環(huán)境中。該技術(shù)首次在《自然通訊》雜志中展示，由該論文的通訊作者、電子工程與計算機科學(xué)系（EECS）助理教授Jelena Notaros博士領(lǐng)導(dǎo)的團隊完成。研究表明，這項技術(shù)成功實現(xiàn)了聚苯乙烯微球和鼠類淋巴母細胞的光學(xué)捕捉和操控，標(biāo)志著集成光學(xué)鑷子的一種新應(yīng)用方式的誕生。

傳統(tǒng)的光學(xué)鑷子使用聚焦光束捕捉和操控微小顆粒，光束的力量會將顆粒吸引到中心光點，并通過操控光束實現(xiàn)非接觸式的粒子移動。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)鑷子通常需要龐大的顯微鏡設(shè)備，限制了其應(yīng)用范圍和場合。而麻省理工學(xué)院的研究人員利用OPA技術(shù)，開發(fā)了一種新的光學(xué)鑷子，可以在遠離芯片表面的距離操控細胞，并使其保持在無菌環(huán)境中，克服了以往集成光學(xué)鑷子只能在芯片表面附近操作的局限。

集成光學(xué)相控陣技術(shù)通過在芯片上制造微型天線陣列，以半導(dǎo)體工藝控制每個天線發(fā)出的光信號，從而實現(xiàn)對光束的精確操控。此前的相控陣技術(shù)主要用于激光雷達等長距離應(yīng)用，而麻省理工團隊則創(chuàng)新性地將其用于形成高度聚焦的光束，用于光學(xué)捕捉和操控微小顆粒。他們的實驗成功地在距離芯片表面5毫米的高度捕捉并操控了聚苯乙烯微球，并進一步實現(xiàn)了對鼠類癌細胞的捕捉和操控。

研究團隊表示，這項技術(shù)為集成光學(xué)鑷子提供了前所未有的長距離操控能力，極大地提高了其在生物實驗中的實用性和兼容性，尤其是對于DNA、蛋白質(zhì)實驗及細胞操作等方面的應(yīng)用。未來，團隊計劃優(yōu)化光束焦點高度的可調(diào)性，并將該設(shè)備應(yīng)用于更復(fù)雜的生物系統(tǒng)中，通過多個捕捉點同時操控生物顆粒。

研究人員認為，這項工作為芯片級光學(xué)鑷子開辟了新的可能性，使其能夠在更大的距離上捕捉和操控細胞，預(yù)示著集成光學(xué)鑷子技術(shù)在生物研究中的巨大潛力。

參考文獻：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52273-x

編輯：王洪

排版：李麗