光流控光鑷操控研究進展

施宇智，劉愛群，仇成偉，王占山，程鑫彬*

（1.同濟大學 物理科學與工程學院 同濟大學精密光學工程技術(shù)研究所，上海 200092；2.先進微結(jié)構(gòu)材料教育部重點實驗室，上海 200092；3.上海市數(shù)字光學前沿科學研究基地，上海 200092；4.上海市全光譜高性能光學薄膜器件與應用專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 200092；5.新加坡南洋理工大學 電氣與電子工程學院，新加坡 639798；6.新加坡國立大學 電氣與計算機工程系，新加坡 117583）

1 引 言

光鑷技術(shù)利用光與顆粒之間動量傳遞的力學效應對顆粒進行操控，具有無接觸、操控尺寸小等優(yōu)點[1-2］。自從20世紀80年代Arthur Ashkin教授發(fā)明光鑷技術(shù)以來，該技術(shù)在生物醫(yī)學[3-5］和物理化學[6-7］等領(lǐng)域有著眾多重要的研究和應用價值。William Daniel Phillips、Steven Chu（朱棣文）和Claude Cohen-Tannoudji三人利用光鑷技術(shù)實現(xiàn)原子冷卻，獲得了1997年的諾貝爾物理學獎[8-9］。而Arthur Ashkin教授由于發(fā)明光鑷和利用光鑷實現(xiàn)各種生物醫(yī)學應用獲得了2018年諾貝爾物理學獎[1，10］。光鑷技術(shù)可實現(xiàn)單個顆粒的捕獲[3，11］、傳輸[12-14］等功能，可以分離提純多個細菌和病毒等生物顆粒[15］，從而研究其病理學特性[16］。同時，光鑷技術(shù)還可以用于探究光和物質(zhì)相互作用的本質(zhì)，例如研究和利用手性顆粒所受的手性光學力[17-19］，探測光自旋狀態(tài)[20-22］等。

光鑷技術(shù)早期主要在靜止環(huán)境中對顆粒進行操控。經(jīng)典的單光束光鑷可以在靜止液體中捕獲細菌病毒等細小顆粒[2］。然而，靜止環(huán)境中的光鑷具有一些特定的局限性，例如操控顆粒的速度較低，需要移動光束到達顆粒所在位置；功能比較單一，局限在捕獲、移動和定位等，缺少不同顆粒的有效篩選等功能；操控溶液的通量非常有限，通常為皮升量級。光流控光鑷技術(shù)[23-26］在微流控芯片的基礎(chǔ)上在微通道中引入光鑷，兼具微流控有效傳輸顆粒的優(yōu)點，為光鑷技術(shù)注入了新的活力，可以實現(xiàn)高效分離顆粒[27］等更多的功能。

本文回顧了光流控技術(shù)在光鑷技術(shù)中的研究進展。首先介紹傳統(tǒng)光力的基礎(chǔ)理論和光鑷的典型類型，然后介紹光流控光鑷的優(yōu)勢以及實現(xiàn)的重要應用，最后對光流控光鑷技術(shù)進行了總結(jié)與展望。

2 靜態(tài)環(huán)境中的光鑷技術(shù)

光力根據(jù)顆粒尺寸可以由不同的理論模型求解。而根據(jù)光源以及顆粒的結(jié)構(gòu)不同，光鑷可以有不同的類型，并且各自有著特定的應用途徑。

2.1 光力的基本理論

光子自身帶有動量，當受到顆粒散射、折射或吸收后會將動量傳遞給顆粒，產(chǎn)生推動顆粒前進的力[28］，即典型的光學消光力（Fext），它包括散射力（Fsca）和吸收力（Fabs）。當納米顆粒處于光場中且半徑r遠遠小于波長λ，即r?λ時，自身會被極化成正負電荷的偶極子，從而產(chǎn)生沿著電場強度方向運動的力，即典型的光學梯度力（Fgrad），由瑞利（Rayleigh）模型，它可以寫成[6，29-31］：

其中：r是顆粒半徑，m=n1/n2，n1和n2分別為顆粒和介質(zhì)的折射率，c是光在真空中的波長，I是激光強度。提高激光強度梯度可以一定程度上避免光強度過高對顆粒帶來潛在的傷害，一般認為是最有效地提高梯度力的方法。散射力和吸收力由瑞利模型可得[32-33］：

