光流控光镊操控研究进展

光流控光镊操控研究进展 Research progress on optofluidic optical tweezers 1 2 3 4 first-author 施宇智（1989-），男，江苏南通人，特聘研究员，博士生导师，分别于2012年、2018年在西安交通大学获得学士、博士学位，主要从事光流控、光镊、微纳光学等方面的研究。E-mail： yzshi@tongji.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127565&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127570&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127568&type= 22.01332855 32.00399780 施宇智 （1989-），男，江苏南通人，特聘研究员，博士生导师，分别于2012年、2018年在西安交通大学获得学士、博士学位，主要从事光流控、光镊、微纳光学等方面的研究。E-mail： yzshi@tongji.edu.cn yzshi@tongji.edu.cn 5 6 1 2 3 4 1 2 3 4 corresp E-mail： chengxb@tongji.edu.cn E-mail： chengxb@tongji.edu.cn chengxb@tongji.edu.cn 同济大学 物理科学与工程学院 同济大学精密光学工程技术研究所，上海 200092 同济大学 物理科学与工程学院 同济大学精密光学工程技术研究所，上海 200092 Institute of Precision Optical Engineering， School of Physics Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China Institute of Precision Optical Engineering， School of Physics Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092 MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials， Shanghai 200092， China MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials， Shanghai 200092， China 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092 Shanghai Frontiers Science Center of Digital Optics， Shanghai 200092， China Shanghai Frontiers Science Center of Digital Optics， Shanghai 200092， China 上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092 上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092 Shanghai Professional Technical Service Platform for Full-Spectrum and High-Performance Optical Thin Film Devices and Applications， Shanghai 200092， China Shanghai Professional Technical Service Platform for Full-Spectrum and High-Performance Optical Thin Film Devices and Applications， Shanghai 200092， China 新加坡南洋理工大学 电气与电子工程学院，新加坡 639798 新加坡南洋理工大学 电气与电子工程学院，新加坡 639798 School of Electrical and Electronic Engineering， Nanyang Technological University， Singapore 639798 School of Electrical and Electronic Engineering， Nanyang Technological University， Singapore 639798 新加坡国立大学 电气与计算机工程系，新加坡 117583 新加坡国立大学 电气与计算机工程系，新加坡 117583 Department of Electrical and Computer Engineering， National University of Singapore， Singapore 117583 Department of Electrical and Computer Engineering， National University of Singapore， Singapore 117583 光镊技术利用光与颗粒之间动量传递的力学效应对颗粒进行操控，具有无接触、操控尺寸小等优点，在生物医学和物理化学等领域具有重要的应用价值。光镊操控起初主要是在静态环境中对单个和多个颗粒进行操控，分为单/多光束光镊、全息光镊、等离子光镊、光纤光镊、特殊光力/力矩光镊和光电热镊子等。光镊技术随后与微流控技术进行结合诞生了光流控光镊操控技术，大大提高了可操控颗粒的数量和效率，同时也丰富了操控功能。本文从光流控光镊类别、物理机制以及生物医学应用等方面出发，对光流控光镊操控进行了回顾和讨论，最后对光流控光镊操控潜在的挑战进行了总结，对未来的发展方向如高通量单病毒操控和检测、光驱动机器人等进行了展望。 