光電鑷—一種用途廣泛的微納操作工具

張帥龍 李 恭 李鳳剛 徐冰睿 李 航 符榮鑫*

①(北京理工大學機電學院 北京 100081)

②(北京市智能機器人與系統高精尖創新中心 北京 100081)

③(北京理工大學醫工融合研究院 北京 100081)

④(北京理工大學仿生機器人與系統教育部重點實驗室 北京 100081)

⑤(北京理工大學醫學技術學院 北京 100081)

1 引言

微機器人技術是在微納米尺度對微小目標進行靈巧機器人化操作的技術。隨著微納米技術的發展，微機器人技術廣泛應用于藥物測試、疾病檢測、細胞分析、微創手術、生物材料裝配等領域[1]，是我國“十四五”科技創新規劃的重點戰略之一。微機器人存在多種驅動方式，可分為機械驅動[2]、化學驅動[3]、電驅動[4]、磁驅動[5]、聲驅動[6]和光驅動[7]。其中，光驅動相較于其他驅動方式具有易操控、多功能、生物兼容性好等優點，是微納操作機器人領域的重點研究方向之一。目前，光鑷(Optical Tweezers, OT)是應用最廣泛的光驅動微納操控技術，其利用光子與微小物體之間的動量守恒來對微小物體施加的力來實現對微小物體的操控[8]。光鑷技術已經可以實現微尺度下復雜的機械操縱，包括微流體泵、定向組織培養、精確的細胞/組織轉移等。

受光鑷技術啟發，美國加州伯克利大學的吳明教授團隊[9]于2005年發明了光電鑷技術(OptoElectronic Tweezers, OET)用于操控微小物體。光鑷技術需要激光對物體進行操控，而光電鑷技術只需要普通的LED光源就可以實現操控，因此光電鑷技術具有能夠并行操控多個微小物體的優勢。并且，相比于光鑷，光電鑷能更輕易地驅動更大尺度的物體，對于不同介電特性的物體，光電鑷對它們的作用也不同。光電鑷技術的這些特點使得它可以被廣泛地應用于特定微粒的篩查、對微小物體的快速排布、微小物體的分離與運輸等操作，在生物醫療、微納精細加工等領域具有較好的應用前景。

2 光電鑷技術研究現狀

通過調研國內外光電鑷技術的研究現狀，本文將從光電鑷設備的類型、光電鑷技術的應用、光電鑷技術的產業化3個方面進行展開，闡述光電鑷技術的獨特優勢。

2.1 3種常見的光電鑷設備

常見的光電鑷芯片有3種，分別是能產生豎直電場的光電鑷芯片、能產生水平電場的光電鑷芯片以及前兩者的結合。

Valley 等人[10]設計了3種用于并行操作多個單細胞穿孔的光電鑷設備，可與其他相關生物技術(如細胞裂解、電穿孔)結合，實現對單細胞進行診斷和刺激的高通量并行操作。如圖1所示[10]，第1種(圖1(a))是豎直排布的光電鑷芯片，該芯片由氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)玻璃制成的上極板與附有氫化非晶硅的ITO玻璃制成的下極板組成，能產生豎直方向的電場。第2種(圖1(b))是水平排布光電鑷芯片，該芯片上極板為普通玻璃，用于透光，無電流通過；下極板為表面附有氫化非晶硅的塊狀ITO，能產生橫向電場。第3種設備(圖1(c))為前兩種設備的結合，能產生豎直電場與橫向電場。每種設備都有其特定的屬性與對應的應用場景，使用者可以根據實驗需求選擇相應的光電鑷設備。

圖1 3種光電鑷設備[10]

如果需要進行水平面的操作，如移動微小物體，則可以使用能夠產生豎直排布電場的光電鑷芯片，但是它的操控力非常小。而如果使用能夠產生水平排布電場的光電鑷芯片，則可以在微小陣列之間對物體產生相對較大的操控力，但是如果物體相對電極陣列單元過小，則無法進行后續的水平移動，僅能實現豎直面內的升降。最后，對于既能產生水平排布電場，又能產生豎直排布電場的光電鑷芯片，則對電極陣列的控制有較高的需求，需要及時靈活地根據操作需求改變電場排布。

