行业动态 | 星球大战走入现实？这项芯片技术取得突破

麻省理工学院的研究人员开发出一种基于芯片的微型“牵引光束”，类似于电影《星球大战》中捕获千年隼号的光束，它有朝一日可以帮助生物学家和临床医生研究DNA、分类细胞和研究疾病机制。

该设备体积小到可以放在手掌中，它利用硅光子芯片发射的光束来操控距离芯片表面几毫米的粒子。光线可以穿透保护生物实验样品的玻璃盖玻片，使细胞保持在无菌环境中。

传统的光镊利用光来捕获和操纵粒子，通常需要笨重的显微镜装置，但基于芯片的光镊可以为生物实验中的光学操纵提供更紧凑、可大规模制造、广泛可用和高通量的解决方案。

然而，其他类似的集成光镊只能捕获和操纵非常接近或直接位于芯片表面的细胞。这会污染芯片并给细胞带来压力，限制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称为集成光学相控阵的系统，开发出了一种集成光镊的新方式，可以捕获和镊取距离芯片表面一百倍以上的细胞。

“这项研究为基于芯片的光镊开辟了新的可能性，它能够捕获和夹取细胞的距离比之前演示的要远得多。想想这项技术可以实现的不同应用，真是令人兴奋，”电气工程和计算机科学 (EECS) 的 Robert J. Shillman 职业发展教授、电子研究实验室成员 Jelena Notaros 说道。

新的诱捕方式

光阱和镊子使用聚焦光束来捕获和操纵微小粒子。光束施加的力会将微粒拉向中心高度聚焦的光线，从而捕获它们。通过控制光束，研究人员可以拉动微粒，使他们能够使用非接触力来操纵微小物体。

然而，光镊传统上需要在实验室中设置大型显微镜，以及多个设备来形成和控制光，这限制了它们的使用地点和方式。

“借助硅光子学，我们可以将这种大型、通常为实验室规模的系统集成到芯片上。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子功能，而无需复杂的体光学装置的开销，”Notaros 说。

但到目前为止，基于芯片的光镊只能在非常靠近芯片表面的地方发射光线，因此这些先前的设备只能捕获距离芯片表面几微米的粒子。生物样本通常使用厚度约为 150 微米的玻璃盖玻片保存在无菌环境中，因此使用这种芯片操作它们的唯一方法是将细胞取出并放置在芯片表面。

然而，这会导致芯片污染。每次进行新实验时，芯片都必须扔掉，并将细胞放入新芯片上。

为了克服这些挑战，麻省理工学院的研究人员开发了一种硅光子芯片，该芯片发射的光束聚焦在其表面上方约 5 毫米处。这样，他们就可以捕获和操纵留在无菌盖玻片内的生物颗粒，从而保护芯片和颗粒免受污染。

操控光线

研究人员使用一种称为集成光学相控阵的系统实现了这一目标。该技术涉及一系列使用半导体制造工艺在芯片上制造的微尺度天线。通过电子控制每个天线发射的光信号，研究人员可以塑造和控制芯片发射的光束。

受激光雷达等远程应用的推动，大多数先前的集成光学相控阵并非设计用于产生光学镊子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，它们可以形成高度聚焦的光束，可用于在距离芯片表面几毫米的地方进行光学捕获和镊子操作。

“之前没有人制造过能够捕获毫米级距离微粒的硅光子学光镊。与之前的演示相比，这是一个数量级的改进，”诺塔罗斯说。

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以微米级的精度控制聚焦光束。

为了测试他们的设备，研究人员首先尝试捕获和操纵微小的聚苯乙烯球。成功后，他们继续捕获并夹取 Voldman 团队提供的癌细胞。

Sneh 补充道：“将硅光子学应用于生物物理学的过程中出现了许多独特的挑战。”

例如，研究人员必须确定如何以半自动化方式跟踪样品粒子的运动，确定适当的陷阱强度以将粒子固定在适当位置，以及有效地对数据进行后处理。

最后，他们展示了利用单光束光镊进行的首次细胞实验。

基于这些结果，该团队希望改进该系统，使光束的焦距可调。他们还希望将该设备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粒子。

参考链接

https://scitechdaily.com/real-life-star-wars-tech-mit-researchers-have-created-a-miniature-tractor-beam-to-capture-cells/