Optical tweezers， which utilize optical forces from the momenta exchange of light and a particle， have advantages of being non-invasive and has a small manipulating size. Therefore， they have important applications in the biomedical， physical， and chemical sciences. Optical tweezers at the early stage manipulate single or multiple particles in a motionless environment and can be classified into various classical categories， such as single/multiple-beam optical tweezers， holographic optical tweezers， plasmon optical tweezers， fiber optical tweezers， optical tweezers with special forces and torques， opto-thermal-electrical tweezers， etc. Optical tweezers later fuse with the optofluidic technique， increasing manipulating quantity and efficiency. This study reviews and comments on the recent progresses of optofluidic manipulation by focusing on the categories of optofluidic optical tweezers， mechanisms of optical tweezers as well as their biomedical applications. Meanwhile， potential challenges of optofluidic manipulation are summarized. In addition， perspectives on the future developments of optofluidic optical tweezers such as high-throughput manipulation and detection of single viruses as well as light-driven microrobots are provided. 光镊 光流控 生物颗粒 多功能操控 optical tweezer optofluidics bioparticle manipulation multifunctional manipulation 1 引 言 1 光镊技术利用光与颗粒之间动量传递的力学效应对颗粒进行操控，具有无接触、操控尺寸小等优点 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。自从20世纪80年代Arthur Ashkin教授发明光镊技术以来，该技术在生物医学 ［ 3 3 - 5 5 3-5 ］ 和物理化学 ［ 6 6 - 7 7 6-7 ］ 等领域有着众多重要的研究和应用价值。William Daniel Phillips、Steven Chu（朱棣文）和Claude Cohen-Tannoudji三人利用光镊技术实现原子冷却，获得了1997年的诺贝尔物理学奖 ［ 8 8 - 9 9 8-9 ］ 。而Arthur Ashkin教授由于发明光镊和利用光镊实现各种生物医学应用获得了2018年诺贝尔物理学奖 ［ 1 1 ， 10 10 ］ 。光镊技术可实现单个颗粒的捕获 ［ 3 3 ， 11 11 ］ 、传输 ［ 12 12 - 14 14 12-14 ］ 等功能，可以分离提纯多个细菌和病毒等生物颗粒 ［ 15 15 ］ ，从而研究其病理学特性 ［ 16 16 ］ 。同时，光镊技术还可以用于探究光和物质相互作用的本质，例如研究和利用手性颗粒所受的手性光学力 ［ 17 17 - 19 19 17-19 ］ ，探测光自旋状态 ［ 20 20 - 22 22 20-22 ］ 等。 光镊技术早期主要在静止环境中对颗粒进行操控。经典的单光束光镊可以在静止液体中捕获细菌病毒等细小颗粒 ［ 2 2 ］ 。然而，静止环境中的光镊具有一些特定的局限性，例如操控颗粒的速度较低，需要移动光束到达颗粒所在位置；功能比较单一，局限在捕获、移动和定位等，缺少不同颗粒的有效筛选等功能；操控溶液的通量非常有限，通常为皮升量级。光流控光镊技术 ［ 23 23 - 26 26 23-26 ］ 在微流控芯片的基础上在微通道中引入光镊，兼具微流控有效传输颗粒的优点，为光镊技术注入了新的活力，可以实现高效分离颗粒 ［ 27 27 ］ 等更多的功能。 本文回顾了光流控技术在光镊技术中的研究进展。首先介绍传统光力的基础理论和光镊的典型类型，然后介绍光流控光镊的优势以及实现的重要应用，最后对光流控光镊技术进行了总结与展望。 2 静态环境中的光镊技术 1 光力根据颗粒尺寸可以由不同的理论模型求解。而根据光源以及颗粒的结构不同，光镊可以有不同的类型，并且各自有着特定的应用途径。 2.1　光力的基本理论 2 光子自身带有动量，当受到颗粒散射、折射或吸收后会将动量传递给颗粒，产生推动颗粒前进的力 ［ 28 28 ］ ，即典型的光学消光力（ F ext ），它包括散射力（ F sca ）和吸收力（ F abs ）。