在微观世界中，科学家们一直在探索如何精确操控微小的物体。近年来，光镊、光电镊、声镊和磁镊技术的出现，极大地推动了微纳操作领域的研究。今天，就让我们一起来了解这些技术的原理、优劣势以及它们在不同领域的应用。
一、光镊技术
光镊技术利用激光束的辐射压力来捕获和操纵微小物体。当激光束通过聚焦透镜时，会在焦点附近形成一个强度很高的光场，从而产生光梯度力，将微粒推向光强最大的区域。
光镊技术原理图
2018年，光镊技术获得诺贝尔物理学奖。
因光镊技术获得2018年诺贝尔物理学奖的科学家阿瑟·阿什金(ArthurAshkin)
优势分析
非接触性:光镊是一种非接触性操作技术，不会对样品造成物理损伤。
高精度:可以实现纳米级别的精确操控。
应用广泛:在生物学、物理学和材料科学等多个领域都有应用。
劣势分析
操控范围有限:光镊技术主要适用于透明或半透明的微粒。
对目标材料有要求:需要微粒具有一定的光吸收或散射能力。
操控力较小:一般在皮牛量级或以下。
应用领域
光镊技术在细胞生物学、DNA分子操控、纳米材料研究等方面有着广泛的应用。
二、光电镊技术
光电镊技术结合了光场和电场操控，通过光束和电场的相互作用来操纵微粒，是追光生物的核心技术。
光电镊原理图与光电镊芯片实物图
图源：Optoelectronic tweezers: a versatile toolbox fornano-/micro-manipulation.《Chemical Society Reviews》
优势分析
适用范围广:适用于各种类型的操控对象，包括金属、非金属微粒、细胞等目标。
操控力较大:操控力可达纳牛以上，可操控较大的目标。
劣势分析
设备复杂:需要同时控制光和电场，设备较为复杂。
需要特殊芯片:相对于光镊技术，光电镊需要搭配特殊的光电芯片。
应用领域
光电镊技术在纳米技术、材料科学和生物医学等领域有着重要的应用价值。以下是公司首席科学家张帅龙教授科研团队关于光电镊的研究成果。
使用光电镊对纳米尺度物体进行操作和装配
应用光电镊组装电子和光电子元器件
光电镊用于细胞的操作与分离
图源:Optoelectronic tweezers: a versatile toolbox fornano-/micro-manipulation.《Chemical Society Reviews》
三、声镊技术
声镊技术利用超声波的声波压力来捕获和操纵微小物体。超声波在介质中传播时，会产生局部的声压，从而对微粒产生作用力。
在复杂散射介质中，通过声波-动量整形移动物体
在静态散射介质中，声波动量成形引导物体的实验演示
图源:Wave-momentumshaping for moving objects inheterogeneousand dynamic media.
优势分析
非侵入性:声镊技术是一种非侵入性操作，对生物样品的损伤较小。
效率相对较高:一次性作用范围大，适用于区域化细胞和组织操控。
劣势分析
精度较低:相对于光镊和光电镊，声镊的操控精度较低，单点操控能力较弱。
需要特殊芯片:需要使用可产生声波的特殊芯片。
应用领域
声镊技术在细胞操控、生物医学研究和药物递送等方面有着广泛的应用。
四、磁镊技术
磁镊技术利用磁场来操纵磁性微粒。通过改变磁场的强度和方向，可以控制磁性微粒的运动。
磁镊系统示意图
优势分析
操控力强:磁场可以提供强大的操控力，适用于较重的微粒。
可控性强:磁场的强度和方向易于调节，操控精度较高。
穿透性强:磁场可用于体内目标操控。
劣势分析
材料限制:需要微粒具有一定的磁性，适用范围有限。
设备复杂:需要复杂的磁场控制系统。
应用领域
磁镊技术在细胞操控、纳米材料研究和生物医学工程等领域有着重要的应用。
光镊、光电镊、声镊和磁镊技术各有其独特的优势和应用场景。随着科学技术的不断进步，这些技术在微观世界的操控中将发挥越来越重要的作用。无论是在基础科学研究还是在实际应用中这些技术都为我们提供了强大的工具，帮助我们更好地理解和利用微观世界。
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