麻省理工学院研究人员制造出微型“牵引光束”以捕捉细胞

麻省理工学院的研究人员开发出了一种基于芯片的微型"牵引光束"，就像电影《星球大战》中捕捉千年隼号的光束一样，这种光束有朝一日可以帮助生物学家和临床医生研究 DNA、对细胞进行分类并研究疾病的机理。

这种基于芯片的"牵引光束"利用高度集中的光束捕捉和操纵生物微粒而不损伤细胞，可帮助生物学家研究疾病的机理。 图片来源：RLE，桑普森-威尔科克斯（Sampson Wilcox）

这种装置小巧得可以放在手掌中，它利用硅光子芯片发出的一束光来操纵离芯片表面几毫米远的粒子。 光线可以穿透保护生物实验样本的玻璃盖玻片，使细胞保持在无菌环境中。

传统的光学镊子利用光来捕捉和操纵微粒，通常需要笨重的显微镜装置，但基于芯片的光学镊子可以为生物实验中的光学操纵提供一种更紧凑、可大规模制造、可广泛获取和高通量的解决方案。

然而，其他类似的集成光学镊子只能捕捉和操纵非常接近或直接位于芯片表面的细胞。 这会污染芯片并对细胞造成压力，从而限制了与标准生物实验的兼容性。

麻省理工学院的研究人员利用一种名为集成光学相控阵的系统，开发出了一种集成光学镊子的新模式，可以在距离芯片表面一百多倍远的地方捕获和镊取细胞。

"这项工作为基于芯片的光镊开辟了新的可能性，它能在比以前演示的更远的距离上捕获和镊取细胞。 "电子工程与计算机科学（EECS）罗伯特-J-希尔曼（Robert J. Shillman）职业发展教授、电子学研究实验室成员耶莱娜-诺塔罗斯（Jelena Notaros）说："想想这项技术可能带来的不同应用，真是令人兴奋。"

与诺塔罗斯一起参与论文研究的还有论文第一作者、电子工程与计算机科学（EECS）研究生Tal Sneh、电子工程与计算机科学（EECS）研究生Sabrina Corsetti、Milica Notaros博士（23岁）、Kruthika Kikkeri博士（24岁）以及电子工程与计算机科学（EECS）William R. Brody教授Joel Voldman。 该研究最近发表在Nature Communications上。

一种新的捕获方式

光学捕获器和镊子利用聚焦光束捕获和操纵微小颗粒。 光束施加的力会将微粒拉向中心的强聚焦光，从而捕获它们。 通过引导光束，研究人员可以拉动微颗粒，从而利用非接触力操纵微小物体。

然而，光学镊子传统上需要在实验室中安装大型显微镜，以及多个设备来形成和控制光线，这就限制了它们的使用地点和方式。

"有了硅光子技术，我们就可以把这种大型的、典型的实验室规模的系统集成到芯片上。 Notaros说："这为生物学家提供了一个很好的解决方案，因为它为他们提供了光学捕获和镊取功能，而不需要复杂的大型光学装置。"

但迄今为止，基于芯片的光学镊子只能在非常靠近芯片表面的地方发光，因此这些先前的设备只能捕捉到芯片表面几微米外的颗粒。 生物标本通常是在无菌环境中使用厚度约为 150 微米的玻璃盖玻片保存的，因此使用这种芯片处理生物标本的唯一方法就是将细胞取出并放在芯片表面。

然而，这会导致芯片污染。 每次进行新的实验，都必须扔掉芯片，将细胞放到新的芯片上。为了克服这些难题，麻省理工学院的研究人员开发了一种硅光子芯片，它能发出一束光，聚焦在其表面上方约 5 毫米处。 这样，他们就能捕捉和操纵留在无菌盖玻片内的生物微粒，保护芯片和微粒不受污染。

研究人员利用一种名为集成光学相控阵的系统实现了这一目标。 这项技术包括利用半导体制造工艺在芯片上制造一系列微型天线。 通过电子控制每个天线发出的光信号，研究人员可以塑造和引导芯片发出的光束。

在激光雷达等远距离应用的推动下，以前的大多数集成光学相控阵在设计上都无法产生光镊所需的紧密聚焦光束。 麻省理工学院的研究小组发现，通过为每个天线创建特定的相位模式，他们可以形成一束高度聚焦的光束，用于在距离芯片表面几毫米的地方进行光学捕捉和镊取。

诺塔罗斯说："在此之前，还没有人创造出基于硅光子学的光镊，能够在毫米级距离内捕获微颗粒。 与之前的演示相比，这是一个高出几个数量级的改进。"

通过改变为芯片供电的光信号的波长，研究人员可以在大于一毫米的范围内引导聚焦光束，而且精确度达到微米级。

为了测试他们的设备，研究人员首先尝试捕捉和操纵微小的聚苯乙烯球。 成功后，他们又开始捕捉和镊取由 Voldman 小组提供的癌细胞。

"在将硅光子学应用于生物物理学的过程中，遇到了许多独特的挑战，"Sneh 补充说。

例如，研究人员必须确定如何以半自动方式跟踪样品颗粒的运动，确定适当的阱强度以固定颗粒，以及有效地进行数据后处理。

最终，他们利用单光束光镊首次展示了细胞实验。在这些成果的基础上，研究小组希望改进该系统，使光束的焦距高度可调。 他们还希望将该装置应用于不同的生物系统，并同时使用多个捕获点，以更复杂的方式操纵生物颗粒。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41467-024-52273-x