2.2 光電鑷技術的應用

2.2.1 微小物體顆粒操控

OET常應用于操縱各種微小顆粒與納米材料，包括半導體和金屬納米線、碳納米管、導電納米顆粒和金屬離子等。文獻[11]對光電鑷系統下不同極化物質之間的相互作用進行了研究，由于不同物質在介質中受到的光誘導介電泳力不同，使用光電鑷進行操作時不可避免地會產生兩極化物質之間的相互作用，研究者基于該相互作用實現了光電鑷芯片中對微小物體進行捕獲、運輸與釋放如圖2[11]。

圖2 使用微生物運輸微小物體[11]

在實驗前，通過合理建模進行了仿真，研究人員找到了能夠對微螺旋藻產生吸引力而對聚苯乙烯微球產生排斥力的電場條件，省去了在實驗中逐步尋找參數的過程，以便開展進一步的實驗與討論。這一思路也非常值得光電鑷及其相關領域的工作人員借鑒。

2.2.2 細胞操作

光電鑷技術的另一個主要應用領域是細胞操作，光電鑷技術的微納操控能力使其能夠實現細胞分類、細胞分離等操作。

光電鑷結合光誘導電穿孔是一項非常有應用前景的技術，能夠做到低成本、動態和并行地對細胞進行電穿孔。該技術有望實現真正的細胞操作集成平臺，包括芯片上的細胞分類、電穿孔和細胞培養。如圖3為使用光電鑷誘導單細胞電穿孔的實驗[12]。

圖3 光誘導單細胞電穿孔[12]

該技術在進行移動細胞的基礎上，實現了細胞的電穿孔，便于分析細胞內的物質，對基于光電鑷技術的細胞操作及培養平臺具有非常重要的意義。

Hsiao等人[13]研發了一種基于光電鑷技術的光學誘導細胞配對和光學誘導細胞融合微流體裝置。利用光電鑷與光誘導的局部增強電場相結合，在微流體裝置上實現精確和自動的細胞配對和融合。通過光電鑷配對細胞并運輸到細胞接收點后，投射光圖案產生局部增強電場 ，在細胞接觸區域誘導適當的跨膜電位，從而在白光照射下觸發細胞融合。實驗結果表明，Pan1與A549細胞的融合率達到了9.67%。如圖4即為細胞在接受點進行光誘導細胞融合的實驗[13]。

圖4 細胞在接收點進行光誘導細胞融合[13]

這是一種很有應用前景的技術，可以在光電鑷芯片中實現不同種類細胞的匹配，并自動融合不同類型的細胞，極大地避免了傳統單克隆抗體面臨的融合細胞篩選問題，簡化了相應的流程，未來在生產單克隆抗體等領域能夠得到良好的應用。

Zhao等人[14]提出了一個用于計算細胞在光電鑷影響下的運動的理論模型。基于對各種人類細胞的軌跡跟蹤，研究者測量了細胞位移作為時間的函數(基于光電鑷的1階響應)，并計算了相關的速度和加速度。研究者對細胞的運動進行分析，并根據細胞在特定介電泳(DiElectroPhoresis, DEP)力場下的瞬態運動響應來區分不同類型的細胞。如圖5所示，即為研究者使用光電鑷得到的細胞的1階響應[14]。

圖5 細胞基于光電鑷的1階響應[14]

該工作在光誘導介電泳(Optical-induced DiElectroPhoresis, ODEP)系統下基于計算機視覺對細胞運動進行分析，可以用于精確跟蹤細胞運動軌跡，同時可以實現對不同類型細胞的識別和分類。該方法有望進一步發展為一種用于識別和區分細胞并量化細胞介電特性的非侵入性的方法。

