劉曉帥，李宇超，辛洪寶，張 垚，李寶軍

（暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院，廣東廣州511443）

早在4個(gè)世紀(jì)以前，著名天文學(xué)家開普勒就指出，彗星尾巴偏離太陽是由于太陽輻射壓的作用。1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Askin等采用514.5 nm的連續(xù)激光實(shí)現(xiàn)了對直徑為2.68μm的微球進(jìn)行加速、遷移和分離等操作[1]，進(jìn)而制備了單聚焦光束的三維勢肼，并應(yīng)用于微粒及細(xì)菌的穩(wěn)定三維操控[2]。光操控如同微觀世界的一把鑷子，被形象地稱為“光鑷”。基于對光操控的開創(chuàng)性工作，Askin教授被稱為“光鑷之父”，也因“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”而榮獲2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。鑒于光操控具有操控范圍廣、精度高、靈活性好、無損傷及無接觸等優(yōu)點(diǎn)，其一經(jīng)發(fā)明，便引起了研究人員的廣泛關(guān)注，并被應(yīng)用于生物、醫(yī)藥及化學(xué)等領(lǐng)域的研究。但傳統(tǒng)光鑷系統(tǒng)使用高數(shù)值孔徑的透鏡實(shí)現(xiàn)光束強(qiáng)聚焦，這導(dǎo)致其工作距離較短，因而它難以深入到生物樣品內(nèi)部進(jìn)行物體操控。此外，價(jià)格昂貴、難于集成、操作不靈活等使其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用遇到較大挑戰(zhàn)。為克服以上不足，Constable等于1993年首次提出光纖捕獲的概念[3]。1995年，Lyons和Sonek采用相向分布的兩根具有球形尖端的光纖構(gòu)建光鑷系統(tǒng)，該系統(tǒng)兩束出射激光疊加后捕獲能力相應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對直徑為10 mm的聚苯乙烯微球的穩(wěn)定捕獲[4]。Ikeda等則進(jìn)一步證明基于單透鏡型光纖亦可成功捕獲微納顆粒[5]。相對其余操控技術(shù)而言，光纖光鑷制作簡易、便于集成、調(diào)節(jié)靈活、且無操作深度限制，因而，基于不同制作技術(shù)的復(fù)雜光纖光鑷配置不斷被提出，并應(yīng)用于介質(zhì)顆粒的捕獲和排列[6-7]、生物細(xì)胞的操控和分離[8-9]、熒光納米顆粒的捕獲[10]以及細(xì)菌的組織和排列[11]等。在本文中，本課題組將總結(jié)近年來國內(nèi)外在光纖光鑷領(lǐng)域的研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注其在生物系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，并對潛在的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 光纖光鑷的結(jié)構(gòu)與原理

光纖光鑷的操控原理如圖1所示[12]。激光自光纖探針射出后在光纖前端特定結(jié)構(gòu)下聚焦，并形成光場的梯度分布。此時(shí)，位于光纖探針前端的微粒與激光相互作用（微粒對光的吸收和散射等）引發(fā)光動(dòng)量傳遞，進(jìn)而受到光力。具體而言：縱向（垂直光軸方向）梯度力將位于焦點(diǎn)附近的微粒捕獲至光纖光軸，進(jìn)而在橫向光散射力（沿光軸方向）的作用下運(yùn)動(dòng)至焦點(diǎn)；在焦點(diǎn)附近，聚焦光束產(chǎn)生的橫向梯度力將微粒穩(wěn)定捕獲至激光焦點(diǎn)處。通過連續(xù)捕獲介質(zhì)微粒和細(xì)胞，可實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的有序排列和組裝。由此可知，穩(wěn)定的三維捕獲需要光軸方向上的光梯度力在與光散射力的競爭過程中占優(yōu)。由于光梯度力大小正比于光場梯度，故需采用強(qiáng)聚焦光束方可獲得較大的梯度力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微粒的穩(wěn)定三維操控。對于光纖光鑷而言，出射光場的分布強(qiáng)烈依賴于光纖前端形狀。光纖探針前端聚焦效果越強(qiáng)，對應(yīng)光力也越大，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)低光功率下的穩(wěn)定捕獲，避免對生物細(xì)胞的損傷。