当纳米颗粒处于光场中且半径 r 远远小于波长 λ ，即 <math id="M1"><mi>r</mi><mo>≪</mo><mi>λ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127576&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127573&type= 8.04333401 2.79399991 时，自身会被极化成正负电荷的偶极子，从而产生沿着电场强度方向运动的力，即典型的光学梯度力（ F grad ），由瑞利（Rayleigh）模型，它可以写成 ［ 6 6 ， 29 29 - 31 31 29-31 ］ ： <math display="block" id="M2"><msub><mrow><mi>F</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">g</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">π</mi><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><msup><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi>c</mi></mrow></mfrac><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>∇</mo><mi>I</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127581&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127579&type= 42.16400146 9.65200043 ， 其中： r 是颗粒半径， m = n 1 / n 2 ， n 1 和 n 2 分别为颗粒和介质的折射率， c 是光在真空中的波长， I 是激光强度。提高激光强度梯度可以一定程度上避免光强度过高对颗粒带来潜在的伤害，一般认为是最有效地提高梯度力的方法。散射力和吸收力由瑞利模型可得 ［ 32 32 - 33 33 32-33 ］ ： <math display="block" id="M3"><msub><mrow><mi>F</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">a</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">128</mn><msup><mrow><mi mathvariant="normal">π</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msup><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><msup><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msup><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn><mi>c</mi><msup><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mn 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，且入射光源为平面波或者球波展开时，颗粒的受力可以用Mie散射模型求解，但受力通常较为复杂，尤其当光场和颗粒较为复杂时，该方法不再适用。当颗粒的尺寸远远大于波长，即 <math id="M6"><mi>r</mi><mo>≫</mo><mi>λ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127606&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127602&type= 8.04333401 2.79399991 时，根据动量守恒原理，光力可以通过几何光学方法求解。通过计算光在穿过颗粒前后的动量变化，Minkowski动量法得出的光力可以表示为 ［ 34 34 - 35 35 34-35 ］ ： <math display="block" id="M7"><mfenced open="<" close=">" separators="|"><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">F</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">y</mi><mo>,</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><msub><mrow><mi>P</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>c</mi></mrow></mfrac><msub><mrow><mover accent="true"><mi 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36 36 - 38 38 36-38 ］ ： <math display="block" id="M8"><mfenced open="<" close=">" separators="|"><mrow><mi mathvariant="bold-italic">F</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∮</mo><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow/></munderover></mstyle><mrow><mfenced open="<" close=">" separators="|"><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold">T</mi><mo>⃡</mo></mover></mrow></mfenced><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mi