北理工團(tuán)隊(duì)發(fā)表關(guān)于光電鑷的研究成果
發(fā)布日期：2022-11-22 供稿：機(jī)電學(xué)院 攝影：機(jī)電學(xué)院
編輯：曹華偉 審核：王亞斌 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)張帥龍教授在國(guó)際生物化學(xué)類(lèi)頂級(jí)期刊《Chemical Society Reviews》（IF="60.615）上發(fā)表綜述文章“Optoelectronic" tweezers: a versatile toolbox fornano-/micro-manipulation”,，該論文入選雜志主封面。該文章系統(tǒng)地介紹了光電鑷技術(shù)的原理,、芯片結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)建,，展示了該技術(shù)在細(xì)胞操作、微納米材裝配,、醫(yī)學(xué)檢測(cè)以及微納機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用,，回顧了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展（如圖1所示）。最后論文總結(jié)了該技術(shù)的應(yīng)用前景,、局限性及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),。該論文第一作者與通訊作者為機(jī)電學(xué)院張帥龍教授，第二作者為機(jī)電學(xué)院2022級(jí)博士生徐冰睿,，第一單位為北京理工大學(xué),。該論文也得到了中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所劉連慶教授、北理工黃強(qiáng)教授,、美國(guó)加州伯克利大學(xué)Ming Wu教授（光電鑷發(fā)明者）,、多倫多大學(xué)Aaron Wheeler教授的指導(dǎo)。
圖1. 光電鑷技術(shù)四個(gè)方面的介紹,，包括技術(shù)原理,、器件結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)轉(zhuǎn)化
2005年,，受光鑷技術(shù)啟發(fā),，美國(guó)加州伯克利大學(xué)的MingWu教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了光電鑷技術(shù)。光鑷技術(shù)需要使用激光光源對(duì)物體進(jìn)行操控,，而光電鑷技術(shù)依賴(lài)光誘導(dǎo)非均勻電場(chǎng),，只需LED光源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小目標(biāo)的操控。相比于光鑷技術(shù),，光電鑷技術(shù)能操控更大尺度的物體,，也具有并行操控多個(gè)微小目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。光電鑷技術(shù)的這些特性使得它可以廣泛地應(yīng)用于特定微粒的篩查,、微小物體的陣列化排布,、分離與運(yùn)輸，在生物醫(yī)療,、微納加工,、生化傳感、微納米機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。在這篇綜述論文中,，作者首先回顧了光電鑷技術(shù)的發(fā)展歷程并對(duì)光電鑷系統(tǒng)與技術(shù)原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
圖2. 光電鑷原理圖與光電鑷芯片實(shí)物圖
圖2為光電鑷的技術(shù)原理圖與光電鑷芯片的實(shí)物圖,。光電鑷芯片一般由兩塊ITO導(dǎo)電玻璃基板組成,，底板上鍍一層光致導(dǎo)電層a-Si:H（氫化非晶硅）。將含有納米/微米物體的溶液轉(zhuǎn)移到光電鑷芯片的腔室中后,，施加交流電和光斑,，光電鑷器件就會(huì)在光斑的誘導(dǎo)下產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)。非均勻電場(chǎng)與納米/微米物體相互作用可以產(chǎn)生介電泳力,，從而控制納米/微米物體的空間位置,。光電鑷是一種利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)將光場(chǎng)與電場(chǎng)結(jié)合在一起的微納操控技術(shù)，它具有如可編程性好,、靈活性高,、多功能性強(qiáng)、高通量和易于與其他表征系統(tǒng)集成等優(yōu)勢(shì),，是一種非常先進(jìn)的光操控技術(shù),。
圖3. 使用光電鑷對(duì)納米尺度物體進(jìn)行操作和裝配
光電鑷系統(tǒng)常用于微米以及納米尺度物體的操作和組裝。該技術(shù)已被用于各種納米材料,，包括且不限于半導(dǎo)體和金屬納米線,、碳納米管、石墨烯納米片,、導(dǎo)電納米顆粒以及金屬離子,。圖3所示即為使用光電鑷系統(tǒng)操縱和裝配各種納米尺度的物體。同時(shí),，光電鑷還被用于操控?cái)?shù)微米到幾百微米量級(jí)的各種微尺度物體,，包括介電/金屬微粒、油/水滴,、氣泡等,。通過(guò)光電鑷組裝微型電子和光子元器件也是光電鑷技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用。圖4中展示了應(yīng)用光電鑷技術(shù)組裝金屬球及半導(dǎo)體激光器的多種應(yīng)用,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示光電鑷組裝技術(shù)對(duì)這些器件的工作性能沒(méi)有影響,。
圖4. 應(yīng)用光電鑷組裝電子和光電子元器件
