于2018年获诺贝尔物理学奖的光镊（OT）为物理、生物和材料科学等研究提供了颠覆性技术。在过去几十年里，有多次诺贝尔奖与光镊操控技术相关。传统光镊利用超强聚焦激光（~ 1×10⁷ mW mm⁻²）产生的光梯度力（皮牛，~ 10⁻¹² N）来操控微纳颗粒，但存在系统复杂、光损伤、作用力小、操控范围窄、仅适用于透明物体等问题。新型光操控技术利用光响应性智能材料生成的温度场、电场等，有效降低了传统光镊所需的光照强度，同时显著增加了操控作用力，但这类技术仍面临复杂系统、低灵活性、适应性差等关键难题，严重阻碍其实际应用。
据麦姆斯咨询介绍，为了解决这些关键难题，杜学敏研究员团队基于前期光响应智能材料和自供能静电镊的研究基础（Science Advances, 2022, 8(27), eabp9369; Matter, 2024, DOI: 10.1016/j.matt.2024.10.019; Advanced Materials, 2017, 29(37), 1702231；National Science Review, 2023, 10(1), nwac164; Device, 2024, 2, 100465; Nanoscale, 2024, 16, 8820），开发出了全新的光-电镊（Photopyroelectric tweezer，PPT），实现了对不同材质、相态和形状物体的非接触、跨尺度、普适、多功能操控。相关成果以“Photopyroelectric tweezer for versatile manipulation”为题，发表在国际期刊The Innovation （IF: 33.2）上。该光-电镊基于铁电高分子材料构建的光-电转换器所产生光-电场，光强比传统光镊小7个数量级，但操控作用力比传统光镊大7个数量级，这使得它能成功操作体积范围跨越10个数量级的液滴（1 pL~10 mL），并实现细胞离子通道、单个细胞到细胞聚集体的不同尺度操控，为微型机器人、类器官和神经调控等重点前沿科技领域研究提供全新工具和方法。
论文上线截图
光-电镊由两个核心元素组成：近红外激光光源和光-电转换器。值得指出的是，光电转换器包含具有高效光热释电性能的镓-铟液态金属颗粒掺杂的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（LMPs/P(VDF-TrFE)）高分子薄膜，以及具有减阻、抗污染、消除导电介质造成电荷屏蔽三重功能的润滑层，通过两片聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封装集成（图1）。该光-电镊展现出卓越且稳定的光电转换性能：仅需2 mW mm²的光照强度下即可产生0.26 V的表面电势，光照强度增加即可轻松增强光-电场，并且即便在表面介质厚度改变范围为1 cm ~ 10 cm时，其光电性能也能保持有效。
图1 光-电镊（PPT）的设计。（A-C）PPT操控系统包含近红外激光光源和光-电转换器，其中光-电转换器由LMPs/P(VDF-TrFE)高分子薄膜、润滑层和两片PMMA封装集成；（D）PPT在光照下能稳定输出电压；（E）随着激光功率密度从2 mW mm²增加到111 mW mm²，输出电压从0.26 V增加到3.34 V；（F）光-电转换能力随表面介质厚度从1 cm增加到10 cm仍有效维持；（G）PPT可在非电导性介质中操纵5 μm的SiO₂颗粒、1 pL水滴和10 mL水滴；（H）PPT在导电性介质中操纵活鱼卵（直径1 mm）和程控1 mm直径的塑料球。 理论模拟结果表明，光-电镊在可产生介电泳力高达46 μN，并结合独特的润滑层设计可防止导电介质引起电荷屏蔽效应，使得其在电导率范围为1.16 mS cm⁻¹ ~ 91 mS cm⁻¹的液体介质中仍能有效操控物体（图2）。
图2 PPT操控机制。（A-C）在非导电介质中，PPT操纵物体的受力Fe, x、Fe, y和Fe, z随着L（辐照光斑中心到物体中心的x轴距离）的变化而变化；（D-F）在导电介质中，Fe, x和Fg决定物体运动动力学；（G）不同介电常数物体、物体在非导电介质和导电介质中的不同位置、不同导电率介质与物体运动速度间的关系。
光-电镊融合了光和电场的双重优势，成功实现了不同场景下的多功能操控，展现出了前所未有的灵活性和适应性（图3）。特别值得一提的是，相比光镊，光-电镊所需光照强度低7个数量级，却能产生操控力高7个数量级，进而成功实现了不同材质（聚合物、无机物和金属）、不同相态（气泡、液体和固体）、不同形状（球体、长方体、螺旋线）和活鱼卵等物体的非接触、普适性、程序化操控。此外，该光-电镊既可以设计成便携式的操控平台用于宏观尺寸物体操控，也可与显微成像系统集成，搭建成显微光-电镊操控系统。光-电镊的强大灵活性和适应性，使其能实现对5 μm至2.5 mm的固体颗粒、1 pL至10 mL的液滴的跨尺度操控。
图3 PPT的跨尺度物体操控。（A）PPT可组装水凝胶机器人，穿越迷宫，并在填充有硅油介质的封闭微流控芯片中运输红色固体货物；（B，C）PPT微观操控系统可编程地操控硅油介质中5 μm直径的聚苯乙烯颗粒；（D，E）PPT操控物体的普适性及与相关技术对比的优越性。
此外，光-电镊还可以应用于水凝胶微型机器人组装和任务执行、不同材质和尺寸颗粒的筛选、活细胞的组装、单个细胞的操控以及细胞刺激响应等微型机器人和生物医学领域（图4）。光-电镊克服了传统光镊的局限性，填补了宏观和微观物体操控之间的空白，为机器人、类器官、再生医学、神经调控等重点前沿科技领域提供新的工具与技术，并拓展其广阔应用前景。
图4 PPT在机器人和生物医学领域的应用。PPT可用于物体筛分、水凝胶珠组，且可以无创组装HUVEC和MSC细胞，在细胞培养基中无创操控活的PC 12细胞。在细胞培养基中操控细胞离子通道，刺激细胞钙流响应。
中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员为该论文的通讯作者，王芳博士、博士研究生刘聪、硕士研究生戴正进为共同第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院郑炜研究员、博士研究生高玉峰、硕士研究生马新岳，以及中国科技大学葛学武教授为该论文的共同作者，他们为该工作提供了大力帮助。该论文获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、广东省重点、深圳市杰青和深圳市医学研究基金等科技项目支持。
https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100742
xm.du@siat.ac.cn
https://ibmd.siat.ac.cn/
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《DNA测序技术及市场-2022版》
《分子诊断技术与市场趋势-2020版》
《循环肿瘤细胞（CTC）分选和检测专利全景分析》
