光纖光鑷在生物系統(tǒng)中的應用

劉曉帥，李宇超，辛洪寶，張 垚，李寶軍

（暨南大學納米光子學研究院，廣東廣州511443）

早在4個世紀以前，著名天文學家開普勒就指出，彗星尾巴偏離太陽是由于太陽輻射壓的作用。1970年，美國貝爾實驗室科學家Askin等采用514.5 nm的連續(xù)激光實現(xiàn)了對直徑為2.68μm的微球進行加速、遷移和分離等操作[1]，進而制備了單聚焦光束的三維勢肼，并應用于微粒及細菌的穩(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“光學鑷子及其在生物系統(tǒng)中的應用”而榮獲2018年的諾貝爾物理學獎。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，其一經(jīng)發(fā)明，便引起了研究人員的廣泛關注，并被應用于生物、醫(yī)藥及化學等領域的研究。但傳統(tǒng)光鑷系統(tǒng)使用高數(shù)值孔徑的透鏡實現(xiàn)光束強聚焦，這導致其工作距離較短，因而它難以深入到生物樣品內部進行物體操控。此外，價格昂貴、難于集成、操作不靈活等使其在生物系統(tǒng)中的應用遇到較大挑戰(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增強，進而實現(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]。相對其余操控技術而言，光纖光鑷制作簡易、便于集成、調節(jié)靈活、且無操作深度限制，因而，基于不同制作技術的復雜光纖光鑷配置不斷被提出，并應用于介質顆粒的捕獲和排列[6-7]、生物細胞的操控和分離[8-9]、熒光納米顆粒的捕獲[10]以及細菌的組織和排列[11]等。在本文中，本課題組將總結近年來國內外在光纖光鑷領域的研究進展，重點關注其在生物系統(tǒng)中的重要應用，并對潛在的應用進行展望。

1 光纖光鑷的結構與原理

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構下聚焦，并形成光場的梯度分布。此時，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)光動量傳遞，進而受到光力。具體而言：縱向（垂直光軸方向）梯度力將位于焦點附近的微粒捕獲至光纖光軸，進而在橫向光散射力（沿光軸方向）的作用下運動至焦點；在焦點附近，聚焦光束產(chǎn)生的橫向梯度力將微粒穩(wěn)定捕獲至激光焦點處。通過連續(xù)捕獲介質微粒和細胞，可實現(xiàn)微納結構的有序排列和組裝。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，故需采用強聚焦光束方可獲得較大的梯度力，進而實現(xiàn)微粒的穩(wěn)定三維操控。對于光纖光鑷而言，出射光場的分布強烈依賴于光纖前端形狀。光纖探針前端聚焦效果越強，對應光力也越大，進而可實現(xiàn)低光功率下的穩(wěn)定捕獲，避免對生物細胞的損傷。

圖1 光纖光鑷的結構與原理示意圖[12]

為將光束強聚焦以實現(xiàn)穩(wěn)定捕獲，一般光纖光鑷的前端設計為球形的微透鏡或錐形結構。不同的光纖前端可分別通過拋光、加熱拉伸、化學腐蝕以及高精度機械加工（例如聚焦粒子束切削、飛秒激光加工等）等予以制作。除單光纖實現(xiàn)微粒捕獲外，研究人員也提出采用雙光纖光鑷進行更加穩(wěn)定有效的光學操控[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，而且也易于實現(xiàn)其他功能的操作，例如非球形物體的旋轉操控等[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]等新型光纖來實現(xiàn)光纖光鑷制作，進而實現(xiàn)多元化光操控和生物傳感。

2 單細胞及生物大分子操控

截止目前，光纖光鑷已在單細胞及生物大分子的操控方面取得了重大進展，并成功實現(xiàn)了單個酵母菌[9]、大腸桿菌[11]、小球藻[8]、紅細胞[20]及人體癌細胞[21]等不同生物細胞的穩(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菌在捕獲勢阱中掙扎的動態(tài)過程，通過光勢阱大小計算，可對細菌自身的能量釋放及動能轉換機制進行定量研究[22]。除了三維遷移，光纖光鑷還可實現(xiàn)單細胞的可控旋轉及角取向研究。如圖2c所示，紅細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，此時操控另一根光纖探針，紅細胞將繞不同軸向進行可控旋轉，并可實現(xiàn)細胞的特定取向[20]。除了紅細胞外，光纖光鑷亦被證實可用于研究單個大腸桿菌的角取向[23]。使用雙光纖光鑷還可實現(xiàn)細胞的動態(tài)變形，如圖2d所示，當向雙光纖探針中通入激光后，位于光纖探針中間的紅細胞將在光力作用下沿光纖軸向進行拉伸變形，且變形程度依賴于入射的激光功率[20]。除了細胞操控外，光纖光鑷亦可用于生物大分子的穩(wěn)定捕獲和動態(tài)遷移。相比細胞操控，生物大分子折射率更低，尺寸更小，而且形狀不規(guī)則，易受布朗運動干擾，因而給穩(wěn)定操控帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了克服這個難題，Li等提出在光纖探針前端組裝“光纖探針-微透鏡”復合結構（圖2e），將光局域在亞衍射極限的尺度內，從而產(chǎn)生一個納米光學勢阱，成功實現(xiàn)了對單個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域的重要應用價值。

圖2 使用光纖光鑷實現(xiàn)單細胞及生物大分子操控。（a）捕獲并遷移大腸桿菌[11]，（b）大腸桿菌動態(tài)機制研究[22]，（c）紅細胞可控旋轉[20]，（d）紅細胞動態(tài)變形[20]，（e）捕獲單個質粒DNA[24]