mathvariant="bold">n</mi><mo>̂</mo></mover><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">d</mi><mi>A</mi></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127621&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127618&type= 29.37933159 8.55133343 ， 其中： <math id="M9"><mover accent="true"><mi mathvariant="bold">n</mi><mo>̂</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127627&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127626&type= 2.11666679 2.96333337 是指向积分面 A 的单位矢量， <math id="M10"><mfenced open="<" close=">" separators="|"><mrow><mo>⋅</mo></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127634&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127631&type= 4.14866638 3.47133350 表示时域平均， <math display="block" id="M11"><mfenced open="<" close=">" separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>T</mi></mrow><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">8</mn><mi mathvariant="normal">π</mi></mrow></mfrac><mi mathvariant="normal">R</mi><mi mathvariant="normal">e</mi><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>D</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><msubsup><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mi>j</mi></mrow><mrow><mi 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mathvariant="bold">D</mi><mo>=</mo><mi>ε</mi><mi mathvariant="bold">E</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127645&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127642&type= 11.59933376 2.79399991 以及 <math id="M13"><mi mathvariant="bold">B</mi><mo>=</mo><mi>μ</mi><mi mathvariant="bold">H</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127650&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127647&type= 12.19200039 3.64066648 ， ε 和 μ 分别为介质的介电常数和磁导率。根据光在不同介质中动量的不同表达方法，光力计算除了Minkowski法，还存在着Abraham，Lorentz，Einstein和Laub法等，通常认为Minkowski法相比其他方法拥有更好的实用性和精度。另一个重要的概念是光弹簧系数 k ，它是指颗粒所在位置光力的梯度 ［ 1 1 ， 33 33 ］ ，即 <math id="M14"><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi>F</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127655&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127652&type= 5.07999992 7.95866632 ，其中 x 为颗粒的位置坐标。光弹簧系数越大，则代表光学势阱 <math id="M15"><mi>U</mi><mo>=</mo><mo>∫</mo><mi>F</mi><mi mathvariant="normal">d</mi><mi>x</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127662&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127659&type= 16.42533302 6.60400009 的深度越大，越有利于颗粒的捕获。