其中λ是激光波長。由式（2）和式（3）可以看出，對于給定顆粒，消光力與激光能量成正比。由于梯度力和散射力分別正比于顆粒半徑的3次方和6次方，因此，在納米尺度梯度力遠遠超過散射力，致使梯度力所帶來的捕獲現(xiàn)象占主導地位。而當顆粒較大，例如微米級時，消光力大于梯度力，從而將顆粒推離光束中心。當顆粒的尺寸與波長尺度相當，即r～λ，且入射光源為平面波或者球波展開時，顆粒的受力可以用Mie散射模型求解，但受力通常較為復雜，尤其當光場和顆粒較為復雜時，該方法不再適用。當顆粒的尺寸遠遠大于波長，即r?λ時，根據(jù)動量守恒原理，光力可以通過幾何光學方法求解。通過計算光在穿過顆粒前后的動量變化，Minkowski動量法得出的光力可以表示為[34-35］：

其中：Pi，Pr和Pt分別為入射光、反射光和折射光的動量；ni和nt分別為入射和折射介質(zhì)的折射率。在實際應用中，通常需要求解顆粒在復雜光場中的受力，此時則需要用到嚴格的求解法，如Minkowski應力張量法，它可以寫成[36-38］：

其中：δij是克羅內(nèi)克函數(shù)；D=εE以及B=μH，ε和μ分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導率。根據(jù)光在不同介質(zhì)中動量的不同表達方法，光力計算除了Minkowski法，還存在著Abraham，Lorentz，Einstein和Laub法等，通常認為Minkowski法相比其他方法擁有更好的實用性和精度。另一個重要的概念是光彈簧系數(shù)k，它是指顆粒所在位置光力的梯度[1，33］，即，其中x為顆粒的位置坐標。光彈簧系數(shù)越大，則代表光學勢阱U=∫Fdx的深度越大，越有利于顆粒的捕獲。通常認為U＞10kBT時，其中kB和T分別為玻爾茲曼常數(shù)和熱力學溫度，顆粒會被穩(wěn)定地捕獲在光學勢阱中[33］。

2.2 靜態(tài)光鑷的經(jīng)典構(gòu)型

經(jīng)過30多年的發(fā)展，光鑷技術(shù)取得了長足的發(fā)展，各種各樣的多功能構(gòu)型應運而生。近年來，操控對象從微米級的顆粒發(fā)展到納米級別的蛋白質(zhì)等。顆粒受力的形式也從傳統(tǒng)的消光力和梯度力發(fā)展為方向與光傳播方向相反的牽引力，以及垂直于光傳播方向的橫向力等。

單光束光鑷廣泛用于單顆粒的捕獲和移動，在生物醫(yī)學領(lǐng)域應用廣泛。在20世紀80年代Ashkin利用光束光鑷實現(xiàn)了單病毒的捕獲[3］。隨后美國密西根大學團隊用該方法捕獲了HIV病毒，并研究同類病毒之間包膜糖蛋白數(shù)量等特性的差異性[16］。同時，單光束還可以在小鼠血管中之間捕獲單個紅細胞并且控制其疏通或者阻塞血管[39］。澳大利亞昆士蘭大學團隊利用單光束光鑷在斑馬魚體內(nèi)捕獲了耳垂，從而控制其前庭行為[40］。在大分子研究領(lǐng)域，單光束光鑷技術(shù)可以用于測量驅(qū)動蛋白馬達的步進位移[41］等。隨后為了對DNA或蛋白質(zhì)等進行拉伸，單光束光鑷發(fā)展為雙光束光鑷[42］，每一個獨立的光鑷捕獲單個顆粒，而每個顆粒連接DNA的一端，如圖1（a）所示。通過增大兩光束之間的距離，可以對DNA進行拉伸[43-45］。DNA的拉伸還可以使用波導系統(tǒng)，通過相鄰波導捕獲不同顆粒實現(xiàn)[46］。而全息光鑷[47］的出現(xiàn)將顆粒操控提高了一個自由度。借助空間光調(diào)制器，西安光機所姚保利、西安交通大學雷銘、美國紐約大學的David G Grier等團隊用全息光鑷創(chuàng)造出三維立體光場，從而實現(xiàn)顆粒的三維動態(tài)操控[48-53］。與此同時，全息光鑷也為一些奇異光束的構(gòu)建提供了便利，從而帶來了新的操控功能。例如，艾利光束[54］可以沿曲線移動顆粒[55-56］；貝塞爾光束顆粒可以在不同的平面同時捕獲顆粒[57-58］；渦旋光使顆粒沿軌道發(fā)生公轉(zhuǎn)[59-62］，如圖1（b）所示。