圖1 光纖光鑷的結(jié)構(gòu)與原理示意圖[12]

為將光束強(qiáng)聚焦以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定捕獲，一般光纖光鑷的前端設(shè)計(jì)為球形的微透鏡或錐形結(jié)構(gòu)。不同的光纖前端可分別通過拋光、加熱拉伸、化學(xué)腐蝕以及高精度機(jī)械加工（例如聚焦粒子束切削、飛秒激光加工等）等予以制作。除單光纖實(shí)現(xiàn)微粒捕獲外，研究人員也提出采用雙光纖光鑷進(jìn)行更加穩(wěn)定有效的光學(xué)操控[13]。相比單光纖光鑷捕獲，多光束捕獲不僅降低了捕獲所需的光功率，而且也易于實(shí)現(xiàn)其他功能的操作，例如非球形物體的旋轉(zhuǎn)操控等[14]。此外，研究人員還不斷提出采用多芯徑光纖[15]、梯度折射率光纖[16-17]、聚合物光纖[18-19]等新型光纖來實(shí)現(xiàn)光纖光鑷制作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多元化光操控和生物傳感。

2 單細(xì)胞及生物大分子操控

截止目前，光纖光鑷已在單細(xì)胞及生物大分子的操控方面取得了重大進(jìn)展，并成功實(shí)現(xiàn)了單個(gè)酵母菌[9]、大腸桿菌[11]、小球藻[8]、紅細(xì)胞[20]及人體癌細(xì)胞[21]等不同生物細(xì)胞的穩(wěn)定捕獲和三維遷移。如圖2a所示，向制備的錐形光纖光鑷中通入功率為25 mW的近紅外激光，位于光纖探針前端的大腸桿菌將被捕獲至光軸，并隨其在三維方向上定向遷移。關(guān)閉激光后，其將被可控釋放至特定位置[11]。如圖2b所示，光纖光鑷被用來研究細(xì)菌在捕獲勢阱中掙扎的動(dòng)態(tài)過程，通過光勢阱大小計(jì)算，可對細(xì)菌自身的能量釋放及動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行定量研究[22]。除了三維遷移，光纖光鑷還可實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞的可控旋轉(zhuǎn)及角取向研究。如圖2c所示，紅細(xì)胞一端在范德瓦爾斯力的作用下固定在一根光纖探針末端，此時(shí)操控另一根光纖探針，紅細(xì)胞將繞不同軸向進(jìn)行可控旋轉(zhuǎn)，并可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的特定取向[20]。除了紅細(xì)胞外，光纖光鑷亦被證實(shí)可用于研究單個(gè)大腸桿菌的角取向[23]。使用雙光纖光鑷還可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變形，如圖2d所示，當(dāng)向雙光纖探針中通入激光后，位于光纖探針中間的紅細(xì)胞將在光力作用下沿光纖軸向進(jìn)行拉伸變形，且變形程度依賴于入射的激光功率[20]。除了細(xì)胞操控外，光纖光鑷亦可用于生物大分子的穩(wěn)定捕獲和動(dòng)態(tài)遷移。相比細(xì)胞操控，生物大分子折射率更低，尺寸更小，而且形狀不規(guī)則，易受布朗運(yùn)動(dòng)干擾，因而給穩(wěn)定操控帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了克服這個(gè)難題，Li等提出在光纖探針前端組裝“光纖探針-微透鏡”復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖2e），將光局域在亞衍射極限的尺度內(nèi)，從而產(chǎn)生一個(gè)納米光學(xué)勢阱，成功實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)DNA分子的捕獲、操控和探測[24]，展示了光纖光鑷在生物大分子操控領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值。

圖2 使用光纖光鑷實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞及生物大分子操控。（a）捕獲并遷移大腸桿菌[11]，（b）大腸桿菌動(dòng)態(tài)機(jī)制研究[22]，（c）紅細(xì)胞可控旋轉(zhuǎn)[20]，（d）紅細(xì)胞動(dòng)態(tài)變形[20]，（e）捕獲單個(gè)質(zhì)粒DNA[24]