通常认为 <math id="M16"><mi>U</mi><mo>></mo><mn mathvariant="normal">10</mn><msub><mrow><mi>k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">B</mi></mrow></msub><mi>T</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127668&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37127665&type= 17.69533348 3.72533321 时，其中 k B 和 T 分别为玻尔兹曼常数和热力学温度，颗粒会被稳定地捕获在光学势阱中 ［ 33 33 ］ 。 2.2　静态光镊的经典构型 2 经过30多年的发展，光镊技术取得了长足的发展，各种各样的多功能构型应运而生。近年来，操控对象从微米级的颗粒发展到纳米级别的蛋白质等。颗粒受力的形式也从传统的消光力和梯度力发展为方向与光传播方向相反的牵引力，以及垂直于光传播方向的横向力等。 单光束光镊广泛用于单颗粒的捕获和移动，在生物医学领域应用广泛。在20世纪80年代Ashkin利用光束光镊实现了单病毒的捕获 ［ 3 3 ］ 。随后美国密西根大学团队用该方法捕获了HIV病毒，并研究同类病毒之间包膜糖蛋白数量等特性的差异性 ［ 16 16 ］ 。同时，单光束还可以在小鼠血管中之间捕获单个红细胞并且控制其疏通或者阻塞血管 ［ 39 39 ］ 。澳大利亚昆士兰大学团队利用单光束光镊在斑马鱼体内捕获了耳垂，从而控制其前庭行为 ［ 40 40 ］ 。在大分子研究领域，单光束光镊技术可以用于测量驱动蛋白马达的步进位移 ［ 41 41 ］ 等。随后为了对DNA或蛋白质等进行拉伸，单光束光镊发展为双光束光镊 ［ 42 42 ］ ，每一个独立的光镊捕获单个颗粒，而每个颗粒连接DNA的一端，如 图1 图1 （a）所示。通过增大两光束之间的距离，可以对DNA进行拉伸 ［ 43 43 - 45 45 43-45 ］ 。DNA的拉伸还可以使用波导系统，通过相邻波导捕获不同颗粒实现 ［ 46 46 ］ 。而全息光镊 ［ 47 47 ］ 的出现将颗粒操控提高了一个自由度。借助空间光调制器，西安光机所姚保利、西安交通大学雷铭、美国纽约大学的David G Grier等团队用全息光镊创造出三维立体光场，从而实现颗粒的三维动态操控 ［ 48 48 - 53 53 48-53 ］ 。与此同时，全息光镊也为一些奇异光束的构建提供了便利，从而带来了新的操控功能。例如，艾利光束 ［ 54 54 ］ 可以沿曲线移动颗粒 ［ 55 55 - 56 56 55-56 ］ ；贝塞尔光束颗粒可以在不同的平面同时捕获颗粒 ［ 57 57 - 58 58 57-58 ］ ；涡旋光使颗粒沿轨道发生公转 ［ 59 59 - 62 62 59-62 ］ ，如 图1 图1 （b）所示。 然而，自由空间的光束因为衍射极限的缘故，光束的汇聚效果有限，所产生的梯度力较小，因此在捕获小的生物颗粒例如病毒时，激光能量要超过100 mW ［ 16 16 ］ 。如此高能量的激光会对生物颗粒造成伤害，限制了其生物医学应用。在此背景下，一些突破光衍射极限的方法，例如光子晶体光镊 ［ 63 63 - 65 65 63-65 ］ 、表面等离子光镊 ［ 11 11 ， 66 66 - 69 69 66-69 ］ 、光纤探针光镊 ［ 70 70 - 73 73 70-73 ］ 应运而生。如 图1 图1 （c）所示，表面等离子光镊具有突破光衍射极限的能力，广泛用于纳米颗粒和蛋白等细小生物颗粒的捕获 ［ 68 68 ］ 。但金属本身的吸光发热效应，会在其局部产生较高的温度，对生物颗粒会造成潜在的不可逆伤害。因此，全介电质材料所构成的光镊系统在操控生物颗粒方面更具优势。如 图1 图1 （d）所示，光纤探针光镊有着良好的光会聚能力，同时可以很方便地移动到几乎任意的位置，因此受到了广泛的关注。暨南大学李宝军团队利用光纤光镊实现了细胞内超衍射极限成像 ［ 70 70 ， 73 73 ］ 、多自由度生物颗粒操控 ［ 72 72 ］ 等生物医学应用。 近年来，一些特殊的反直觉光力，例如光学牵引力 ［ 28 28 ， 38 38 ， 74 74 - 77 77 74-77 ］ 等引起了大家广泛的兴趣。光学牵引力是指一类使颗粒沿光传播的相反方向运动的力，与消光力的方向相反。通常需要依靠特殊的光束如贝塞尔光 ［ 38 38 ］ 、特殊的介质或环境如非线性光学介质 ［ 75 75 ］ 和谐振腔 ［ 78 78 ］ 、特殊的颗粒如核壳结构 ［ 79 79 ］ 、不同颗粒直接耦合 ［ 80 80 ］ 或者不同介质之间的动量转换 ［ 81 81 ］ 等来产生较强的前散射，如 图1 图1 （e）所示。另一种光镊构型光热电光镊 ［ 82 82 - 84 84 82-84 ］ ，以其较低的用于操控的激光能量、较小的操控尺寸，以及较大的捕获范围，在捕获、传输和分离蛋白等细小生物颗粒方面得到了广泛的应用，如 图1 图1 （f）所示。但该技术与等离子体光镊都存在着金属材料吸收光发热现象，对生物颗粒的活性会造成一定的影响，阻碍它们在生物医学方面的应用。 最近，深圳大学的袁小聪和闵长俊团队将石墨烯引入到光镊系统中，利用石墨烯优良的光电性能，将光镊捕获纳米颗粒所需的激光能量降低了两个数量级，并且拥有很大的操控空间范围 ［ 85 85 ］ 。该技术在生物颗粒操控以及生物传感领域拥有巨大的潜在应用。同时，该团队在等离子光镊以及非线性光镊等领域也有着众多开创性的研究成果 ［ 66 66 ， 86 86 - 88 88 86-88 ］ 。 2.3　特殊颗粒的操控 2 特殊颗粒如手性颗粒 ［ 19 19 ， 89 89 - 93 93 89-93 ］ 可以诱导另一种特殊的光力，即光学横向力 ［ 18 18 - 19 19 18-19 ， 92 92 ， 94 94 - 96 96 94-96 ］ 。该力的方向垂直于光的传播方向。研究人员发现在线偏振光的照射下，通过螺旋形手性颗粒和界面的耦合可以产生横向散射，从而产生横向力 ［ 19 19 ］ 。此外，手性颗粒在消逝波中表面等离子激元的作用下也可以产生光学横向力 ［ 97 97 ］ 。澳大利亚悉尼科技大学团队发现特殊掺杂的颗粒可以显著提高捕获弹簧系数和梯度力 ［ 98 98 ］ ，从而降低颗粒捕获所需的激光能量，在生物颗粒的操控方面有着巨大的潜在应用。