然而，自由空間的光束因為衍射極限的緣故，光束的匯聚效果有限，所產(chǎn)生的梯度力較小，因此在捕獲小的生物顆粒例如病毒時，激光能量要超過100 mW[16］。如此高能量的激光會對生物顆粒造成傷害，限制了其生物醫(yī)學應用。在此背景下，一些突破光衍射極限的方法，例如光子晶體光鑷[63-65］、表面等離子光鑷[11，66-69］、光纖探針光鑷[70-73］應運而生。如圖1（c）所示，表面等離子光鑷具有突破光衍射極限的能力，廣泛用于納米顆粒和蛋白等細小生物顆粒的捕獲[68］。但金屬本身的吸光發(fā)熱效應，會在其局部產(chǎn)生較高的溫度，對生物顆粒會造成潛在的不可逆?zhèn)?。因此，全介電質(zhì)材料所構(gòu)成的光鑷系統(tǒng)在操控生物顆粒方面更具優(yōu)勢。如圖1（d）所示，光纖探針光鑷有著良好的光會聚能力，同時可以很方便地移動到幾乎任意的位置，因此受到了廣泛的關(guān)注。暨南大學李寶軍團隊利用光纖光鑷實現(xiàn)了細胞內(nèi) 超 衍 射 極 限 成 像[70，73］、多 自 由 度 生 物 顆 粒 操控[72］等生物醫(yī)學應用。

近年來，一些特殊的反直覺光力，例如光學牽引力[28，38，74-77］等引起了大家廣泛的興趣。光學牽引力是指一類使顆粒沿光傳播的相反方向運動的力，與消光力的方向相反。通常需要依靠特殊的光束如貝塞爾光[38］、特殊的介質(zhì)或環(huán)境如非線性光學介質(zhì)[75］和諧振腔[78］、特殊的顆粒如核殼結(jié)構(gòu)[79］、不同顆粒直接耦合[80］或者不同介質(zhì)之間的動量轉(zhuǎn)換[81］等來產(chǎn)生較強的前散射，如圖1（e）所示。另一種光鑷構(gòu)型光熱電光鑷[82-84］，以其較低的用于操控的激光能量、較小的操控尺寸，以及較大的捕獲范圍，在捕獲、傳輸和分離蛋白等細小生物顆粒方面得到了廣泛的應用，如圖1（f）所示。但該技術(shù)與等離子體光鑷都存在著金屬材料吸收光發(fā)熱現(xiàn)象，對生物顆粒的活性會造成一定的影響，阻礙它們在生物醫(yī)學方面的應用。

最近，深圳大學的袁小聰和閔長俊團隊將石墨烯引入到光鑷系統(tǒng)中，利用石墨烯優(yōu)良的光電性能，將光鑷捕獲納米顆粒所需的激光能量降低了兩個數(shù)量級，并且擁有很大的操控空間范圍[85］。該技術(shù)在生物顆粒操控以及生物傳感領(lǐng)域擁有巨大的潛在應用。同時，該團隊在等離子光鑷以及非線性光鑷等領(lǐng)域也有著眾多開創(chuàng)性的研究成果[66，86-88］。

2.3 特殊顆粒的操控

特殊顆粒如手性顆粒[19，89-93］可以誘導另一種特殊的光力，即光學橫向力[18-19，92，94-96］。該力的方向垂直于光的傳播方向。研究人員發(fā)現(xiàn)在線偏振光的照射下，通過螺旋形手性顆粒和界面的耦合可以產(chǎn)生橫向散射，從而產(chǎn)生橫向力[19］。此外，手性顆粒在消逝波中表面等離子激元的作用下也可以產(chǎn)生光學橫向力[97］。澳大利亞悉尼科技大學團隊發(fā)現(xiàn)特殊摻雜的顆?？梢燥@著提高捕獲彈簧系數(shù)和梯度力[98］，從而降低顆粒捕獲所需的激光能量，在生物顆粒的操控方面有著巨大的潛在應用。如圖2（a）所示，利用Janus顆粒在光束中受熱不均勻原理，可以在電場的幫助下構(gòu)造一個微型馬達[99］。通過光鑷調(diào)控顆粒的旋向，實現(xiàn)了顆粒向特定的位置移動。如圖2（b）所示，金涂層包裹的中空玻璃球在不同偏振光的作用下可以沿著光傳播方向或相反的方向運動，還可以停止在光束中[100］。

