这种微型设备通过使用一束高度聚焦的光来捕获并操控细胞。
麻省理工学院的研究团队已经开发出了一种基于芯片的“牵引波束”，其工作原理类似于《星球大战》系列电影中用于捕捉千年隼号飞船的技术。这项新技术有朝一日能够帮助生物学家和临床医生更深入地研究DNA结构、对细胞进行分类以及探索疾病背后的机制。
该装置小巧到足以放置在手掌之中，它利用硅光子学芯片发出的光线来操作距离芯片表面几毫米远的目标粒子。这束光可以穿透实验中使用的保护性玻璃盖片，确保细胞处于一个无菌环境内。
传统光学镊子依赖光源来捕捉和操纵微粒，通常需要配合重型显微镜等设备才能实现。而基于芯片的设计方案则为生物实验中的光学操作提供了一种更加紧凑、易于批量生产且适用范围广泛的解决方案。
然而，之前类似的集成式光学镊子只能作用于紧贴或直接位于芯片表面的细胞上。这种方式不仅可能导致芯片污染还会对细胞造成压力，从而限制了它们与标准生物实验流程之间的兼容度。
为了解决这个问题，麻省理工学院的研究人员采用了一种称为集成光学相控阵的技术，创造了一种新的集成光学镊子模式。这种新型镊子能够在距离芯片表面超过100倍的地方有效地捕捉和操控细胞。
“这项工作为基于芯片的光学镊子开辟了全新的可能性，使得我们可以在比以往展示过的更大范围内捕获和操控细胞。考虑到这项技术可能带来的各种应用前景，确实令人感到非常兴奋。”电子研究实验室成员、同时也是电子工程与计算机科学（EECS）罗伯特·J·希尔曼职业发展教授耶琳娜·诺塔诺斯如是说。
新的捕获方法
光学陷阱及镊子利用聚焦光束来抓取并控制微小颗粒。当光束施加的力量足够大时，就会将微粒拉向中心区域，并将其固定在那里。通过调节光束参数，科学家能够以非接触的方式移动这些小物体。
不过，传统的光学镊子往往需要在实验室环境下设置大型显微镜及其他相关设备来进行操作，这在一定程度上限制了其应用场景。
“借助于硅光子学，我们现在能够把整个庞大的实验室规模系统缩小至一块芯片之上。对于希望简化光学捕获过程而又不想承担复杂大型光学装置成本的生物学家来说，这是一个极好的选择。”诺塔诺斯补充道。
但是直到最近为止，所有基于芯片的光学镊子都只能产生非常靠近芯片表面的光线，因此只能处理离表面很近的粒子。由于大多数生物样本都被保存在大约150微米厚的玻璃盖片下以保持无菌状态，所以如果要用这样的芯片处理它们，就必须先把细胞从原位置取出再放到新的位置上去。
这样做很容易导致芯片受到污染。每次开始新的实验前都需要更换新的芯片，并且还要重新放置细胞样品，增加了工作量。
为了克服上述挑战，麻省理工学院的研究者们开发了一种特别设计过的硅光子学芯片，它可以发出一束能够聚焦于距离芯片上方约5毫米处的光线。这样一来，他们就可以安全地捕获并操纵那些仍然处于无菌条件下的生物颗粒，同时也避免了对芯片本身的污染。
控制光束
研究人员采用了名为集成光学相控阵的技术来实现这一目标。这项技术涉及到使用半导体制造工艺在芯片表面制作一系列微型天线阵列。通过精确调整每个天线发射出的光信号，研究人员就能塑造出特定形状并控制整个系统的光束输出。
受到激光雷达等领域远程应用的影响，大多数现有的集成光学相控阵都难以产生适用于光学镊子的紧密聚焦光束。但麻省理工学院小组发现，通过给每个天线分配特定的相位值，他们可以形成一束极其强烈的聚焦光线，适用于在远离芯片表面的位置执行光学捕获任务。
“在此之前，还没有人成功创造出基于硅光子学的光学镊子，能够在如此远的距离上（毫米级别）捕获微粒。与以往的成果相比，这是一个数量级上的提升。”诺塔诺斯指出。
研究人员可以通过改变驱动芯片工作的光信号波长来调节聚焦光束的位置，使其覆盖范围达到一毫米以上，同时保持极高的精度。
为了验证他们的发明是否有效，研究人员首先尝试着去抓取一些微小的聚苯乙烯球体。一旦证明了这一点之后，他们便继续前进，开始尝试捕捉由他们自己提供的各种类型的癌细胞。
研究人员表示：“当我们将硅光子学应用于生物物理学领域时遇到了许多独特的难题。”
例如，他们必须找到一种半自动化的方法跟踪样品中粒子的运动轨迹；确定合适的陷阱强度以确保粒子稳定不动；以及高效处理收集到的数据信息。
最后，该团队展示了首个利用单束光镊完成的实际细胞操作案例。
基于上述研究成果，未来研究计划包括改进现有系统使之具备可变焦距功能；还将探索如何将其应用于更多种类的生物体系当中，并尝试同时激活多个陷阱点以实现更复杂的生物颗粒操控方式。
