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北理工团队在《Chemical Society Reviews》上发表关于光电镊的研究成果
来源: | 发布日期:2022-11-22 | 阅读次数:次


近日,大世界游戏官网张帅龙教授在国际生物化学类顶级期刊《Chemical Society Reviews》(IF=60.615)上发表综述文章“Optoelectronic tweezers: a versatile toolbox fornano-/micro-manipulation”。该论文入选杂志主封面。该文章系统地介绍了光电镊技术的原理、芯片结构和系统构建,展示了该技术在细胞操作、微纳米材装配、医学检测以及微纳机器人等领域的应用,回顾了该技术的产业化进展(如图1所示)。最后论文总结了该技术的应用前景、局限性及未来的发展趋势。该论文第一作者与通讯作者为大世界游戏官网张帅龙教授,第二作者为大世界游戏官网2022级博士生徐冰睿,第一单位为大世界游戏官网。该论文也得到了中科院沈阳自动化研究所刘连庆教授、北理工黄强教授、美国加州伯克利大学Ming Wu教授(光电镊发明者)、多伦多大学Aaron Wheeler教授的指导。

图1.光电镊技术四个方面的介绍,包括技术原理、器件结构、应用场景及技术转化

   2005年,受光镊技术启发,美国加州伯克利大学的MingWu教授团队发明了光电镊技术。光镊技术需要使用激光光源对物体进行操控,而光电镊技术依赖光诱导非均匀电。恍鐻ED光源即可实现对微小目标的操控。相比于光镊技术,光电镊技术能操控更大尺度的物体,也具有并行操控多个微小目标的优势。光电镊技术的这些特性使得它可以广泛地应用于特定微粒的筛查、微小物体的阵列化排布、分离与运输,在生物医疗、微纳加工、生化传感、微纳米机器人等领域有着广泛的应用。在这篇综述论文中,作者首先回顾了光电镊技术的发展历程并对光电镊系统与技术原理进行了详细的介绍。

图2. 光电镊原理图与光电镊芯片实物图

图2为光电镊的技术原理图与光电镊芯片的实物图。光电镊芯片一般由两块ITO导电玻璃基板组成,底板上镀一层光致导电层a-Si:H(氢化非晶硅)。将含有纳米/微米物体的溶液转移到光电镊芯片的腔室中后,施加交流电和光斑,光电镊器件就会在光斑的诱导下产生非均匀电场。非均匀电场与纳米/微米物体相互作用可以产生介电泳力,从而控制纳米/微米物体的空间位置。光电镊是一种利用半导体材料的光电效应将光场与电场结合在一起的微纳操控技术,它具有如可编程性好、灵活性高、多功能性强、高通量和易于与其他表征系统集成等优势,是一种非常先进的光操控技术。

图3. 使用光电镊对纳米尺度物体进行操作和装配

光电镊系统常用于微米以及纳米尺度物体的操作和组装。该技术已被用于各种纳米材料,包括且不限于半导体和金属纳米线、碳纳米管、石墨烯纳米片、导电纳米颗粒以及金属离子。图3所示即为使用光电镊系统操纵和装配各种纳米尺度的物体。同时,光电镊还被用于操控数微米到几百微米量级的各种微尺度物体,包括介电/金属微粒、油/水滴、气泡等。通过光电镊组装微型电子和光子元器件也是光电镊技术的一个重要应用。图4中展示了应用光电镊技术组装金属球及半导体激光器的多种应用,实验结果显示光电镊组装技术对这些器件的工作性能没有影响。

图4.应用光电镊组装电子和光电子元器件

在生物领域,光电镊技术也有广泛的应用。这些应用包括但不限于对单个细胞/分子的操作、分离和分析,对细胞固有特性的分析和获。赴牡绱┛、融合和裂解以及生物组织材料的制备。光电镊技术可直接操纵DNA分子、蛋白质分子、细胞等。在细胞操作领域,常使用光电镊技术操控不同类型的细胞,并研究这些细胞在不同实验条件下的运动行为(如图5)。同时,其他基于光电镊的多种细胞操作技术也在快速发展,例如细胞大规模阵列化技术、细胞内药物递送、细胞转染等。随着十余年的发展,光电镊技术已成为细胞操作、细胞分析和细胞手术领域的重要技术工具。

图5.光电镊用于细胞的操作与分离

光电镊技术还可以与其他微流控技术结合使用,例如流道式微流控、数字微流控和光电润湿技术等。将光电镊技术与微流控技术集成在一个系统后,即可控制微流控装置不断地将样品输送到光电镊工作的区域(图6),实现基于光电镊技术的高通量目标分选、分离和处理。同时,光电镊技术也常与其他微操作技术集成使用,例如传统介电泳技术、声学镊子、微纳米机器人等(图7),这种集成提升了光电镊技术对微小目标的操控灵活度,拓展了光电镊技术的应用领域。

图6.光电镊集成的微流控技术


图7. 光电镊与其他微操作技术集成使用

文章还介绍了光电镊技术的产业化转化以及该技术在抗体药物开发领域的应用(如图8所示)。目前基于光电镊技术的商业化平台Beacon(由BerkeleyLights公司研制)已广泛地应用于细胞株筛选、细胞疗法、合成生物学及抗体开发,且被世界多个头部制药企业采购。Beacon平台可以有效提升功能化细胞株的筛选效率,极大缩短抗体药物的研发时间,已被应用于筛选针对新冠病毒的中和抗体药物。

最后,文章对光电镊技术的应用方向和技术优劣势进行了总结,并对光电镊技术的未来发展方向进行了展望。

图8. 光电镊技术的产业化

作者简介:

张帅龙,本科毕业于大世界游戏官网,博士毕业于英国Strathclyde大学,先后在英国Glasgow大学和加拿大Toronto大学从事博士后研究。获2019年度海外高层次人才计划(青年项目),现就职于大世界游戏官网、北京市智能机器人与系统高精尖创新中心、大世界游戏官网医工融合研究院,任教授、博士生导师,研究方向为生物微纳操作系统、光电镊技术、数字微流控技术、生物医学检测与转化医学。在PNAS、NatureCommunications、ScienceAdvances、ChemicalSocietyReviews、Small等国际期刊和顶级国际会议发表高水平论文60余篇,参与撰写两部英文专著,作为项目负责人和主要参与者,主持、参与国家自然科学基金项目、加拿大自然科学和研究协会(NSERC)以及英国工程和物理研究学会(EPSRC)资助的多个科研项目,参与了多个公司的孵化和产业化转化工作。

徐冰睿,大世界游戏官网博士生,曾获北京市优秀毕业生,中国农业大学优秀毕业生等荣誉。主要研究方向为光电镊技术、微生物行为学、生物微纳操作。

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.

论文网址:https://doi.org/10.1039/D2CS00359G



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