其他的一些特殊結(jié)構(gòu)或特殊材料顆粒，如核殼顆粒[76］、增益顆粒[101-103］、三角盤[104］、二維螺旋結(jié)構(gòu)[105］和組合顆粒[106-108］等對光場也有著特殊的調(diào)制作用，可以產(chǎn)生特殊的光力和光力矩。值得注意的是，得益于納米加工技術(shù)和納米光學技術(shù)的發(fā)展，帶有細小超構(gòu)結(jié)構(gòu)的微粒在光的激發(fā)下展現(xiàn)出可控的橫向或者二維運動能力，形成了“微納超結(jié)構(gòu)機器人”。最近瑞典查爾姆斯理工大學團隊[109］設(shè)計加工了一種超表面微驅(qū)動器，能夠在線偏振光和圓偏振光的驅(qū)動下分別沿直線運動和軸向轉(zhuǎn)動，從而通過控制光的偏振態(tài)實現(xiàn)了一種二維光驅(qū)動微型馬達。北京理工大學的張帥龍團隊開發(fā)了一系列以微齒輪為主的光電鑷驅(qū)動的微機器人，可應用于細胞隔離、克隆擴增等[110-111］。

3 光流控光鑷操控芯片

盡管靜態(tài)光鑷技術(shù)近30多年來得到了長足的發(fā)展，但它也存在一些不可避免的局限性。例如，操控顆粒的數(shù)量有限，一般為單個或多個；捕獲顆粒的效率不高，通常依賴于先觀察再捕獲，很難捕獲一定溶液中的任意顆粒；操控溶液的量較低，通常為皮升量級；功能單一，通常為捕獲和移動等。如圖3所示，光鑷與光流控相結(jié)合而成的光流控光鑷技術(shù)，對傳統(tǒng)光鑷技術(shù)進行了改進，有望突破現(xiàn)有的應用限制。

3.1 光流控光鑷顆粒篩選技術(shù)

光流控技術(shù)兼具微流控系統(tǒng)對顆粒良好的傳輸特性，與光鑷技術(shù)結(jié)合，可以實現(xiàn)很多靜態(tài)光鑷不具備的功能，典型之一是顆粒篩選。顆粒篩選在物理、化學和生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有十分重要的意義。例如，特定尺寸的顆粒具有獨特的光學特性，該特性在化妝品行業(yè)顯得非常重要。此外，分離特定尺寸的生物顆粒有利于其提純和生物特性研究。

單個高度束縛光場通常只用于單個或多個顆粒的捕獲，缺少顆粒的區(qū)分能力。而一些靜態(tài)環(huán)境中顆粒的分離方法，如干涉條紋法[15，17，112］、光纖法[113-114］等僅僅能夠分離少量處于光場范圍內(nèi)的顆粒。英國圣安德魯斯大學團隊[115］利用兩種不同波長的激光產(chǎn)生相向傳播的消逝場，在兩種不同大小的金屬顆粒上通過等離子體諧振產(chǎn)生相反的光力，實現(xiàn)了顆粒分離。在流體中，較弱發(fā)散、低數(shù)值孔徑的高斯光可以產(chǎn)生弱衰減的光力，與流體力共同作用，將不同大小或折射率的顆粒捕獲在不同位置，這就是光學層析法。該方法的基本原理為流體流向和光朝著兩個相反的方向，產(chǎn)生方向相反的流體力和光力。由于弱發(fā)散的高斯光在傳播方向具有梯度，而顆粒的受力跟尺寸呈線性關(guān)系。因此，不同大小的顆粒在流體力和光力的平衡下被捕獲在光束的不同位置。然而，傳統(tǒng)光學層析法無法捕獲和分離納米顆粒，僅適用于數(shù)量很少的顆粒的分離。為了提高顆粒分離的數(shù)量，英國圣安德魯斯大學團隊[116］利用全息光鑷構(gòu)建了一個光學勢阱陣列，通過調(diào)控光力和流體力，實現(xiàn)了不同尺寸微米顆粒的連續(xù)分離，如圖4（a）所示。該方法的不足是流速較慢，顆粒分離的效率和通量不高。為了解決這個問題，美國Genoptix公司的研究人員[117］設(shè)計了一個光學開關(guān)，通過探測不同細胞的熒光信息，選擇性地使用激光光束對細胞進行照射，從而利用光學散射力將指定細胞推動到特定的出口通道中，如圖4（b）所示。該方法使用超過10 W的激光能量，能夠在25 mm/s的流速下實現(xiàn)細胞的篩選，但如此高功率高能量密度的激光或多或少會損傷生物樣品，實際應用的局限性較大。