3 多細胞操控及生物光波導組裝

基于光學方法對生物細胞進行精確定位并排列成有序的微結構，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。在單細胞操控基礎上，光纖光鑷亦可實現(xiàn)多個生物細胞的同時操控及順序組織。如圖3a所示，當向光纖探針中通入激光后，溶液中的大腸桿菌將被逐個捕獲并在光纖探針末端形成一維有序的細胞串列，且串列的長度依賴于輸入激光功率[25]。組裝的細胞串列可通過第二根光纖探針進行動態(tài)調整，包括細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可從組裝的細胞串列中取出特定的大腸桿菌并放回不同的位置，實現(xiàn)細胞串列的動態(tài)調整。通過與微流系統(tǒng)相結合，組裝的細胞串列還可實現(xiàn)可控的雙向傳送（如圖3c）。除了大腸桿菌以外，光纖光鑷亦可應用于酵母菌及紅細胞串列的可控組裝和動態(tài)傳遞[27]。組裝的細胞串列可作為生物兼容性的生物光波導，應用于生物系統(tǒng)內部的信號傳輸和探測。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胞波導進行傳輸，此外實驗表明光還可以沿著彎曲的波導進行傳輸[25]。除了同種細胞排列外，光纖光鑷還可以實現(xiàn)不同種類細胞的異質型生物光波導。研究人員基于光纖光鑷實現(xiàn)了大腸桿菌和小球藻的一維周期細胞結構組裝，為研究相鄰細胞之間的信號傳導提供了有效途徑[29]。以上報道的生物光波導只能實現(xiàn)單方向的傳輸，而使用光纖光鑷可實現(xiàn)光學分枝結構組裝[30]，形成多向光波導和光分束器，可以將光沿著不同方向進行傳輸，極大豐富了光子器件在生物納米光子集成中的功能。此外，這些結構可以供多條光學通道進行生物傳感，從而大大提高傳感效率。利用不同細胞所受光力和流體粘滯阻力的差別，光纖光鑷可實現(xiàn)不同種類細胞的可控分離。此外，光纖光鑷還可應用于活體內部細胞器的組裝和操控，如圖3e所示，操控光纖光鑷，可于葉片內部捕獲多個葉綠體并排列成一維及二維的周期性結構[28]。

圖3 多細胞操控及生物波導組裝。（a）組裝不同長度的大腸桿菌串列[25]，（b）雙光纖光鑷實現(xiàn)細胞串列的動態(tài)調整[26]，（c）光流細胞串列雙向傳遞[25]，（d）生物光波導光傳輸特性研究[27]，（e）動態(tài)組裝葉片內的葉綠體[28]

4 細胞成像及探測

除了可實現(xiàn)單細胞及多細胞的動態(tài)操控外，光纖光鑷在細胞成像和生物信號探測方面也有潛在的應用價值。如圖4a所示，當向光纖光鑷中輸入980 nm的激光后，溶液中的上轉換納米顆粒和大腸桿菌細胞可被順序捕獲并進行一維結構組裝。由于上轉換納米顆粒在操控激光的激發(fā)下可發(fā)出綠光，進而可利用“協(xié)同捕獲”的熒光標記方法，實現(xiàn)黑暗環(huán)境下細菌的熒光標記和動態(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胞，通過組裝生物微透鏡，實現(xiàn)對熒光標記的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等細胞的精準操控和熒光成像[32]。由于微透鏡對光的聚焦增強，經(jīng)熒光標記的病菌細胞表面的上轉換熒光強度提高了兩個數(shù)量級，借助普通光學顯微鏡，在黑暗環(huán)境中就可清晰地觀察到單細胞的熒光圖像（如圖4b）。該研究不但將精準光操控與熒光成像融合在病菌細胞的研究中，而且增強了被標記細胞的上轉換熒光強度，有望在生物成像、醫(yī)學診斷等方面的研究中發(fā)揮重要作用。除了細胞成像以外，光纖光鑷在信號探測方面也有潛在的應用價值。如圖4c所示，將組裝好的探針伸入到人體血液內部，移動探針使其尖端靠近血液中的白血病細胞后，再往探針中輸入短波長的紫外光來激發(fā)白血病細胞膜上的熒光蛋白分子，實現(xiàn)對蛋白分子發(fā)出的熒光信號的收集和探測，為探索白血病細胞的病變機理提供了一種高精度、無損傷的光學方法[33]。進一步，可將數(shù)十個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，增強了光與物質的相互作用，可實現(xiàn)對多個納米顆粒和亞波長細胞的高效率捕獲和高精度實時探測[34]。

圖4 細胞成像與探測。（a）單大腸桿菌熒光標記[31]，（b）單細胞增強熒光成像[32]，（c）實時探測血液中的白血病細胞[33]

5 總結與展望

本文從光纖光鑷的結構及操控原理出發(fā)，系統(tǒng)概括了目前光纖光鑷在生物系統(tǒng)中的重要應用，重點闡述了其在單細胞操控、多細胞組裝及生物成像探測領域的關鍵進展。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)療領域發(fā)揮潛在的應用價值。然而，對于光纖光鑷而言，目前的工作僅是其潛在應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及蛋白質等生物大分子的穩(wěn)定捕獲，將有助于我們進一步理解遺傳機理、蛋白合成及基因功能表達。此外，其有望構建多功能、可移植且生物兼容性高的生物光子芯片，實現(xiàn)藥物的靶向傳遞及活體內細胞的精準操控，為生物光子學、微納光子學以及臨床醫(yī)學等交叉學科的發(fā)展提供強有力的技術手段。