如 图2 图2 （a）所示，利用Janus颗粒在光束中受热不均匀原理，可以在电场的帮助下构造一个微型马达 ［ 99 99 ］ 。通过光镊调控颗粒的旋向，实现了颗粒向特定的位置移动。如 图2 图2 （b）所示，金涂层包裹的中空玻璃球在不同偏振光的作用下可以沿着光传播方向或相反的方向运动，还可以停止在光束中 ［ 100 100 ］ 。 其他的一些特殊结构或特殊材料颗粒，如核壳颗粒 ［ 76 76 ］ 、增益颗粒 ［ 101 101 - 103 103 101-103 ］ 、三角盘 ［ 104 104 ］ 、二维螺旋结构 ［ 105 105 ］ 和组合颗粒 ［ 106 106 - 108 108 106-108 ］ 等对光场也有着特殊的调制作用，可以产生特殊的光力和光力矩。值得注意的是，得益于纳米加工技术和纳米光学技术的发展，带有细小超构结构的微粒在光的激发下展现出可控的横向或者二维运动能力，形成了“微纳超结构机器人”。最近瑞典查尔姆斯理工大学团队 ［ 109 109 ］ 设计加工了一种超表面微驱动器，能够在线偏振光和圆偏振光的驱动下分别沿直线运动和轴向转动，从而通过控制光的偏振态实现了一种二维光驱动微型马达。北京理工大学的张帅龙团队开发了一系列以微齿轮为主的光电镊驱动的微机器人，可应用于细胞隔离、克隆扩增等 ［ 110 110 - 111 111 110-111 ］ 。 3 光流控光镊操控芯片 1 尽管静态光镊技术近30多年来得到了长足的发展，但它也存在一些不可避免的局限性。例如，操控颗粒的数量有限，一般为单个或多个；捕获颗粒的效率不高，通常依赖于先观察再捕获，很难捕获一定溶液中的任意颗粒；操控溶液的量较低，通常为皮升量级；功能单一，通常为捕获和移动等。如 图3 图3 所示，光镊与光流控相结合而成的光流控光镊技术，对传统光镊技术进行了改进，有望突破现有的应用限制。 3.1　光流控光镊颗粒筛选技术 2 光流控技术兼具微流控系统对颗粒良好的传输特性，与光镊技术结合，可以实现很多静态光镊不具备的功能，典型之一是颗粒筛选。颗粒筛选在物理、化学和生物医疗等领域具有十分重要的意义。例如，特定尺寸的颗粒具有独特的光学特性，该特性在化妆品行业显得非常重要。此外，分离特定尺寸的生物颗粒有利于其提纯和生物特性研究。 单个高度束缚光场通常只用于单个或多个颗粒的捕获，缺少颗粒的区分能力。而一些静态环境中颗粒的分离方法，如干涉条纹法 ［ 15 15 ， 17 17 ， 112 112 ］ 、光纤法 ［ 113 113 - 114 114 113-114 ］ 等仅仅能够分离少量处于光场范围内的颗粒。英国圣安德鲁斯大学团队 ［ 115 115 ］ 利用两种不同波长的激光产生相向传播的消逝场，在两种不同大小的金属颗粒上通过等离子体谐振产生相反的光力，实现了颗粒分离。在流体中，较弱发散、低数值孔径的高斯光可以产生弱衰减的光力，与流体力共同作用，将不同大小或折射率的颗粒捕获在不同位置，这就是光学层析法。该方法的基本原理为流体流向和光朝着两个相反的方向，产生方向相反的流体力和光力。由于弱发散的高斯光在传播方向具有梯度，而颗粒的受力跟尺寸呈线性关系。因此，不同大小的颗粒在流体力和光力的平衡下被捕获在光束的不同位置。然而，传统光学层析法无法捕获和分离纳米颗粒，仅适用于数量很少的颗粒的分离。为了提高颗粒分离的数量，英国圣安德鲁斯大学团队 ［ 116 116 ］ 利用全息光镊构建了一个光学势阱阵列，通过调控光力和流体力，实现了不同尺寸微米颗粒的连续分离，如 图4 图4 （a）所示。该方法的不足是流速较慢，颗粒分离的效率和通量不高。为了解决这个问题，美国Genoptix公司的研究人员 ［ 117 117 ］ 设计了一个光学开关，通过探测不同细胞的荧光信息，选择性地使用激光光束对细胞进行照射，从而利用光学散射力将指定细胞推动到特定的出口通道中，如 图4 图4 （b）所示。该方法使用超过10 W的激光能量，能够在25 mm/s的流速下实现细胞的筛选，但如此高功率高能量密度的激光或多或少会损伤生物样品，实际应用的局限性较大。 大部分的光流控光镊方法仅仅能够筛选微米级别颗粒，这归因于所用光学势阱的弹簧系数较高，大于10 -8 N/m，致使颗粒分离的尺寸和精度分别约为300和50 nm。新加坡南洋理工大学团队 ［ 33 33 ］ 明确区分了颗粒在光力和流体力作用下的阻尼状态对颗粒操控和尺寸分离的作用，发现“松散过阻尼系统”可以分离不同尺寸的纳米颗粒，精度达纳米量级，如 图4 图4 （c）所示。用集成在光流控芯片中的微透镜产生了准贝塞尔光束，构建了光弹簧系数为10 - 10 ~10 - 8 N/m的过阻尼系统，成功分离了半径从30~50 nm的金颗粒，精度达5 nm。这在精密分离细菌等细小纳米颗粒方面具有广阔的应用前景。此外，在松散过阻尼系统中颗粒具有微米量级的振动幅度，比捕获在传统光镊中颗粒的振动幅度高2个数量级。该团队 ［ 118 118 ］ 随后在Kramer单一颗粒跳跃理论的基础上，揭示了光学势阱间的多颗粒跳跃机制，如 图4 图4 （d）所示。通过对微通道中光学力和流体拖曳力的调控，可精密控制颗粒在多个光点间跳跃。捕获在势阱中的细菌自身无法跳跃，当与其特异性抗体结合后，会与可跳跃的颗粒结合，实现细菌和颗粒共同跳跃；当细菌与其非特异性抗体接触后，无法与可跳跃的颗粒结合，由此，实现了细菌和其特异性抗体的筛选。通过统计跳跃细菌的比例，可以在单细菌水平测量细菌与抗体的结合效率。这为单细菌水平研究生物颗粒间的相互作用提供了新思路。 松散的过阻尼系统能够将不同大小的亚100 nm的颗粒分离在不同位置，但颗粒在捕获位置的微米级振动给其位置带来了一定的不确定性。为了解决此问题，美国卡拉克森大学团队 ［ 119 119 ］ 设计了一个可调的相位梯度场，通过调控相位来改变光力。在光力和流体力的平衡下，不同大小的颗粒被捕获在不同的位置，且不同颗粒平衡位置的距离可以通过相位进行调控。 3.2　大量纳米颗粒筛选技术 2 前文提到的远场光镊筛选技术广泛采用单个、多个汇聚的光束，操控颗粒的数量较少，且由于衍射极限限制，对几百纳米的细菌和尺寸更小的病毒施加的光学力较小，操控所需的激光功率过大，对生物颗粒造成损伤。