光学微操作包括利用光捕获和操控微观物体的多种技术，其开创性方法是Arthur Ashkin在20世纪80年代发明的光镊。光镊依赖光学梯度力和散射力来操控微物体，虽然在受控环境中非常有效，但在处理尺寸、形状和折射率不同的目标时存在局限性。此外，光镊使用聚焦激光束，可能会对敏感的生物样本（如细胞）造成损伤。
与光镊不同，光电镊（OET）能够并行操控多个目标，并且由于使用低强度光源，减少了生物损伤的风险。目前，已有研究深入探讨了交流电压和光强度对OET性能的影响，但光图案曲率对OET操控性能的影响仍鲜有研究。
本研究聚焦于光图案曲率如何影响OET系统中聚苯乙烯微粒在负介电泳（DEP）力下的运动，并通过优化光图案设计，提升OET在微操作中的效率和精度。
一、研究团队
在此背景下，北京理工大学张帅龙教授与上海大学刘娜教授团队联合追光生物，依托OptoBot®500光电微流控平台，展开了深入研究，探索了OET微操控的新可能。
近日，研究成果“Optimizing light pattern curvature to improve the performance of optoelectronic tweezers in micromanipulation”已在《Optics Express》期刊上发表。
二、期刊介绍
《Optics Express》是由美国光学学会（Optica Publishing Group）出版的国际光学领域的重要期刊，创刊于1997年，是一本全电子、开放获取的半月刊，2024年影响因子为3.2，为中国科学院二区top期刊。
三、研究亮点
该研究利用OptoBot®500光电微流控平台能够实现纳米颗粒的精准排列和组装、多目标平行操纵等优势，创新探索了光图案曲率对微粒操控的影响。北京理工大学张帅龙教授和上海大学刘娜教授团队在微纳样本操控和生物医学检测领域的丰富经验，结合追光生物在光电微流控技术上的坚实研发基础，共同促成了这一重要技术突破。该成果的发表展示了光电微流控平台在操控细胞等生物靶标、生物医学、材料科学、纳米材料加工和跨学科研究等领域的广阔前景。
四、研究方法
图1.OET系统示意图。(A) OET系统整体结构示意图。(B) 半环形光图案操控聚苯乙烯微粒的实验图像与示意图。(C) OET芯片的结构示意图。
为探索光图案曲率如何影响微粒的运动，研究团队设计了半环形光图案来操控聚苯乙烯（PS）微粒，采用球形结构简化模型，突出微尺度物体大小与光斑之间的协同关系，提供一种可推广的方法。通过实验和数值模拟相结合的方法，深入分析光图案曲率对微粒运动的影响。
图2. 微粒操控实验结果。(A) 直径为10 µm的聚苯乙烯微粒在不同内径光图案下的最大推进速度。(B) 直径为20 µm的聚苯乙烯微粒在不同内径光图案下的最大推进速度。(C) 直径为50 µm的聚苯乙烯微粒在不同内径光图案下的最大推进速度。(D) 不同直径微粒的最大推进速度与χ值的关系图。
实验中，使用不同内径的半环形光图案操控直径为10 µm、20 µm和50 µm的聚苯乙烯微粒，测量微粒在不同光图案下的最大推进速度。同时，利用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟，揭示光图案曲率对水平和垂直方向DEP力的影响。
图3.PS微粒在不同内径光图案操控下电势分布和DEP力的数值模拟。（A） PS微粒和半环形光图案的仿真模型。（B） 微粒的电势分布和模拟的DEP力（由灰色箭头表示）。微粒由内径为50µm并位于光图案边缘的半环形光图案操控。（C） 当微粒被不同内径（15µm、30µm、50µm、70µm和∞）的光图案操控时，微粒周围的电势分布。还指出了微粒在模拟模型中的位置。
五、实验结果
实验结果表明，曲率对水平和垂直DEP力有显著影响，导致微粒的平衡位置和最大速度发生变化。随着曲率的减小，微粒的最大速度先增加到峰值，然后逐渐减小。
光图案曲率对各种粒子而言存在一个最优值，当光图案内径与微粒直径的比值（χ）为5时，微粒在水平和垂直方向上均受到最大的DEP力，从而实现稳定的操控和最大速度的推进，且运动稳定性最佳。
图4.分析不同内径光图案下作用于微粒的DEP力和电场平方分布。
（A和B）DEP力分别在x和z方向上作用于10µm聚苯乙烯颗粒，作为颗粒和不同内径（15µm、30µm、50µm、70µm、∞）的光图案之间距离的函数。（C） 在不同参数“χ”下，作用在平衡位置的10µm聚苯乙烯颗粒上的DEP力（在x和z方向上）。（D） 驱动具有不同内径光图案的微粒的模拟模型示意图。A-A'和B-B'线表示x/y平面中的横截面。（E） 沿A-A’截面的电场平方分布。DEP力与该分布的梯度成正比。（F） 内径为15µm的光图案沿B-B'横截面的电场平方分布。（G） 内径为50µm的光图案沿B-B'横截面的电场平方分布。
这些发现为优化光电镊（OET）的性能提供了重要理论支持，有望推动微操作、微组装和微细加工等领域向更高精度和更高效率的方向发展。
北京理工大学张帅龙教授和上海大学刘娜教授团队依托追光生物自主研发的OptoBot ®500光电微流控平台，凭借高精度微粒操控和灵活的光图案设计优势，在细胞操控、生物医学、材料科学、纳米材料加工及跨学科研究等领域取得突破进展。该技术不仅为光学微操控技术的发展提供了全新视角，更在通过光图案设计实现微粒运动精确控制方面展现了巨大潜力。
随着合作的不断深化与持续推进，OET技术将日益成熟，其应用范围也将进一步拓展。未来，该技术有望在更复杂的生物医学应用中发挥关键作用，例如对细胞等生物靶标的精准操控，为生命科学和医学研究带来新的突破。
粤公网安备44030002004557号