大部分的光流控光鑷方法僅僅能夠篩選微米級別顆粒，這歸因于所用光學勢阱的彈簧系數(shù)較高，大于10-8N/m，致使顆粒分離的尺寸和精度分別約為300和50 nm。新加坡南洋理工大學團隊[33］明確區(qū)分了顆粒在光力和流體力作用下的阻尼狀態(tài)對顆粒操控和尺寸分離的作用，發(fā)現(xiàn)“松散過阻尼系統(tǒng)”可以分離不同尺寸的納米顆粒，精度達納米量級，如圖4（c）所示。用集成在光流控芯片中的微透鏡產(chǎn)生了準貝塞爾光束，構(gòu)建了光彈簧系數(shù)為10-10～10-8N/m的過阻尼系統(tǒng)，成功分離了半徑從30～50 nm的金顆粒，精度達5 nm。這在精密分離細菌等細小納米顆粒方面具有廣闊的應用前景。此外，在松散過阻尼系統(tǒng)中顆粒具有微米量級的振動幅度，比捕獲在傳統(tǒng)光鑷中顆粒的振動幅度高2個數(shù)量級。該團隊[118］隨后在Kramer單一顆粒跳躍理論的基礎(chǔ)上，揭示了光學勢阱間的多顆粒跳躍機制，如圖4（d）所示。通過對微通道中光學力和流體拖曳力的調(diào)控，可精密控制顆粒在多個光點間跳躍。捕獲在勢阱中的細菌自身無法跳躍，當與其特異性抗體結(jié)合后，會與可跳躍的顆粒結(jié)合，實現(xiàn)細菌和顆粒共同跳躍；當細菌與其非特異性抗體接觸后，無法與可跳躍的顆粒結(jié)合，由此，實現(xiàn)了細菌和其特異性抗體的篩選。通過統(tǒng)計跳躍細菌的比例，可以在單細菌水平測量細菌與抗體的結(jié)合效率。這為單細菌水平研究生物顆粒間的相互作用提供了新思路。

松散的過阻尼系統(tǒng)能夠?qū)⒉煌笮〉膩?00 nm的顆粒分離在不同位置，但顆粒在捕獲位置的微米級振動給其位置帶來了一定的不確定性。為了解決此問題，美國卡拉克森大學團隊[119］設(shè)計了一個可調(diào)的相位梯度場，通過調(diào)控相位來改變光力。在光力和流體力的平衡下，不同大小的顆粒被捕獲在不同的位置，且不同顆粒平衡位置的距離可以通過相位進行調(diào)控。

3.2 大量納米顆粒篩選技術(shù)

前文提到的遠場光鑷篩選技術(shù)廣泛采用單個、多個匯聚的光束，操控顆粒的數(shù)量較少，且由于衍射極限限制，對幾百納米的細菌和尺寸更小的病毒施加的光學力較小，操控所需的激光功率過大，對生物顆粒造成損傷。近場光學可以突破光的衍射極限，克服微流施加的拖曳力對勢阱的破壞，實現(xiàn)大量生物顆粒的操控。但是如何把光局域到遠小于波長尺度，產(chǎn)生很深的光學勢阱來有效操控大量的細菌病毒仍然存在很大的挑戰(zhàn)。

為了分離大量生物顆粒，武漢大學團隊[27］利用沖擊流在高速流場中形成流速極慢的點，從而在該點附近依據(jù)不同大小顆粒所受的光力不同，實現(xiàn)納米顆粒的快速分離。新加坡南洋理工大學團隊[120］提出了雙波導近場光鑷陣列構(gòu)型，如圖5（a）所示。利用光在相鄰波導的耦合創(chuàng)造了大量臨近的亞波長尺度的光點（勢阱），且每個光點擁有相似的光場分布，突破傳統(tǒng)全息等方法很難創(chuàng)造均勻的亞波長尺度光點陣列的局限。通過控制輸入激光的功率調(diào)控不同大小的顆粒所處光學勢阱的深度，分別捕獲和釋放勢阱較深和較淺的顆粒，從而選擇性地捕獲和分離大量100～500 nm的顆粒。該技術(shù)有利于同時捕獲大量顆粒，研究其特異性。同時，該團隊[36］還利用該耦合勢阱陣列實現(xiàn)了相鄰勢阱對桿狀顆粒施加扭轉(zhuǎn)力矩的控制，如圖5（b）所示。球狀細菌由于尺寸與單一勢阱范圍相近，被捕獲在單一勢阱中。而桿狀的細菌由于長度超過單一勢阱范圍，會受到相鄰勢阱施加的力矩作用，從而發(fā)生扭轉(zhuǎn)離開勢阱，無法被穩(wěn)定捕獲，由此分離了體積相近的球狀金葡菌和桿狀大腸桿菌。該方法開創(chuàng)性地克服了當前顆粒分離技術(shù)很難分離體積相近、形狀不同的細菌的技術(shù)難點，對于分離溶液中不同形狀的生物顆粒具有重要的意義。