近场光学可以突破光的衍射极限，克服微流施加的拖曳力对势阱的破坏，实现大量生物颗粒的操控。但是如何把光局域到远小于波长尺度，产生很深的光学势阱来有效操控大量的细菌病毒仍然存在很大的挑战。 为了分离大量生物颗粒，武汉大学团队 ［ 27 27 ］ 利用冲击流在高速流场中形成流速极慢的点，从而在该点附近依据不同大小颗粒所受的光力不同，实现纳米颗粒的快速分离。新加坡南洋理工大学团队 ［ 120 120 ］ 提出了双波导近场光镊阵列构型，如 图5 图5 （a）所示。利用光在相邻波导的耦合创造了大量临近的亚波长尺度的光点（势阱），且每个光点拥有相似的光场分布，突破传统全息等方法很难创造均匀的亚波长尺度光点阵列的局限。通过控制输入激光的功率调控不同大小的颗粒所处光学势阱的深度，分别捕获和释放势阱较深和较浅的颗粒，从而选择性地捕获和分离大量100~500 nm的颗粒。该技术有利于同时捕获大量颗粒，研究其特异性。同时，该团队 ［ 36 36 ］ 还利用该耦合势阱阵列实现了相邻势阱对杆状颗粒施加扭转力矩的控制，如 图5 图5 （b）所示。球状细菌由于尺寸与单一势阱范围相近，被捕获在单一势阱中。而杆状的细菌由于长度超过单一势阱范围，会受到相邻势阱施加的力矩作用，从而发生扭转离开势阱，无法被稳定捕获，由此分离了体积相近的球状金葡菌和杆状大肠杆菌。该方法开创性地克服了当前颗粒分离技术很难分离体积相近、形状不同的细菌的技术难点，对于分离溶液中不同形状的生物颗粒具有重要的意义。 尽管光流控光镊筛选技术已经实现大量纳米颗粒的分离，但目前普遍存在操控通量较低（大多为纳升及以下量级），颗粒极限为200 nm等局限性。要突破以上局限，需要同时优化光场和流场，使得光场能够产生足够大的光力来克服流体拖曳力的影响，且流场能够稳定和准确地将颗粒传输到光场的有效作用范围内。 3.3　光流控光镊操控生物颗粒 2 光流控芯片中的微流能够高效传输特定物质到目标区域，从而对其进行捕获和检测。美国加州大学圣克鲁斯分校的研究团队 ［ 121 121 ］ 开发了一种电光镊子，采用空间光调制器控制的反共振反射光波导在极低能量下捕获单个细菌，实现对单个微生物的荧光检测。如 图6 图6 （a）所示，荷兰代尔夫特理工大学的研究团队 ［ 122 122 ］ 在光流控芯片的微通道中用光子晶体以1 mW以内的激光能量捕获单个枯草芽孢杆菌和大肠杆菌，展示了强大的片上操控能力。光子晶体腔中的模场还可以用来激发荧光，从而构建双光子或多光子显微系统 ［ 123 123 ］ 。通过透射谱的偏移可以区分不同质量的细菌 ［ 124 124 ］ 。 要想实现微通道中更小颗粒的捕获，例如蛋白质和DNA等，需要更强汇聚的光场来产生更大的光学力。缺陷模光子晶体能够产生很强的束缚光场，但是用于捕获微通道中细小生物颗粒的有效光点数量通常是单个或者多个，导致捕获的颗粒数量有限、效率较低，且功能单一。为了提高微通道中颗粒的捕获效率，美国康奈尔大学的研究人员 ［ 13 13 ］ 利用尺寸几十纳米的槽波导成功捕获了直径几十纳米的聚苯乙烯颗粒和RNA颗粒，并利用光学散射力推动颗粒在槽中进行直线运动，如 图6 图6 （b）所示。由于近场光场的范围只有几百纳米，而槽波导所在的微通道的厚度达到5 μm，因此大部分颗粒都不在有效捕获范围内，捕获过程依赖颗粒的随机运动，因此效率仍然不足25%。 3.4　光流控光镊操控病毒 2 病毒大流行是联合国认定的全球灾难风险之一。2019年新冠病毒的暴发给全球带来了深重的灾难，有效地检测病毒是疫情防控的关键。目前，病毒的商业化检测方法主要包括酶联免疫吸附法（Enzyme Linked Immunosorbent Assay，ELISA）、胶体金免疫法和化学发光法、聚合酶链式反应法（Polymerase Chain Reaction，PCR）等。广泛采用的PCR是核酸检测的“金标准”，但它对操作人员和设备的要求比较高，检测时间通常要几个小时。更具限制性的是：实时荧光定量PCR法只能检测荧光到达预先设定阈值循环数（Ct值）所对应的最小病毒数。如果病毒数小于阈值，无法被检测，而处于窗口期的病人体内所含有的病毒量往往较少，可能导致假阴性。因此，亟需一种能够在病毒感染早期快速捕获、检测体液中单病毒的技术，有助于筛选感染人群，提升对病毒的早期防控能力以及单病毒的研究。 光镊技术是有望实现高通量单病毒快速操控和检测的技术。病毒的尺寸一般比细菌或细胞小1~2个数量级，尺寸越小，颗粒所受的光学势阱深度越浅，操控难度越大。如 图7 图7 （a）所示，传统的单光束光镊可以捕获微通道中的病毒，并且研究病毒的特异性，例如折射率、包膜糖蛋白数等 ［ 16 16 ， 125 125 ］ 。一维光子晶体可以用更低的激光能量提供更大的光力，从而更有效地捕获病毒，如 图7 图7 （b）所示。捕获其中的病毒可以与抗体结合，通过分析病毒的布朗运动得出病毒上结合的抗体数 ［ 126 126 ］ 。该技术可以用来研究几十纳米尺寸的生物颗粒与其他生物分子的相互作用机制。 为了提高病毒的捕获效率，改变传统波导系统无法直接捕获病毒的现状，新加坡南洋理工大学团队 ［ 127 127 ］ 使用免疫分析法，将病毒与细菌尺度的颗粒以及荧光量子点结合，用光点阵列在低通量下捕获了病毒和颗粒复合体，效率接近100%，如 图8 图8 （a）所示。由于病毒和颗粒复合体的荧光亮度在病毒量较少的情况下与颗粒上的病毒数量成正比，通过分析荧光亮度量化微通道中的病毒，实现了单病毒的间接捕获和检测。为了直接对微通道中的单病毒进行捕获和检测，该团队 ［ 14 14 ］ 提出一种新型的全介电质Si 3 N 4 纳米孔光镊阵列构型，该构型具备更强光场局域能力和更深的势阱深度，产生的光学力克服了低流速流体拖曳力的影响，而且材料对光无吸收，解决了常用的金属材料产生光热效应降低生物颗粒活性等问题，实现了低通量无修饰病毒的多功能操控，如 图8 图8 （b）所示。通过调控激光的尺寸和功率，可以实现单病毒的捕获、传输和定位，以及在纳米孔内选择性隔离大量特定尺寸的病毒，进行分离和提纯。 4 特殊光力和力矩 1 4.1　手性光力 2 手性颗粒在材料科学和医药行业有着重要的应用价值。研究手性颗粒所受的光力有利于探究光和手性等特殊颗粒相互作用的机制、开发不同手性状态颗粒的筛选技术。 