3 多細(xì)胞操控及生物光波導(dǎo)組裝

基于光學(xué)方法對生物細(xì)胞進(jìn)行精確定位并排列成有序的微結(jié)構(gòu)，對生物傳感、組織工程和基因工程等都有著非常重要的作用。在單細(xì)胞操控基礎(chǔ)上，光纖光鑷亦可實(shí)現(xiàn)多個(gè)生物細(xì)胞的同時(shí)操控及順序組織。如圖3a所示，當(dāng)向光纖探針中通入激光后，溶液中的大腸桿菌將被逐個(gè)捕獲并在光纖探針末端形成一維有序的細(xì)胞串列，且串列的長度依賴于輸入激光功率[25]。組裝的細(xì)胞串列可通過第二根光纖探針進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，包括細(xì)胞的連接順序和接觸距離等[26]。如圖3b所示，操控光纖探針2可從組裝的細(xì)胞串列中取出特定的大腸桿菌并放回不同的位置，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串列的動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過與微流系統(tǒng)相結(jié)合，組裝的細(xì)胞串列還可實(shí)現(xiàn)可控的雙向傳送（如圖3c）。除了大腸桿菌以外，光纖光鑷亦可應(yīng)用于酵母菌及紅細(xì)胞串列的可控組裝和動(dòng)態(tài)傳遞[27]。組裝的細(xì)胞串列可作為生物兼容性的生物光波導(dǎo)，應(yīng)用于生物系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)傳輸和探測。如圖3d所示，通過光束耦合器向組裝的大腸桿菌串列中通入紅光后，紅光將沿著組裝的細(xì)胞波導(dǎo)進(jìn)行傳輸，此外實(shí)驗(yàn)表明光還可以沿著彎曲的波導(dǎo)進(jìn)行傳輸[25]。除了同種細(xì)胞排列外，光纖光鑷還可以實(shí)現(xiàn)不同種類細(xì)胞的異質(zhì)型生物光波導(dǎo)。研究人員基于光纖光鑷實(shí)現(xiàn)了大腸桿菌和小球藻的一維周期細(xì)胞結(jié)構(gòu)組裝，為研究相鄰細(xì)胞之間的信號(hào)傳導(dǎo)提供了有效途徑[29]。以上報(bào)道的生物光波導(dǎo)只能實(shí)現(xiàn)單方向的傳輸，而使用光纖光鑷可實(shí)現(xiàn)光學(xué)分枝結(jié)構(gòu)組裝[30]，形成多向光波導(dǎo)和光分束器，可以將光沿著不同方向進(jìn)行傳輸，極大豐富了光子器件在生物納米光子集成中的功能。此外，這些結(jié)構(gòu)可以供多條光學(xué)通道進(jìn)行生物傳感，從而大大提高傳感效率。利用不同細(xì)胞所受光力和流體粘滯阻力的差別，光纖光鑷可實(shí)現(xiàn)不同種類細(xì)胞的可控分離。此外，光纖光鑷還可應(yīng)用于活體內(nèi)部細(xì)胞器的組裝和操控，如圖3e所示，操控光纖光鑷，可于葉片內(nèi)部捕獲多個(gè)葉綠體并排列成一維及二維的周期性結(jié)構(gòu)[28]。

圖3 多細(xì)胞操控及生物波導(dǎo)組裝。（a）組裝不同長度的大腸桿菌串列[25]，（b）雙光纖光鑷實(shí)現(xiàn)細(xì)胞串列的動(dòng)態(tài)調(diào)整[26]，（c）光流細(xì)胞串列雙向傳遞[25]，（d）生物光波導(dǎo)光傳輸特性研究[27]，（e）動(dòng)態(tài)組裝葉片內(nèi)的葉綠體[28]