盡管光流控光鑷篩選技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)大量納米顆粒的分離，但目前普遍存在操控通量較低（大多為納升及以下量級），顆粒極限為200 nm等局限性。要突破以上局限，需要同時優(yōu)化光場和流場，使得光場能夠產(chǎn)生足夠大的光力來克服流體拖曳力的影響，且流場能夠穩(wěn)定和準確地將顆粒傳輸?shù)焦鈭龅挠行ё饔梅秶鷥?nèi)。

3.3 光流控光鑷操控生物顆粒

光流控芯片中的微流能夠高效傳輸特定物質(zhì)到目標區(qū)域，從而對其進行捕獲和檢測。美國加州大學圣克魯斯分校的研究團隊[121］開發(fā)了一種電光鑷子，采用空間光調(diào)制器控制的反共振反射光波導在極低能量下捕獲單個細菌，實現(xiàn)對單個微生物的熒光檢測。如圖6（a）所示，荷蘭代爾夫特理工大學的研究團隊[122］在光流控芯片的微通道中用光子晶體以1 mW以內(nèi)的激光能量捕獲單個枯草芽孢桿菌和大腸桿菌，展示了強大的片上操控能力。光子晶體腔中的模場還可以用來激發(fā)熒光，從而構(gòu)建雙光子或多光子顯微系統(tǒng)[123］。通過透射譜的偏移可以區(qū)分不同質(zhì)量的細菌[124］。

要想實現(xiàn)微通道中更小顆粒的捕獲，例如蛋白質(zhì)和DNA等，需要更強匯聚的光場來產(chǎn)生更大的光學力。缺陷模光子晶體能夠產(chǎn)生很強的束縛光場，但是用于捕獲微通道中細小生物顆粒的有效光點數(shù)量通常是單個或者多個，導致捕獲的顆粒數(shù)量有限、效率較低，且功能單一。為了提高微通道中顆粒的捕獲效率，美國康奈爾大學的研究人員[13］利用尺寸幾十納米的槽波導成功捕獲了直徑幾十納米的聚苯乙烯顆粒和RNA顆粒，并利用光學散射力推動顆粒在槽中進行直線運動，如圖6（b）所示。由于近場光場的范圍只有幾百納米，而槽波導所在的微通道的厚度達到5 μm，因此大部分顆粒都不在有效捕獲范圍內(nèi)，捕獲過程依賴顆粒的隨機運動，因此效率仍然不足25%。

3.4 光流控光鑷操控病毒

病毒大流行是聯(lián)合國認定的全球災難風險之一。2019年新冠病毒的暴發(fā)給全球帶來了深重的災難，有效地檢測病毒是疫情防控的關(guān)鍵。目前，病毒的商業(yè)化檢測方法主要包括酶聯(lián)免疫吸附法（Enzyme Linked Immunosorbent Assay，ELISA）、膠體金免疫法和化學發(fā)光法、聚合酶鏈式反應法（Polymerase Chain Reaction，PCR）等。廣泛采用的PCR是核酸檢測的“金標準”，但它對操作人員和設(shè)備的要求比較高，檢測時間通常要幾個小時。更具限制性的是：實時熒光定量PCR法只能檢測熒光到達預先設(shè)定閾值循環(huán)數(shù)（Ct值）所對應的最小病毒數(shù)。如果病毒數(shù)小于閾值，無法被檢測，而處于窗口期的病人體內(nèi)所含有的病毒量往往較少，可能導致假陰性。因此，亟需一種能夠在病毒感染早期快速捕獲、檢測體液中單病毒的技術(shù)，有助于篩選感染人群，提升對病毒的早期防控能力以及單病毒的研究。

光鑷技術(shù)是有望實現(xiàn)高通量單病毒快速操控和檢測的技術(shù)。病毒的尺寸一般比細菌或細胞小1～2個數(shù)量級，尺寸越小，顆粒所受的光學勢阱深度越淺，操控難度越大。如圖7（a）所示，傳統(tǒng)的單光束光鑷可以捕獲微通道中的病毒，并且研究病毒的特異性，例如折射率、包膜糖蛋白數(shù)等[16，125］。一維光子晶體可以用更低的激光能量提供更大的光力，從而更有效地捕獲病毒，如圖7（b）所示。捕獲其中的病毒可以與抗體結(jié)合，通過分析病毒的布朗運動得出病毒上結(jié)合的抗體數(shù)[126］。該技術(shù)可以用來研究幾十納米尺寸的生物顆粒與其他生物分子的相互作用機制。

