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(hào)的“牽引光束”，該技術(shù)未來(lái)可能幫助生物學(xué)家和臨床醫(yī)生研究DNA、分類細(xì)胞及探索疾病機(jī)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(shí)驗(yàn)的玻片，保持樣本在無(wú)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(jì)算機(jī)科學(xué)系（EECS）助理教授Jelena Notaros博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)完成。研究表明，這項(xiàng)技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了聚苯乙烯微球和鼠類淋巴母細(xì)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(huì)將顆粒吸引到中心光點(diǎn)，并通過操控光束實(shí)現(xiàn)非接觸式的粒子移動(dòng)。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(chǎng)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(yuǎn)離芯片表面的距離操控細(xì)胞，并使其保持在無(wú)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(gè)天線發(fā)出的光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的精確操控。此前的相控陣技術(shù)主要用于激光雷達(dá)等長(zhǎng)距離應(yīng)用，而麻省理工團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)鼠類癌細(xì)胞的捕捉和操控。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)技術(shù)為集成光學(xué)鑷子提供了前所未有的長(zhǎng)距離操控能力，極大地提高了其在生物實(shí)驗(yàn)中的實(shí)用性和兼容性，尤其是對(duì)于DNA、蛋白質(zhì)實(shí)驗(yàn)及細(xì)胞操作等方面的應(yīng)用。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃優(yōu)化光束焦點(diǎn)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(gè)捕捉點(diǎn)同時(shí)操控生物顆粒。

研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)工作為芯片級(jí)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(xì)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(xiàn)：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52273-x

編輯：王洪

排版：李麗