在生物領(lǐng)域，光電鑷技術(shù)也有廣泛的應(yīng)用,。這些應(yīng)用包括但不限于對(duì)單個(gè)細(xì)胞/分子的操作,、分離和分析，對(duì)細(xì)胞固有特性的分析和獲取,，細(xì)胞的電穿孔,、融合和裂解以及生物組織材料的制備。光電鑷技術(shù)可直接操縱DNA分子,、蛋白質(zhì)分子,、細(xì)胞等,。在細(xì)胞操作領(lǐng)域，常使用光電鑷技術(shù)操控不同類(lèi)型的細(xì)胞,，并研究這些細(xì)胞在不同實(shí)驗(yàn)條件下的運(yùn)動(dòng)行為（如圖5）,。同時(shí)，其他基于光電鑷的多種細(xì)胞操作技術(shù)也在快速發(fā)展,，例如細(xì)胞大規(guī)模陣列化技術(shù),、細(xì)胞內(nèi)藥物遞送、細(xì)胞轉(zhuǎn)染等,。隨著十余年的發(fā)展,，光電鑷技術(shù)已成為細(xì)胞操作、細(xì)胞分析和細(xì)胞手術(shù)領(lǐng)域的重要技術(shù)工具,。
圖5. 光電鑷用于細(xì)胞的操作與分離
光電鑷技術(shù)還可以與其他微流控技術(shù)結(jié)合使用,，例如流道式微流控、數(shù)字微流控和光電潤(rùn)濕技術(shù)等,。將光電鑷技術(shù)與微流控技術(shù)集成在一個(gè)系統(tǒng)后,，即可控制微流控裝置不斷地將樣品輸送到光電鑷工作的區(qū)域（圖6）,，實(shí)現(xiàn)基于光電鑷技術(shù)的高通量目標(biāo)分選、分離和處理,。同時(shí)，光電鑷技術(shù)也常與其他微操作技術(shù)集成使用,，例如傳統(tǒng)介電泳技術(shù)、聲學(xué)鑷子,、微納米機(jī)器人等（圖7）,，這種集成提升了光電鑷技術(shù)對(duì)微小目標(biāo)的操控靈活度,，拓展了光電鑷技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖6. 光電鑷集成的微流控技術(shù)
圖7. 光電鑷與其他微操作技術(shù)集成使用
文章還介紹了光電鑷技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化以及該技術(shù)在抗體藥物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用（如圖8所示）。目前基于光電鑷技術(shù)的商業(yè)化平臺(tái)Beacon（由BerkeleyLights公司研制）已廣泛地應(yīng)用于細(xì)胞株篩選,、細(xì)胞療法、合成生物學(xué)及抗體開(kāi)發(fā),，且被世界多個(gè)頭部制藥企業(yè)采購(gòu)。Beacon平臺(tái)可以有效提升功能化細(xì)胞株的篩選效率,，極大縮短抗體藥物的研發(fā)時(shí)間,，已被應(yīng)用于篩選針對(duì)新冠病毒的中和抗體藥物,。
最后,，文章對(duì)光電鑷技術(shù)的應(yīng)用方向和技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了總結(jié),，并對(duì)光電鑷技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
圖8. 光電鑷技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化
文章信息：
Shuailong Zhang*,，Bingrui Xu, Mohamed Elsayed, Fan Nan, Wenfeng Liang, Justin K. Valley, Lianqing Liu, Qiang Huang, Ming C. Wu and Aaron R. Wheeler. Optoelectronic tweezers: a versatile toolbox for nano-/micro-manipulation. Chemistry Society Reviews 2022, 51, 9203–9242.
論文網(wǎng)址：https://doi.org/10.1039/D2CS00359G
附作者簡(jiǎn)介：
張帥龍，本科畢業(yè)于北京理工大學(xué),，博士畢業(yè)于英國(guó)Strathclyde大學(xué),，先后在英國(guó)Glasgow大學(xué)和加拿大Toronto大學(xué)從事博士后研究,。獲2019年度海外高層次人才計(jì)劃（青年項(xiàng)目）,，研究方向?yàn)樯镂⒓{操作系統(tǒng),、光電鑷技術(shù)、數(shù)字微流控技術(shù),、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué),。在PNAS、NatureCommunications,、ScienceAdvances,、ChemicalSocietyReviews,、Small等國(guó)際期刊和頂級(jí)國(guó)際會(huì)議發(fā)表高水平論文60余篇,，參與撰寫(xiě)兩部英文專(zhuān)著，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和主要參與者,，主持、參與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,、加拿大自然科學(xué)和研究協(xié)會(huì)（NSERC）以及英國(guó)工程和物理研究學(xué)會(huì)（EPSRC）資助的多個(gè)科研項(xiàng)目,，參與了多個(gè)公司的孵化和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化工作,。
徐冰睿,，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士生,，曾獲北京市優(yōu)秀畢業(yè)生,，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽(yù),。主要研究方向?yàn)楣怆婅嚰夹g(shù),、微生物行為學(xué)、生物微納操作,。
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