為了提高病毒的捕獲效率，改變傳統(tǒng)波導系統(tǒng)無法直接捕獲病毒的現(xiàn)狀，新加坡南洋理工大學團隊[127］使用免疫分析法，將病毒與細菌尺度的顆粒以及熒光量子點結(jié)合，用光點陣列在低通量下捕獲了病毒和顆粒復合體，效率接近100%，如圖8（a）所示。由于病毒和顆粒復合體的熒光亮度在病毒量較少的情況下與顆粒上的病毒數(shù)量成正比，通過分析熒光亮度量化微通道中的病毒，實現(xiàn)了單病毒的間接捕獲和檢測。為了直接對微通道中的單病毒進行捕獲和檢測，該團隊[14］提出一種新型的全介電質(zhì)Si3N4納米孔光鑷陣列構(gòu)型，該構(gòu)型具備更強光場局域能力和更深的勢阱深度，產(chǎn)生的光學力克服了低流速流體拖曳力的影響，而且材料對光無吸收，解決了常用的金屬材料產(chǎn)生光熱效應降低生物顆粒活性等問題，實現(xiàn)了低通量無修飾病毒的多功能操控，如圖8（b）所示。通過調(diào)控激光的尺寸和功率，可以實現(xiàn)單病毒的捕獲、傳輸和定位，以及在納米孔內(nèi)選擇性隔離大量特定尺寸的病毒，進行分離和提純。

4 特殊光力和力矩

4.1 手性光力

手性顆粒在材料科學和醫(yī)藥行業(yè)有著重要的應用價值。研究手性顆粒所受的光力有利于探究光和手性等特殊顆粒相互作用的機制、開發(fā)不同手性狀態(tài)顆粒的篩選技術(shù)。

大部分的手性光力研究停留在理論層面，根據(jù)手性顆粒在不同手性光的激發(fā)下所受散射力不同，法國波爾多大學的研究人員[91］在微通道中分離了不同手性的顆粒，如圖9（a）所示。而光學橫向力是光與顆粒相互作用產(chǎn)生的垂直于光傳播方向的力，在操控手性顆粒上有著獨特的優(yōu)勢，但該力在實驗中容易被量級較之更大的梯度力所覆蓋，難以單獨用它操控手性顆粒。法國波爾多大學的研究人員還設(shè)計了一個光學Stern-Gerlach實 驗[89，128］，通 過 調(diào) 控 光 的 手 性 梯 度 產(chǎn) 生光學橫向力，從而將不同手性的顆粒進行了分離，如圖9（b）所示。手性顆粒在手性束縛光束中也隨著顆粒和光手性的不同，呈現(xiàn)捕獲和排斥現(xiàn)象[129］。如圖9（c）所示，西安交通大學團隊揭示了光與放置在空氣和水界面微米尺寸的手性顆粒相互作用下在手性顆粒上產(chǎn)生非對稱橫向動量偏移的機理[92］，由此得到了可以操控手性顆粒的光學橫向力。該橫向力的大小和方向隨光的偏振、入射角、顆粒的手性狀態(tài)變化而變化，改變了傳統(tǒng)理論預測的橫向力方向只與顆粒手性狀態(tài)有關(guān)的認知。在實驗中，利用條狀線偏振光巧妙弱化了梯度力，消除了它對橫向力的干擾，從而利用光學橫向力使得不同手性的顆粒沿著相反的方向運動，從而分離了不同手性狀態(tài)的顆粒。

手性光力可以通過顆粒的布朗運動[129］、流體力[92］或原子力顯微探針[130］測量。然而，目前的手性光力一般較小，離實際分離手性分子等應用還有較遠的距離。研究發(fā)現(xiàn)，力的增強可以由增強顆粒的手性值和折射率等手段實現(xiàn)。而電磁四極子、六極子等多極子相互疊加形成的復合多極子模式可以極大增強光學橫向力[96］，如圖9（d）所示。復合多極子模式通過不同模式之間的耦合和轉(zhuǎn)換，可以將手性橫向力增強數(shù)百倍，并跟散射力同一量級。這在增強手性光力，以及用手性光力分離手性顆粒等方面具有重要意義。