4 細(xì)胞成像及探測

除了可實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞及多細(xì)胞的動(dòng)態(tài)操控外，光纖光鑷在細(xì)胞成像和生物信號(hào)探測方面也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。如圖4a所示，當(dāng)向光纖光鑷中輸入980 nm的激光后，溶液中的上轉(zhuǎn)換納米顆粒和大腸桿菌細(xì)胞可被順序捕獲并進(jìn)行一維結(jié)構(gòu)組裝。由于上轉(zhuǎn)換納米顆粒在操控激光的激發(fā)下可發(fā)出綠光，進(jìn)而可利用“協(xié)同捕獲”的熒光標(biāo)記方法，實(shí)現(xiàn)黑暗環(huán)境下細(xì)菌的熒光標(biāo)記和動(dòng)態(tài)分析[31]。此外，亦可在光纖探針尖端附著天然的球形酵母細(xì)胞，通過組裝生物微透鏡，實(shí)現(xiàn)對熒光標(biāo)記的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等細(xì)胞的精準(zhǔn)操控和熒光成像[32]。由于微透鏡對光的聚焦增強(qiáng)，經(jīng)熒光標(biāo)記的病菌細(xì)胞表面的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度提高了兩個(gè)數(shù)量級，借助普通光學(xué)顯微鏡，在黑暗環(huán)境中就可清晰地觀察到單細(xì)胞的熒光圖像（如圖4b）。該研究不但將精準(zhǔn)光操控與熒光成像融合在病菌細(xì)胞的研究中，而且增強(qiáng)了被標(biāo)記細(xì)胞的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度，有望在生物成像、醫(yī)學(xué)診斷等方面的研究中發(fā)揮重要作用。除了細(xì)胞成像以外，光纖光鑷在信號(hào)探測方面也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。如圖4c所示，將組裝好的探針伸入到人體血液內(nèi)部，移動(dòng)探針使其尖端靠近血液中的白血病細(xì)胞后，再往探針中輸入短波長的紫外光來激發(fā)白血病細(xì)胞膜上的熒光蛋白分子，實(shí)現(xiàn)對蛋白分子發(fā)出的熒光信號(hào)的收集和探測，為探索白血病細(xì)胞的病變機(jī)理提供了一種高精度、無損傷的光學(xué)方法[33]。進(jìn)一步，可將數(shù)十個(gè)微透鏡整齊地組裝在一根微型光纖探針端面，入射光通過微透鏡匯聚成具有亞波長尺寸的聚焦光束，增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用，可實(shí)現(xiàn)對多個(gè)納米顆粒和亞波長細(xì)胞的高效率捕獲和高精度實(shí)時(shí)探測[34]。

圖4 細(xì)胞成像與探測。（a）單大腸桿菌熒光標(biāo)記[31]，（b）單細(xì)胞增強(qiáng)熒光成像[32]，（c）實(shí)時(shí)探測血液中的白血病細(xì)胞[33]

5 總結(jié)與展望

本文從光纖光鑷的結(jié)構(gòu)及操控原理出發(fā)，系統(tǒng)概括了目前光纖光鑷在生物系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了其在單細(xì)胞操控、多細(xì)胞組裝及生物成像探測領(lǐng)域的關(guān)鍵進(jìn)展。由于光纖光鑷具有制作簡易、易于集成、操作靈活、無操作深度限制等優(yōu)勢，該方案將在細(xì)胞生長、組織分化、疾病診斷以及生物層析成像等生物醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，對于光纖光鑷而言，目前的工作僅是其潛在應(yīng)用場景中很小的部分，其在生物系統(tǒng)研究中仍大有可為，值得我們在未來的工作中繼續(xù)深入探究，例如針對DNA、RNA及蛋白質(zhì)等生物大分子的穩(wěn)定捕獲，將有助于我們進(jìn)一步理解遺傳機(jī)理、蛋白合成及基因功能表達(dá)。此外，其有望構(gòu)建多功能、可移植且生物兼容性高的生物光子芯片，實(shí)現(xiàn)藥物的靶向傳遞及活體內(nèi)細(xì)胞的精準(zhǔn)操控，為生物光子學(xué)、微納光子學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)等交叉學(xué)科的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段。