麻省理工學院研究人員製造出微型”牽引光束”以捕捉細胞
麻省理工學院的研究人員開發出了一種基於晶片的微型”牽引光束”，就像電影《星際大戰》中捕捉千年隼號的光束一樣，這種光束有朝一日可以幫助生物學家和臨床醫生研究DNA、將細胞分類並研究疾病的機制。
這種基於晶片的”牽引光束”利用高度集中的光束捕捉和操縱生物微粒而不損傷細胞，可幫助生物學家研究疾病的機制。 圖片來源：RLE，桑普森-威爾科克斯（Sampson Wilcox）
這種裝置小巧得可以放在手掌中，它利用矽光子晶片發出的一束光來操縱離晶片表面幾毫米遠的粒子。 光線可以穿透保護生物實驗樣本的玻璃蓋玻片，使細胞保持在無菌環境中。
傳統的光學鑷子利用光來捕捉和操縱微粒，通常需要笨重的顯微鏡裝置，但基於晶片的光學鑷子可以為生物實驗中的光學操縱提供一種更緊湊、可大規模製造、可廣泛獲取和高通量的解決方案。
然而，其他類似的整合光學鑷子只能捕捉和操縱非常接近或直接位於晶片表面的細胞。 這會污染晶片並對細胞造成壓力，從而限制了與標準生物實驗的兼容性。
麻省理工學院的研究人員利用一種名為整合光學相控陣的系統，開發出了一種整合光學鑷子的新模式，可以在距離晶片表面一百多倍遠的地方捕獲和鑷取細胞。
“這項工作為基於晶片的光鑷開闢了新的可能性，它能在比以前演示的更遠的距離上捕獲和鑷取細胞。”電子工程與計算機科學（EECS）羅伯特-J-希爾曼（Robert J. Shillman）職業發展教授、電子學研究實驗室成員耶萊娜-諾塔羅斯（Jelena Notaros）說：”想想這項技術可能帶來的不同應用，真是令人興奮。”
與諾塔羅斯一起參與論文研究的還有論文第一作者、電子工程與電腦科學（EECS）研究生Tal Sneh、電子工程與電腦科學（EECS）研究生Sabrina Corsetti、Milica Notaros博士（23歲）、Kruthika Kikkeri博士（24歲）以及電子工程與電腦科學（EECS）William R. Brody教授Joel Voldman。 該研究最近發表在Nature Communications。
一種新的捕獲方式
光學捕獲器和鑷子利用聚焦光束捕獲和操縱微小顆粒。 光束施加的力會將微粒拉向中心的強聚焦光，捕捉它們。 透過引導光束，研究人員可以拉動微顆粒，從而利用非接觸力操縱微小物體。
然而，光學鑷子傳統上需要在實驗室中安裝大型顯微鏡，以及多個設備來形成和控制光線，這限制了它們的使用地點和方式。
“有了矽光子技術，我們就可以把這種大型的、典型的實驗室規模的系統整合到晶片上。Notaros說：” 這為生物學家提供了一個很好的解決方案，因為它為他們提供了光學捕獲和鑷取功能，而不需要複雜的大型光學裝置。 “
但迄今為止，基於晶片的光學鑷子只能在非常靠近晶片表面的地方發光，因此這些先前的設備只能捕捉到晶片表面幾微米外的顆粒。 生物標本通常是在無菌環境中使用厚度約為150 微米的玻璃蓋玻片保存的，因此使用這種晶片處理生物標本的唯一方法是將細胞取出並放在晶片表面。
然而，這會導致晶片污染。 每次進行新的實驗，都必須丟掉晶片，將細胞放到新的晶片上。為了克服這些難題，麻省理工學院的研究人員開發了一種矽光子晶片，它能發出一束光，聚焦在其表面上方約5 毫米處。 這樣，他們就能捕捉並操縱留在無菌蓋玻片內的生物微粒，保護晶片和微粒不受污染。
操縱光線
研究人員利用一種名為整合光學相控陣的系統實現了這一目標。 這項技術包括利用半導體製造製程在晶片上製造一系列微型天線。 透過電子控制每個天線發出的光訊號，研究人員可以塑造和引導晶片發出的光束。
在雷射雷達等遠距離應用的推動下，先前大多數整合的光學相控陣在設計上都無法產生光鑷所需的緊密聚焦光束。 麻省理工學院的研究團隊發現，透過為每個天線創建特定的相位模式，他們可以形成一束高度聚焦的光束，用於在距離晶片表面幾毫米的地方進行光學捕捉和鑷取。
諾塔羅斯說：”在此之前，還沒有人創造出基於矽光子學的光鑷，能夠在毫米級距離內捕獲微顆粒。 與之前的演示相比，這是一個高出幾個數量級的改進。
透過改變為晶片供電的光訊號的波長，研究人員可以在大於一毫米的範圍內引導聚焦光束，而且精確度達到微米級。
為了測試他們的設備，研究人員首先嘗試捕捉和操縱微小的聚苯乙烯球。 成功後，他們又開始捕捉和鑷取由Voldman 小組提供的癌細胞。
“在將矽光子學應用於生物物理學的過程中，遇到了許多獨特的挑戰，”Sneh 補充說。
例如，研究人員必須確定如何以半自動方式追蹤樣品顆粒的運動，確定適當的阱強度以固定顆粒，並有效地進行資料後處理。
最終，他們利用單光束光鑷首次展示了細胞實驗。在這些成果的基礎上，研究團隊希望能改善該系統，使光束的焦距高度可調。 他們還希望將該裝置應用於不同的生物系統，並同時使用多個捕獲點，以更複雜的方式操縱生物顆粒。
編譯自/ ScitechDaily