美國物理學家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）于2018年獲諾貝爾物理學獎的光鑷（OT），為物理、生物和材料科學等研究提供了顛覆性技術。在過去幾十年里，有多次諾貝爾獎與光鑷操控技術相關。但傳統光鑷面臨著系統復雜、光損傷、操控作用力小、操控顆粒范圍窄、僅適用于透明物體等諸多挑戰，嚴重阻礙其實際應用。
1月9日，記者從中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱“深圳先進院”）了解到，該院醫工所智能醫用材料與器械研究中心杜學敏研究員團隊基于前期的研究基礎，自主研制出了新型光-電鑷原型系統（Photopyroelectric tweezer，PPT），可實現對不同材質、相態和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。
新型光-電鑷原型系統
該光-電鑷能采用比傳統光鑷小7個數量級的光強，產生比傳統光鑷大7個數量級的操控作用力，進而成功實現體積范圍跨越10個數量級的液滴（1皮升至10毫升）操控，并實現細胞離子通道、單個細胞到細胞聚集體的不同尺度操控，為微型機器人、類器官、組織工程和神經調控等重點前沿科技領域研究提供全新工具和方法，其應用前景廣闊。
探索光調控技術新突破
光鑷為微觀世界中“抓得著”物體提供了顛覆性的技術，但仍面臨“光強、操控力小、適用操控對象少”等挑戰。近年來，新型光操控技術利用光響應性智能材料生成的溫度場、電場等，有效降低了傳統光鑷所需的光照強度，顯著增加了操控作用力，但這類技術仍面臨復雜系統、低靈活性、適應性差等關鍵難題，嚴重阻礙了其實際應用。
研發團隊自主研發的高效光-電轉換器
2016年，杜學敏團隊開始在光-電智能材料和靜電鑷領域開展研究工作，基于前期工作基礎，研究團隊開發出全新的光-電鑷。該光-電鑷由兩個核心元素組成：近紅外激光光源和光-電轉換器。其中，在光電轉換器中，包含了研究團隊自主研發的具有高效光熱釋電（光-電）性能的鎵-銦液態金屬顆粒摻雜的聚偏氟乙烯-三氟乙烯高分子薄膜，以及具有減阻、抗污染、消除導電介質形成電荷屏蔽三重功能的潤滑層，通過兩片聚甲基丙烯酸甲酯封裝集成。相關成果此前已發表于《國家科學評論》《先進材料》《科學進展》《創新》等高水平期刊中。
實驗結果表明，研發團隊提出的新型光-電鑷展現出了卓越、穩定的光電轉換性能，僅需每平方毫米2毫瓦的光照強度下即可產生0.26伏的表面電勢，光照強度增加可增強光-電場，即便將表面介質厚度改變范圍為1厘米至10厘米，電導率調整范圍為1.16毫西門子每厘米至91毫西門子每厘米，其光電性能仍能保持有效。
“傳統的光鑷需要的光強度較高，大約為每平方毫米一千萬毫瓦，會存在光損傷的問題，在微觀尺度的調控可能會灼傷甚至殺死細胞。相比之下，新型光-電鑷所需要的光照強度很低，通過高性能的光-電轉換器產生的介電泳力操控物體，以避免光強度對生物樣本的損傷。”杜學敏介紹。
打開微觀調控大門，應用前景廣闊
結合了光場和電場的雙重優勢，新型光-電鑷成功實現了不同場景下的多功能操控，展現出了前所未有的靈活性和適應性。
值得關注的是，相比傳統的光鑷，該光-電鑷所需光照強度低7個數量級，卻能產生操控力高7個數量級，成功實現了不同材質（聚合物、無機物和金屬）、不同相態（氣泡、液體和固體）、不同形狀（球體、長方體、螺旋線）和活魚卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。
團隊搭建的新型光-電鑷操控系統，用于物體跨尺度、普適、多功能操控示意圖
在應用層面，杜學敏團隊研發的新型光-電鑷不僅可以設計成便攜式的操控平臺用于宏觀尺寸物體操控，還可與顯微成像系統集成，研制成顯微光-電鑷操控系統。此外，光-電鑷能實現對5微米至2.5毫米的固體顆粒、1皮升至10毫升液滴的跨尺度操控，具有強大的靈活性和適應性。光-電鑷還可以應用于水凝膠微型機器人組裝和任務執行、不同材質和尺寸顆粒的篩選、活細胞的組裝、單個細胞的操控以及細胞刺激響應等微型機器人和生物醫學領域。
“光-電鑷克服了傳統光鑷的局限性，填補了傳統光鑷無法實現的宏觀和微觀物體操控之間的空白，為機器人、類器官、再生醫學、神經調控等重點前沿科技領域提供新的工具與技術，并拓展其廣闊應用前景。”杜學敏表示。
