北理工團隊發(fā)表關于光電鑷的研究成果
發(fā)布日期：2022-11-22 供稿：機電學院 攝影：機電學院
編輯：曹華偉 審核：王亞斌 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學張帥龍教授在國際生物化學類頂級期刊《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的原理、芯片結構和系統(tǒng)構建，展示了該技術在細胞操作、微納米材裝配、醫(yī)學檢測以及微納機器人等領域的應用，回顧了該技術的產(chǎn)業(yè)化進展（如圖1所示）。最后論文總結了該技術的應用前景、局限性及未來的發(fā)展趨勢。該論文第一作者與通訊作者為機電學院張帥龍教授，第二作者為機電學院2022級博士生徐冰睿，第一單位為北京理工大學。該論文也得到了中科院沈陽自動化研究所劉連慶教授、北理工黃強教授、美國加州伯克利大學Ming Wu教授（光電鑷發(fā)明者）、多倫多大學Aaron Wheeler教授的指導。
圖1. 光電鑷技術四個方面的介紹，包括技術原理、器件結構、應用場景及技術轉(zhuǎn)化
2005年，受光鑷技術啟發(fā)，美國加州伯克利大學的MingWu教授團隊發(fā)明了光電鑷技術。光鑷技術需要使用激光光源對物體進行操控，而光電鑷技術依賴光誘導非均勻電場，只需LED光源即可實現(xiàn)對微小目標的操控。相比于光鑷技術，光電鑷技術能操控更大尺度的物體，也具有并行操控多個微小目標的優(yōu)勢。光電鑷技術的這些特性使得它可以廣泛地應用于特定微粒的篩查、微小物體的陣列化排布、分離與運輸，在生物醫(yī)療、微納加工、生化傳感、微納米機器人等領域有著廣泛的應用。在這篇綜述論文中，作者首先回顧了光電鑷技術的發(fā)展歷程并對光電鑷系統(tǒng)與技術原理進行了詳細的介紹。
圖2. 光電鑷原理圖與光電鑷芯片實物圖
圖2為光電鑷的技術原理圖與光電鑷芯片的實物圖。光電鑷芯片一般由兩塊ITO導電玻璃基板組成，底板上鍍一層光致導電層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，光電鑷器件就會在光斑的誘導下產(chǎn)生非均勻電場。非均勻電場與納米/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體材料的光電效應將光場與電場結合在一起的微納操控技術，它具有如可編程性好、靈活性高、多功能性強、高通量和易于與其他表征系統(tǒng)集成等優(yōu)勢，是一種非常先進的光操控技術。
圖3. 使用光電鑷對納米尺度物體進行操作和裝配
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。該技術已被用于各種納米材料，包括且不限于半導體和金屬納米線、碳納米管、石墨烯納米片、導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，光電鑷還被用于操控數(shù)微米到幾百微米量級的各種微尺度物體，包括介電/金屬微粒、油/水滴、氣泡等。通過光電鑷組裝微型電子和光子元器件也是光電鑷技術的一個重要應用。圖4中展示了應用光電鑷技術組裝金屬球及半導體激光器的多種應用，實驗結果顯示光電鑷組裝技術對這些器件的工作性能沒有影響。
圖4. 應用光電鑷組裝電子和光電子元器件
在生物領域，光電鑷技術也有廣泛的應用。這些應用包括但不限于對單個細胞/分子的操作、分離和分析，對細胞固有特性的分析和獲取，細胞的電穿孔、融合和裂解以及生物組織材料的制備。光電鑷技術可直接操縱DNA分子、蛋白質(zhì)分子、細胞等。在細胞操作領域，常使用光電鑷技術操控不同類型的細胞，并研究這些細胞在不同實驗條件下的運動行為（如圖5）。同時，其他基于光電鑷的多種細胞操作技術也在快速發(fā)展，例如細胞大規(guī)模陣列化技術、細胞內(nèi)藥物遞送、細胞轉(zhuǎn)染等。隨著十余年的發(fā)展，光電鑷技術已成為細胞操作、細胞分析和細胞手術領域的重要技術工具。
圖5. 光電鑷用于細胞的操作與分離
光電鑷技術還可以與其他微流控技術結合使用，例如流道式微流控、數(shù)字微流控和光電潤濕技術等。將光電鑷技術與微流控技術集成在一個系統(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），實現(xiàn)基于光電鑷技術的高通量目標分選、分離和處理。同時，光電鑷技術也常與其他微操作技術集成使用，例如傳統(tǒng)介電泳技術、聲學鑷子、微納米機器人等（圖7），這種集成提升了光電鑷技術對微小目標的操控靈活度，拓展了光電鑷技術的應用領域。
圖6. 光電鑷集成的微流控技術
圖7. 光電鑷與其他微操作技術集成使用
文章還介紹了光電鑷技術的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化以及該技術在抗體藥物開發(fā)領域的應用（如圖8所示）。目前基于光電鑷技術的商業(yè)化平臺Beacon（由BerkeleyLights公司研制）已廣泛地應用于細胞株篩選、細胞療法、合成生物學及抗體開發(fā)，且被世界多個頭部制藥企業(yè)采購。Beacon平臺可以有效提升功能化細胞株的篩選效率，極大縮短抗體藥物的研發(fā)時間，已被應用于篩選針對新冠病毒的中和抗體藥物。
最后，文章對光電鑷技術的應用方向和技術優(yōu)劣勢進行了總結，并對光電鑷技術的未來發(fā)展方向進行了展望。
圖8. 光電鑷技術的產(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
附作者簡介：
張帥龍，本科畢業(yè)于北京理工大學，博士畢業(yè)于英國Strathclyde大學，先后在英國Glasgow大學和加拿大Toronto大學從事博士后研究。獲2019年度海外高層次人才計劃（青年項目），研究方向為生物微納操作系統(tǒng)、光電鑷技術、數(shù)字微流控技術、生物醫(yī)學檢測與轉(zhuǎn)化醫(yī)學。在PNAS、NatureCommunications、ScienceAdvances、ChemicalSocietyReviews、Small等國際期刊和頂級國際會議發(fā)表高水平論文60余篇，參與撰寫兩部英文專著，作為項目負責人和主要參與者，主持、參與國家自然科學基金項目、加拿大自然科學和研究協(xié)會（NSERC）以及英國工程和物理研究學會（EPSRC）資助的多個科研項目，參與了多個公司的孵化和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化工作。
徐冰睿，北京理工大學機電學院博士生，曾獲北京市優(yōu)秀畢業(yè)生，中國農(nóng)業(yè)大學優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽。主要研究方向為光電鑷技術、微生物行為學、生物微納操作。
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