大部分的手性光力研究停留在理论层面，根据手性颗粒在不同手性光的激发下所受散射力不同，法国波尔多大学的研究人员 ［ 91 91 ］ 在微通道中分离了不同手性的颗粒，如 图9 图9 （a）所示。而光学横向力是光与颗粒相互作用产生的垂直于光传播方向的力，在操控手性颗粒上有着独特的优势，但该力在实验中容易被量级较之更大的梯度力所覆盖，难以单独用它操控手性颗粒。法国波尔多大学的研究人员还设计了一个光学Stern-Gerlach实验 ［ 89 89 ， 128 128 ］ ，通过调控光的手性梯度产生光学横向力，从而将不同手性的颗粒进行了分离，如 图9 图9 （b）所示。手性颗粒在手性束缚光束中也随着颗粒和光手性的不同，呈现捕获和排斥现象 ［ 129 129 ］ 。如 图9 图9 （c）所示，西安交通大学团队揭示了光与放置在空气和水界面微米尺寸的手性颗粒相互作用下在手性颗粒上产生非对称横向动量偏移的机理 ［ 92 92 ］ ，由此得到了可以操控手性颗粒的光学横向力。该横向力的大小和方向随光的偏振、入射角、颗粒的手性状态变化而变化，改变了传统理论预测的横向力方向只与颗粒手性状态有关的认知。在实验中，利用条状线偏振光巧妙弱化了梯度力，消除了它对横向力的干扰，从而利用光学横向力使得不同手性的颗粒沿着相反的方向运动，从而分离了不同手性状态的颗粒。 手性光力可以通过颗粒的布朗运动 ［ 129 129 ］ 、流体力 ［ 92 92 ］ 或原子力显微探针 ［ 130 130 ］ 测量。然而，目前的手性光力一般较小，离实际分离手性分子等应用还有较远的距离。研究发现，力的增强可以由增强颗粒的手性值和折射率等手段实现。而电磁四极子、六极子等多极子相互叠加形成的复合多极子模式可以极大增强光学横向力 ［ 96 96 ］ ，如 图9 图9 （d）所示。复合多极子模式通过不同模式之间的耦合和转换，可以将手性横向力增强数百倍，并跟散射力同一量级。这在增强手性光力，以及用手性光力分离手性颗粒等方面具有重要意义。 除了手性光力，一些特殊的光和物质相互作用的机制近年来被人们广泛探究，也发现了一些新的光力类型。南京大学王慧田团队探究了来自光偏振态的旋度产生的光轨道角动量，并用其旋转颗粒 ［ 131 131 ］ ；自旋角动量和轨道角动量的转换可以产生周向光力对颗粒旋转或者产生横向光力 ［ 95 95 ， 132 132 - 133 133 132-133 ］ ；相位梯度可以产生光力推动颗粒沿曲线运动等 ［ 119 119 ， 134 134 ］ 。 4.2　光力矩 2 光力矩广泛存在光学操控中，在生物医学 ［ 135 135 - 137 137 135-137 ］ 、物理学 ［ 105 105 ， 138 138 ］ 和量子科学 ［ 139 139 - 140 140 139-140 ］ 等领域应用广泛。线偏振光可以将偏振不对称性颗粒排列成与光偏振方向一致 ［ 36 36 ］ 。 光力矩的方向通常与圆偏振光中光子自旋方向一致，即所谓的正力矩。光力矩随着材料吸收的引入而增加，并且随着多极子的出现得到进一步增强 ［ 104 104 ］ ，如 图10 图10 （a）所示。美国加州大学伯克利分校的研究人员 ［ 95 95 ］ 发现，通过激发等离子体手性转子中的高阶模式，力矩的方向与光子自旋方向相反，即所谓的负力矩。负力矩还存在于双各向异性颗粒 ［ 141 141 ］ 、相位磁滞盘 ［ 142 142 ］ 、颗粒簇 ［ 143 143 ］ 、楔形颗粒 ［ 144 144 ］ 和三棱柱 ［ 145 145 ］ 等中。如 图10 图10 （b）所示，复合多极子模式进一步叠加形成的超复合多极子模式 ［ 101 101 ］ ，可以极大增强增益材料颗粒中的力矩。在颗粒的散射截面谱中，该超复合多极子模式存在于两条拥有不同复合多极子模式的谱线的交点。超复合多极子模式相比由多极子叠加形成的复合多极子模式，是模式的进一步叠加，可以对颗粒产生更大的散射截面、施加更大的光学力和力矩，为光镊操控提供了新的思路。 5 总结与展望 1 光镊与光流控融合成光流控光镊技术，为光学操控带来了更多的机遇。光流控光镊技术将早期光镊技术的静态环境操控提升到动态操控，从而大大提高操控颗粒的数量和效率；通过流体的传输作用，辅助光镊快速捕获溶液中的任意颗粒，且对其特性进行高精密测量；大大提高操控溶液的通量，使通量从传统静态光镊的皮升提高到微升甚至毫升量级；丰富了颗粒操控的功能，在颗粒筛选、快速捕获、动态排列和高精度探测等方面具有重要的应用。 但光流控光镊目前在很多方面仍然具有很大的改进空间。例如，大部分的颗粒筛选技术通量较低，为纳升及以下量级，进一步提高通量则需要极高的激光能量，如数瓦或更高。颗粒大量筛选的尺寸极限约为200 nm ［ 108 108 ］ ，提高尺寸极限则会大大降低颗粒数量和筛选速度。亟需一种能够高速高通量筛选纳米颗粒的技术，这有助于实现很多生物医学应用，例如体液中高效分离病毒和外泌体 ［ 146 146 ］ 等。要想实现此功能，则需要同时优化光场和流场，以获得更大的光力，在更高速的流体中完成颗粒操控。 对于细菌和病毒等颗粒的操控，目前的研究仅仅局限于研究颗粒本身的性质，例如质量、折射率、包膜糖蛋白数等，却忽略了捕获的细菌病毒等与其他生物颗粒如抗体、细胞等的相互作用，致使应用点有限。未来或可从生物颗粒间相互作用机制出发，开发抗体，人工药物等在单细胞尺度的筛选和检测的方法。 目前，光流控光镊探测和利用的特殊力和力矩量级较小，实验现象不是很明显，未来可以从光和物质相互作用原理出发，找出更强的相互作用方案，来提高特殊光力和光力矩的可探测性，以实现特定的应用。此外，随着纳米加工技术和微纳光学的发展，光驱动机器人目前受到了广泛的关注，有着众多生物医学应用的潜力 ［ 147 147 ］ 。未来可以从药物传输与混合、癌症靶向等实际应用出发，设计出多自由度的光驱动纳米机器人。可以预见，光流控光镊操控技术将会在生物医学和物理科学等领域得到更加广泛的应用。 参考文献 ASHKIN A ， DZIEDZIC J M ， BJORKHOLM J E ， et al . 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