硅光子芯片使得创建一种“牵引束”成为可能，该牵引束可以用精确聚焦的光束捕获和操控生物颗粒。这种创新设备可能会显著帮助生物学家和临床医生分析DNA、分类细胞以及探索疾病机制。
麻省理工学院的研究人员制作了一种小型的基于芯片的“牵引束”，它让人想起《星球大战》中捕获千年隼的那种。这种设备有望帮助生物学家和医学专业人员研究DNA、分类细胞和探讨疾病机制。
这个设备足够小，能够放在手掌中，利用从硅光子芯片发出的光来操控位于其表面上方数毫米的颗粒。光线可以穿透保护生物样本的玻璃盖，使细胞保持在无菌环境中。
传统的光学镊子使用光线捕获和移动粒子，通常需要大型显微镜设备。相比之下，基于芯片的光学镊子有可能为生物研究中的光学操控提供一种更易于管理、成本可控、广泛可用的解决方案。
然而，现有的集成光学镊子受限于只能捕获非常接近或直接在芯片表面的细胞，这可能导致污染并给细胞带来压力，从而妨碍与标准生物学研究的兼容性。
麻省理工学院团队提出了一种新方法，称为集成光学相位阵列，可以捕获和操控位于距离芯片表面超过一百倍的细胞。
“这项研究为基于芯片的光学镊子打开了激动人心的新机遇，因为它使得在显著更大的距离捕获和操控细胞成为可能。考虑到这项技术可能实现的多种应用，令人感到振奋，”麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）教授、电子研究实验室成员贾莱娜·诺塔罗斯（Jelena Notaros）说。
本研究的主要作者是EECS研究生塔尔·斯内赫（Tal Sneh），另外还有研究生萨布rina·科塞蒂（Sabrina Corsetti）；米利察·诺塔罗斯（Milica Notaros），博士‘23；克鲁蒂卡·基克里（Kruthika Kikkeri），博士‘24；以及威廉·R·布罗迪电气工程与计算机科学教授乔尔·沃尔德曼（Joel Voldman）。他们的研究成果今天发表于《自然通讯》（Nature Communications）上。
一种新的捕获技术
光学捕获装置和镊子利用聚焦的光束来捕获和操控小颗粒。光束的力量将微颗粒拉向光的高度聚焦中心，有效地捕获它们。通过移动光束，研究人员可以引导微颗粒，从而利用非接触力量进行操控。
传统的光学镊子需要实验室中广泛的显微镜设置和多种设备来控制光，这限制了它们在不同环境中的可用性。
“得益于硅光子技术，我们成功地将这一通常笨重的实验室设备浓缩成了一个单一的芯片。这为生物学家提供了重要优势，使他们能够在无需笨重设备的情况下利用光学捕获和操控技术，”诺塔罗斯解释道。
然而，以前的基于芯片的光学镊子只能在非常接近芯片表面发出光线，限制了它们捕获距离芯片仅几微米以上颗粒的能力。生物样本通常在使用厚约150微米的玻璃盖的无菌条件下维持，这需要在操控时移除细胞，每次都面临污染芯片的风险。
为了解决这些问题，麻省理工学院的研究人员创造了一种硅光子芯片，将光线聚焦在距离其表面约5毫米的地方，从而在保持生物颗粒处于无菌盖玻璃中的同时进行操控，从而保护芯片和颗粒不被污染。
控制光线
研究人员使用集成光学相位阵列系统实现了这一点。这涉及到在芯片上设计的一系列微型天线，采用半导体制造技术。通过电子调节每个天线的光信号，研究人员可以形状和引导从芯片发出的光束。
虽然以前的集成光学相位阵列主要是为激光雷达等应用开发的，但并未被设计用于生成光学镊子所需的紧密聚焦的光束。麻省理工学院团队发现，通过为每个天线采用特定的相位模式，他们可以生成适用于在距离芯片几毫米之外捕获和操控颗粒的高度聚焦光束。
“在此之前，没有人能制造出基于硅光子的光学镊子，能够捕获距离大于一毫米的微颗粒。这与早期的努力相比，是一个重要的进步，”诺塔罗斯说。
通过调节为芯片供电的光信号的波长，研究人员成功地在超过一毫米的距离上精确引导聚焦光束。
最初，团队在小型聚苯乙烯球上测试了他们的设备。在成功操控后，他们进行了捕获并尝试操控由沃尔德曼组提供的癌细胞。
“将硅光子技术与生物物理学结合带来了独特的挑战，”斯内赫指出。
研究人员解决了诸如半自动跟踪样本颗粒的运动、确定保持颗粒静止的最佳捕获强度以及捕获后高效处理数据等问题。
最终，他们成功地使用单束光学镊子进行了首次细胞实验。
在这些发现的基础上，团队旨在完善系统，以实现光束焦点高度的可调。它们还希望将该设备应用于各种生物学背景，并同时利用多个捕获点以更复杂的方式操控生物颗粒。
这项研究得到了国家科学基金会（NSF）、麻省理工学院弗雷德里克和芭芭拉·克罗宁奖学金及麻省理工学院罗尔夫·G·洛赫尔捐赠奖学金的支持。