2.2.3 光電鑷與微流控技術結合

微流控技術作為對微液滴與微流體的操縱技術與光電鑷技術進行結合，則可以控制微流體連續地將樣品輸送和提取到工作的區域，從而實現基于光電鑷技術的高通量目標分類、分離和處理。文獻[15]結合光電鑷技術與微流控技術，實現了無標記物、非接觸的細胞外囊泡富集、分離與回收。研究者通過控制微閥門的開閉，利用氣泵的吸力實現取樣、循環流動、提取等微液體操作，在光操控區域使用光電鑷進行細胞外囊泡的富集與分離。如圖6即為研究者使用收縮光圈富集細胞外囊泡的實驗[15]。基于該應用，未來可以更多地嘗試使用光電鑷技術富集細胞外泌體，極大地提升細胞外泌體的收集效率，以便后續對其進行蛋白質組學等的研究，對癌癥早期篩查等方面具有深刻意義。

圖6 利用收縮光圈富集細胞外囊泡[15]

Pei等人[16]提出了一種用于多色光驅動光電潤濕器件的分布式電路模型，該模型考慮了光導體在可見光譜中吸收系數的變化和光生載流子的不均勻分布。在此模型的幫助下，研究者設計了具有最佳光導體厚度的光電潤濕器件。與之前的研究報道相比，該光電潤濕器件的性能有了顯著提高，光功率降低為原來的1/200，電壓降低為原來的1/5，液滴移動速度提高了20倍。能夠根據需要使用商用投影機創建“虛擬”電極，用于大規模并行操控液滴。通過該光電潤濕器件，研究者實現了96液滴陣列的并行操作。如圖7為結合了光電鑷技術的數字微流控芯片[16]。

圖7 光電鑷結合數字微流控技術[16]

通過向底板投射光圖案，可以生成相應的虛擬電極，類似數字微流控芯片的電極陣列，但由于光電鑷技術所用的虛擬電極具有靈活性，可以根據應用需要靈活改變電極形狀及排布，避免了頻繁變更芯片設計，提升了芯片的泛用性。

2.3 光電鑷技術的產業化

將光電鑷技術與微流控技術結合，利用光電鑷技術進行微操作的同時利用微流控技術實現微流體的運輸，最終實現對多個單細胞進行高通量并行操作，并對細胞生長所需的水分、營養物質、氣體等進行運輸。

基于上述優點，吳明教授團隊[17]的上市公司-伯克利之光(Berkeley Light)以“尋找最好的細胞”為口號，推出幾款光電鑷技術平臺，如圖8所示。基于該平臺，可以使用光電鑷并行控制成百上千個細胞進入腔室中進行單獨培養并得到一系列細胞系，最終通過篩選得到最優細胞系，并使用光電鑷技術將其取出。該技術平臺在單克隆抗體、干細胞研究、細胞療法等領域具有非常廣闊的應用。

圖8 Beacon光電鑷平臺[17]

值得一提的是，該技術在抗擊新冠疫情中發揮了重要的作用，為多種中和抗體藥物的開發提供了一種高效的篩選平臺[18]。目前，伯克利之光已在全球范圍內完成裝機超過120臺，為從事基礎科學和轉化醫學領域的科研機構提供了一種高效的細胞“育種”工具。

3 研究進展

本文作者張帥龍在國外進行了多年的光電鑷研究，主要從事光電鑷系統開發及其微納操作應用。開創了利用光電鑷技術和冷凍干燥技術、光固化技術組裝微納電子器件的方法；開發了用于細胞操作和基因檢測的微米級光驅動機器人，并實現了可重構的光電驅動微機械流體控制系統。

3.1 基于光電鑷技術制備微小結構

光電鑷技術通過光圖案產生虛擬電極來操控微小物體，介質的選擇能夠影響微小物體所受到光誘導介電泳力的正負，基于此，選擇適當的介質可以達到吸引微小物體按照光照圖案進行排布的效果，加以一定的固化手段則可以達到按需制造平面或3維結構。

本文作者張帥龍等人[19]提出了一種制作微納結構的新方法，利用光電鑷技術進行微小顆粒的排布，并使用紫外光固化技術使其穩固。該方法得到的微結構可以使用雙面膠帶或PDMS進行轉移且不會被破壞。研究者用該方法制作了微電路和微電容且其測得電容電阻與標準值均相符，這也進一步驗證了該方法得到微結構的實用性與穩定性。