除了手性光力，一些特殊的光和物質(zhì)相互作用的機制近年來被人們廣泛探究，也發(fā)現(xiàn)了一些新的光力類型。南京大學王慧田團隊探究了來自光偏振態(tài)的旋度產(chǎn)生的光軌道角動量，并用其旋轉(zhuǎn)顆粒[131］；自旋角動量和軌道角動量的轉(zhuǎn)換可以產(chǎn)生周向光力對顆粒旋轉(zhuǎn)或者產(chǎn)生橫向光力[95，132-133］；相位梯度可以產(chǎn)生光力推動顆粒沿曲線運動等[119，134］。

4.2 光力矩

光力矩廣泛存在光學操控中，在生物醫(yī)學[135-137］、物 理 學[105，138］和 量 子 科 學[139-140］等 領(lǐng) 域 應用廣泛。線偏振光可以將偏振不對稱性顆粒排列成與光偏振方向一致[36］。

光力矩的方向通常與圓偏振光中光子自旋方向一致，即所謂的正力矩。光力矩隨著材料吸收的引入而增加，并且隨著多極子的出現(xiàn)得到進一步增強[104］，如圖10（a）所示。美國加州大學伯克利分校的研究人員[95］發(fā)現(xiàn)，通過激發(fā)等離子體手性轉(zhuǎn)子中的高階模式，力矩的方向與光子自旋方向相反，即所謂的負力矩。負力矩還存在于雙各向異性顆粒[141］、相位磁滯盤[142］、顆粒簇[143］、楔形顆粒[144］和三棱柱[145］等中。如圖10（b）所示，復合多極子模式進一步疊加形成的超復合多極子模式[101］，可以極大增強增益材料顆粒中的力矩。在顆粒的散射截面譜中，該超復合多極子模式存在于兩條擁有不同復合多極子模式的譜線的交點。超復合多極子模式相比由多極子疊加形成的復合多極子模式，是模式的進一步疊加，可以對顆粒產(chǎn)生更大的散射截面、施加更大的光學力和力矩，為光鑷操控提供了新的思路。

5 總結(jié)與展望

光鑷與光流控融合成光流控光鑷技術(shù)，為光學操控帶來了更多的機遇。光流控光鑷技術(shù)將早期光鑷技術(shù)的靜態(tài)環(huán)境操控提升到動態(tài)操控，從而大大提高操控顆粒的數(shù)量和效率；通過流體的傳輸作用，輔助光鑷快速捕獲溶液中的任意顆粒，且對其特性進行高精密測量；大大提高操控溶液的通量，使通量從傳統(tǒng)靜態(tài)光鑷的皮升提高到微升甚至毫升量級；豐富了顆粒操控的功能，在顆粒篩選、快速捕獲、動態(tài)排列和高精度探測等方面具有重要的應用。

但光流控光鑷目前在很多方面仍然具有很大的改進空間。例如，大部分的顆粒篩選技術(shù)通量較低，為納升及以下量級，進一步提高通量則需要極高的激光能量，如數(shù)瓦或更高。顆粒大量篩選的尺寸極限約為200 nm[108］，提高尺寸極限則會大大降低顆粒數(shù)量和篩選速度。亟需一種能夠高速高通量篩選納米顆粒的技術(shù)，這有助于實現(xiàn)很多生物醫(yī)學應用，例如體液中高效分離病毒和外泌體[146］等。要想實現(xiàn)此功能，則需要同時優(yōu)化光場和流場，以獲得更大的光力，在更高速的流體中完成顆粒操控。

對于細菌和病毒等顆粒的操控，目前的研究僅僅局限于研究顆粒本身的性質(zhì)，例如質(zhì)量、折射率、包膜糖蛋白數(shù)等，卻忽略了捕獲的細菌病毒等與其他生物顆粒如抗體、細胞等的相互作用，致使應用點有限。未來或可從生物顆粒間相互作用機制出發(fā)，開發(fā)抗體，人工藥物等在單細胞尺度的篩選和檢測的方法。

目前，光流控光鑷探測和利用的特殊力和力矩量級較小，實驗現(xiàn)象不是很明顯，未來可以從光和物質(zhì)相互作用原理出發(fā)，找出更強的相互作用方案，來提高特殊光力和光力矩的可探測性，以實現(xiàn)特定的應用。此外，隨著納米加工技術(shù)和微納光學的發(fā)展，光驅(qū)動機器人目前受到了廣泛的關(guān)注，有著眾多生物醫(yī)學應用的潛力[147］。未來可以從藥物傳輸與混合、癌癥靶向等實際應用出發(fā)，設(shè)計出多自由度的光驅(qū)動納米機器人?？梢灶A見，光流控光鑷操控技術(shù)將會在生物醫(yī)學和物理科學等領(lǐng)域得到更加廣泛的應用。