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利用光学镊子控制微型机器人

发布:laserline    |    2019-04-05 15:45    阅读:358
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光镊利用强光场的梯度力来抓取和操纵纳米颗粒、细胞甚至病毒,使细胞分裂、细胞内力和一系列其他生物物理问题的研究日趋成熟。但是光镊强大的光场会损坏一些精巧的活的生物标本。为了解决这个问题,英国三所大学的一组科学家提出了一种不同的光学镊子(Nat.Commun.,doi:10.1038 / s41467-019-08968-7)。该小组的装置不使用光直接捕捉和操纵粒子,而是使用全息光学镊子将粒子推到适当的位置,并以光学方式驱动由机器人控制的微型转子。这些旋转的转子反过来创造了精确的、高度局部化的流体流场,可以在水介质中操纵粒子和生物细胞,而不会因集中的激光功率而造成粒子损坏的风险。该团队认为,这种方法为在水环境中移动生物样品开辟了一些有趣的新应用可能性,例如在微流控芯片中移动生物样品。


由英国三所大学的科学家设计的一个系统使用机器人控制的微型转子,通过直接激光写入和使用光学镊子转动,以流体动力学控制和操纵微小颗粒。该系统可以保护一些样品,例如脆弱的生物颗粒,免受光学镊子直接操作所带来的光损伤。[图片:David Phillips /埃克塞特大学]

许多研究人员已经探索了利用微流体控制来操纵小颗粒的前景,作为光学、磁场或电场方法的替代方法。但传统的流体力学技术涉及外部压力控制器或注射泵,往往产生相对较大的流场。除了感兴趣的颗粒之外,这些流场还可以清除溶液或悬浮液中的其他颗粒,从而有可能污染实验。为了解决这个问题,目前工作背后的研究团队,包括格拉斯哥大学、布里斯托尔大学和英国埃克塞特大学的科学家,开始使用直接激光写作来创造精巧的小流量驱动元件。利用Nanoscribe公司的商用3-D激光光刻系统,研究人员制作了直径约为20微米的圆形三片式塑料转子。每个转子叶片都包括一个小的球状“手柄”,可以被光学镊子抓住。

研究小组将微型转子浸入水相悬浮液中,水相悬浮液中还含有目标颗粒,如5微米半径的二氧化硅珠。然后将悬浮液置于干净的玻璃样品池中,放在实验室制造的全息光学镊子装置的台上,用倒置的显微镜物镜聚焦,并用空间光调制器(SLM)控制。SLM以一种快速可重构的相位模板刻印光束,可用于在样品场中产生多个光学陷阱。两台数码相机实时跟踪每个实验的进展。为了给微转子提供机器人控制,研究人员将镊子装置与计算机软件联系起来,计算机软件实现了一个流体动力反馈回路。来自摄像机的目标位置和速度的实时信息被输入到计算机程序中,求解了不同转子转速与颗粒速度之间的流体动力学矩阵方程,并计算了改变流场所需的转子转速和位置的变化。这些数据被用于反馈回路,以便在镊子上刷新下一个循环的SLM。

利用这个装置,研究小组发现能够利用光镊装置使微型转子旋转,并利用旋转转子产生的流体动力电流围绕微小颗粒移动,并将它们固定在特定的位置。由于每个转子所排出的流体量都是皮升的数量级,因此流场被精确限制,影响附近的目标粒子,但不影响周围的粒子。该团队还能够使用该系统移动和定位单个酵母细胞,同时独立控制多个对象。据作者称,驱动光镊的激光与流体动力捕获和操纵的粒子之间的空间分离足以保护粒子免受光损伤。在研究人员看来,光学控制、自动反馈和可重构性以及精确的流体动力转向的结合可能会打开“各种新的实验范式”。其中一种可能是创造“动态可重构微流控芯片”,光和计算机控制的微转子与粒子一起移动并引导它们通过芯片架构。

来源: Optics Photonics

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