如圖9所示即為使用該方法得到的微電路[19]。圖9(a)為使用該方法制備微電路的示意圖，黃色部分為金屬電極，利用MEMS制備工藝生長在了光電鑷芯片的底板上，用于與外界相連，在顯微鏡下觀察為綠色。通過操控可導電的焊錫珠連接兩個孤立電極，即可以實現微電路的接通，如圖9(b)、圖9(c)。也可以在介電物質上生長金屬電極，如圖9(d)，用于對接底板上的兩個孤立電極，即可制備微電容，如圖9(e)、圖9(f)。

圖9 基于光電鑷技術印制微電路[19]

3.2 基于光電鑷驅動的微機器人技術

考慮到光電鑷具有靈活、高通量并行、精準的操控優勢，光電鑷驅動的微機器人相比于其他驅動方式下的微機器人也具有其獨特的優勢。

本文作者張帥龍等人[20]提出了一種由光電鑷驅動的微機器人，如圖10。該微機器人可以被直接制造為任何所需的理想形狀，且該機器人可通過編程進行復雜的多軸操作。該系統被證明在單細胞分離、克隆擴展、RNA測序、封閉系統內的操作、控制細胞-細胞相互作用以及從異質混合物中分離珍貴的顯微組織等應用領域都具有顯著優勢。

圖10 可進行并行操作的光電鑷微機器人[20]

圖10(a)-圖10(c)以小球為操作對象，分別對應了操作示意圖10(d)中的裝載、運輸、遞送流程，展現了光電鑷驅動微機器人在細胞運輸、藥物遞送等應用領域的潛在優勢。圖10(e)則是一組對照實驗，對比了是否使用光電鑷驅動的微機器人運輸小球所能達到的最大運輸速度，證明了使用該光電鑷驅動的微機器人用于運輸小球、細胞、藥物等可以達到更高的運輸效率。圖10(f)則展現了光電鑷驅動微機器人可以高通量并行操作的優勢。

液體介質中，微齒輪的轉動可以改變周圍的流體環境，將其用于微小物體的運輸會使效率遠高于直接使用光電鑷進行運輸[21]。并且，由于實驗環境下光誘導介電泳力對微小物體的豎直分力，故使用兩個微齒輪配合可以實現微小物體在3維空間的運動，實現3維運輸，如圖11所示即為使用兩個微齒輪與光圖案配合實現小球運輸的實驗。

圖11 光電鑷驅動微齒輪組實現物體的3維運輸[21]

圖11(a)通過旋轉兩個水平微齒輪，改變兩個齒輪周圍的流場分布，可以加速微球的運輸速度，微球的速度在兩個旋轉齒輪之間會達到最大速度。分別利用兩個旋轉齒輪以及光圖案運輸小球進行最大運輸速度的對比實驗，如圖11(b)，隨著光電鑷芯片板間電壓的升高，小球的最大運輸速度增加，在相同電壓下，使用兩個水平齒輪旋轉改變周圍流場的運輸方式明顯優于僅僅使用光圖案的運輸方式。圖11(c)即為使用光電鑷運輸小球進行3維運動進行越障的示意圖，“圍墻”的高度明顯大于小球半徑，僅使用光電鑷或僅使用之前工作中介紹的微機器人無法實現小球的越障運動。考慮到實驗中所用聚苯乙烯微球會受到負的介電泳力，光會向外排斥小球，因此會有向上的介電泳力分量，利用向上的介電泳力，結合齒輪旋轉產生的向前的流場力，就可以像投射籃球一樣幫助聚苯乙烯微球實現越障運動。

