用于高通量生物粒子操控的柔性、可拉伸片上光学镊子

用于细菌和细胞的微型光套索

想象一下，只用铺设在柔性条带上的光束——可以放置在真实组织上——就能抓取、分拣并研究单个细菌、细胞碎片或甚至病毒大小的颗粒，而无需直接接触。这就是被称为柔性、可拉伸片上光学镊子（FSOT）的新技术所承诺的，它可能帮助医生和研究人员分析病原体、测试药物，并以此前难以实现的方式观察免疫细胞如何攻击入侵者。

为何捕获单个颗粒很重要

许多疾病在早期只留下微小的痕迹：细菌、病毒以及细胞释放到周围环境中的纳米级囊泡（外泌体）。能够逐个捕获并移动这些生物粒子，可以揭示感染如何起始、药物如何发挥作用以及细胞如何相互通信。现有工具——利用声波、电场、磁场或紧凑聚焦的激光束——可以困住颗粒，但它们通常一次只能处理少量、对非常小的目标力有不足，或者必须固定在无法舒适贴合弯曲或运动组织的刚性芯片上。

把肥皂泡变成精密光学元件

研究人员通过在柔软基底上构建微小透镜阵列解决了这个问题。他们首先在超薄肥皂膜上铺散二氧化钛光敏颗粒——每个颗粒只有几微米宽。利用弱激光，他们轻柔地改变薄膜表面张力，将这些颗粒推挤并旋转到精确且紧密排列的模式中，像把弹珠推进完美网格一样。这个有序的微透镜阵列随后被剥离并转移到可拉伸的硅胶上，或直接转移到不平的表面，例如金属管、植物叶片、皮肤甚至肠道组织。当第二束激光穿过阵列时，每个小透镜都会把光压缩成非常窄的光柱，称为光子纳米射流，产生数百到上千个微小亮点，这些亮点像“光套索”一样捕捉颗粒。

高速捕获与智能分选

利用这些光点，团队演示了 FSOT 能够同时捕获大量颗粒。直径从 95 纳米到 2 微米的塑料微珠，以及真实的生物目标——外泌体、埃希氏杆菌和金黄色葡萄球菌以及藻类细胞——都在数秒内被困入有序阵列。基于光的抓取力强弱取决于颗粒尺寸和激光功率：较大颗粒感受到更强的牵引力，而较小颗粒则需要更高功率来保持。通过调节激光强度，研究人员可以选择性地释放某一尺寸的颗粒而保留另一种，从而有效地对混合样品进行分选。例如，他们展示了将功率降低至阈值以下可以释放 800 纳米微珠，而 1 微米微珠仍被固定。这种控制将柔性条带变成了高通量的光学筛。

将光包裹在曲面并拉伸细胞间距

真实的生物表面很少是平的，因此团队在弯曲和起皱的设置上测试了 FSOT。即便当柔软条带被弯曲达 40 度或覆盖在肠道、皮肤或叶片的褶皱上，微透镜仍能将光聚焦到足以捕获数十到数百个颗粒的程度，包括在类活组织上的外泌体。弯曲确实降低了光强和捕获力，但阵列保持完好，颗粒在条带反复弯曲时仍保持有序。拉伸则带来了另一个强大功能：因为透镜之间的间距变大，被困物体之间的距离可以通过拉伸条带来直接调整。科学家利用这一点将单个细菌与单个免疫细胞（巨噬细胞）保持在可控距离，并观察巨噬细胞如何改变形状、伸出“伪足”并最终吞噬细菌。当细菌起始更远时，免疫反应更慢且更弱，揭示了物理间距如何影响细胞间通信。

这对未来医学可能意味着什么

简单来说，FSOT 是一种软性、类可穿戴的光学实验室，能够在复杂表面上抓取并移动数百个微小生物目标，同时还能调节它们彼此之间的距离。通过将柔性、可拉伸性与纳米级精度结合起来，它克服了传统光学镊子和刚性芯片的关键限制。未来，此类装置可用于通过观察大量单细胞的响应来筛选药物，在更真实的环境中研究病原体与组织的相互作用，甚至与可植入或贴肤传感器集成。该工作指向一类温和、基于光的工具，用于探测和控制驱动健康与疾病的微观参与者。

引用: He, Z., Xiong, J., Shi, Y. et al. Flexible, stretchable, on-chip optical tweezers for high-throughput bioparticle manipulation. Light Sci Appl 15, 102 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02199-4

关键词: 光学镊子, 生物粒子操控, 柔性光子学, 单细胞分析, 病原体分选