并且，本文作者張帥龍及其團隊成員在這一工作中還探索了基于光電鑷的可重構微機械系統的其他有意義的應用，比如使用兩個微齒輪進行嚙合，通過改變主動輪與從動輪的相對大小，即可以實現轉速或扭矩的放大，作為微機械系統中的變速器。也可以使用微齒輪與微齒條進行配合，將光電鑷產生的旋轉運動轉化為水平移動，與微流道配合，通過使用光電鑷操控微齒輪旋轉可以實現微流道的開啟與閉合，相比于僅使用光圖案阻擋微小物質，使用該方法可以更加有效地在大流速下進行阻攔；而需要微流體通過時，則可以靈活地通過反向旋轉微齒輪實現微流道的開啟。

4 總結與討論

光電鑷技術通過光圖案虛擬電極照射在光電導表面以改變電場分布，進而利用物質在電場中的極化來操控物體運動。因此，相比聲控、熱控、磁控等操控方式，光電鑷能夠實現更精確的控制。而相比于能做到點對點控制的光鑷技術，光電鑷技術能夠同時操控多個目標并輕易地提供更大的操作力，通過改變光電鑷板間偏置電壓與光圖案的組合即可實現不同的操作模式。在進行細胞操作時，使用較小的偏置電壓能夠在不破壞細胞的前提下實現對細胞的采集、運輸等操作；使用較大的電壓配合較小的光圖案，能夠在較小范圍內產生較強的光誘導介電泳力，實現對細胞的可逆穿孔，進行電穿孔治療等操作；使用較高的電壓配合面積較大的光圖案，能夠在更大的范圍內產生更強的光誘導介電泳力，實現細胞的裂解，進而得到細胞內的物質，如細胞核。因此，相比于另外幾種操作方式，在芯片上進行操作的光電鑷技術得以廣泛應用。

然而，通過上述的各種應用，不難看出光電鑷技術的大多應用仍局限于2維平面內的操作，很難進行3維空間中的一些基本操作。目前為止，該領域的研究人員主要使用的是豎直排布的光電鑷設備，通過改變豎直排布的電場，在靠近光電鑷芯片底板附近的區域進行2維平面尺度的操作。但其他的微操作驅動方式，例如磁控，已經可以實現在3維空間中操作微小物體。因此，為了進一步擴展光電鑷技術的應用場景，亟需探索使用光電鑷在3維空間尺度下對微小物體進行操作的方式。

為解決這一問題，本文認為有如下兩種方式。第1種方式是參考之前提到的既能產生豎直排布電場又能產生水平排布電場的光電鑷芯片。對于最被廣泛應用的豎直排布光電鑷設備，光誘導介電泳力主要用于驅動微小物體在水平面運動，而對于橫向排布的光電鑷設備，光誘導介電泳力主要用于驅動微小物體在豎直面運動。故通過使用既能產生豎直排布電場又能產生水平排布電場(在本文稱為“交叉排布電場”)的光電鑷設備，就有可能實現使用光電鑷在3維空間中操控物體。

然而，這一方法仍存在一定困難。以常用的豎直排布光電鑷設備來說，即使光誘導介電泳力對所操縱的微小物體目標主要產生水平方向的操控力，使微小物體在水平面運動，但該光誘導介電泳力仍有豎直方向的分量。如果要考慮使用產生交叉排布電場的光電鑷設備，則需考慮如何抵消光誘導介電泳力在另一方向的影響，或者需要進行更深入的研究，以便更精準、有效地利用產生交叉排布電場的光電鑷設備進行3維操作。

第2種方式，則是在光電鑷系統中加入其他的能量形式。如，使光電鑷技術結合磁控技術，利用磁控技術操控力大的優勢，實現微小物體、微機器人的快速運輸、3維運動，利用光電鑷技術在平面操作的靈活、精細的優勢進行更加細微的操作。

又或是改變光電鑷的驅動形式，如使用微齒輪機器人，使用光電鑷操控其轉動，即可以改變齒輪周圍的流場，將光電鑷產生的運動轉化為周圍流體的運動。參考機械齒輪傳動，使用相互嚙合的異面齒輪將光電鑷產生的運動從水平面傳輸到豎直面，從而實現基于光電鑷技術的3維傳動，進而在此基礎上探索光電鑷技術在3維空間中更廣闊的應用。