北航冯林/刘明杰AS：用于单细胞或微粒操控的粒子辅助光电镊

Wiley

2025-09-09

研究背景

在生物医学领域，单个细胞或微粒的操控具有重要意义。然而，要在不损伤细胞的前提下实现快速且精准的操控，一直是一个技术难题。传统光电镊技术(optoelectronic tweezers , 简称OET)作为一种非接触式操控手段，能够在微尺度范围内对细胞、颗粒、微结构等目标进行高通量操作，广泛应用于生物芯片、单细胞分析、微流控和智能微机器人等领域。然而，传统OET在直接操控细胞时，往往需要使光斑靠近细胞以增强电场梯度，这种高强度电场和连续光照容易造成细胞膜电位升高、细胞裂解甚至死亡，并限制了OET在活细胞长期操控和敏感样本处理中的应用。因此，探索一种低损伤的单细胞操控方法具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

文章概述

近日，由北京航空航天大学机械工程学院冯林教授与化学学院刘明杰教授领导的科研团队提出了一种新型的单细胞与微粒非接触操控策略——粒子辅助光电镊技术(particle-assisted OET)。该技术基于一个核心原理：受到相同介电泳力类型作用的粒子之间会相互排斥，而受到不同类型介电泳力作用的粒子则会相互吸引。团队利用OET操控Ag-SiO₂微球，使其作为“中介粒子”，通过其介电作用驱动邻近的细胞或微粒。借此，OET的操控范围可扩大至原来的2–3倍，操控速度也显著提升。同时，这一方法可将对细胞造成的损伤降低至传统OET的三分之一，显著提升了生物样本的安全性与生存率。本研究展现了粒子辅助OET在单细胞操控领域的巨大潜力，为细胞与微粒的高效操控提供了全新的解决方案。

图文导读

图1 粒子辅助光电镊系统示意图。(A)OET与粒子诱导介电泳(PiDEP)对粒子的作用机制。(ⅰ)由于OET产生负介电泳力，细胞被推离光斑。(ⅱ)直接使用OET操控细胞可能导致细胞裂解甚至死亡。(ⅲ)Ag-SiO₂微球因OET产生正介电泳力而被吸引进入光斑。(ⅳ)通过Ag-SiO₂微球与细胞间的PiDEP作用来驱动细胞运动。 (B) 在微流控芯片内使用粒子辅助光电镊实现复杂细胞操控的流程。(ⅰ)注入细胞；(ⅱ)注入Ag-SiO₂微球；(ⅲ)通过粒子辅助实现细胞轨迹控制、避障与定点释放；(ⅳ)回收Ag-SiO₂微球。(C) OET系统的整体组成结构。(D) OET系统中光路设计的详细示意图。

图2 使用传统OET对SiO₂和Ag-SiO₂微球直接操控的原理与仿真分析。(A) 通过OET作用力操控SiO₂和Ag-SiO₂微球的示意图。(B) 和 (C) 分别为SiO₂微球和Ag-SiO₂微球的扫描电子显微镜图像。(D) SiO₂与Ag-SiO₂微球的Re(K)值随施加交流电场频率的变化关系。(E) 和 (F) 分别为OET芯片照射区域电场强度模的俯视图和侧视图(蓝色代表低强度，红色代表高强度，白色箭头表示归一化电场方向矢量)。(G) 沿X轴与Z轴方向的电场强度模变化(对应图E与F中白色虚线所示路径，离基底10 μm)。EX和EZ的正值分别表示X轴与Z轴的正方向。(H) 和 (I) 分别为圆形光斑自左向右接近SiO₂与Ag-SiO₂微球的时间序列图(起点标记为蓝色，终点为红色)。(J) 在电导率为2×10⁻³S/m、频率50 kHz、电压为10 Vpp条件下，不同直径(5~30 μm)SiO₂微球的操控速度。(K) 在10 Vpp正弦电压下，直径为20 μm的SiO₂与Ag-SiO₂微球的操控速度随频率变化关系。(L) 在50 kHz正弦波下，直径为20 μm的SiO₂与Ag-SiO₂微球的操控速度随电压Vpp变化关系。

图3 OET系统中的微粒相互作用。(A) OET驱动与PiDEP驱动的SiO₂微球运动对比。(ⅰ)微球P1与P2位于同一起始线。(ⅱ)当光图案缓慢向右移动时，微球P2开始向右运动。(ⅲ)微球P2领先于微球P1。(B) OET驱动两颗SiO₂微球相互靠近。(ⅰ)光图案推动SiO₂微球向中心靠拢。(ⅱ)左侧微球上跳并越过光图案。(ⅲ)两颗微球分别朝相反方向运动。(C) OET驱动与PiDEP驱动的Ag-SiO₂微球运动对比。(ⅰ)微球P4与P5位于同一起始线。(ⅱ)两个光斑缓慢向右移动，微球P4被吸引进入最近的光斑，而微球P5向右运动。(ⅲ)微球P4领先于微球P5。(D) OET驱动两颗Ag-SiO₂微球相互靠近。(ⅰ)光斑将两颗Ag-SiO₂微球吸引至中心。(ⅱ)微球接近时，产生PiDEP排斥力。(ⅲ)左侧的Ag-SiO₂微球脱离光斑向左移动，右侧微球仍被光斑捕获。(E) SiO₂微球与Ag-SiO₂微球之间的相互作用。(ⅰ)微球P7与P8位于同一起始线，较低的光斑捕获一个Ag-SiO₂微球。(ⅱ)两个光斑缓慢向右移动，受吸引性PiDEP作用，微球P8向左运动，而P7保持静止。(ⅲ)微球P8与P9接触，同时P7开始向右移动。(ⅳ)所有微球最终同时向右移动。所有实验均使用50 kHz、10 Vpp的交流信号，溶液电导率为1.9 ×10⁻³ S/m。比例尺：50 μm。

图4 微球间PiDEP作用的仿真分析。(A-C)分别为两SiO₂微球、两Ag-SiO₂微球，以及Ag-SiO₂微球与SiO₂微球之间的交流电场强度分布(蓝色表示电场强度低，红色表示高)。黑色箭头表示微球表面的麦克斯韦应力张量，白色流线表示电场方向。底部的红色标记表示光斑照射区域的宽度。(D-F) 分别表示(A-C)中PiDEP力随微球间距的变化。实线表示仿真结果，方形标记为实验数据。

图5 粒子辅助光电镊细胞操控的影响因素仿真分析。(A) 传统OET操控诱导293T细胞发生裂解与死亡的实验图像。(B)粒子辅助OET细胞操控示意图及操作策略说明。(C) 不同半径细胞的Clausius–Mossotti因子的实部变化情况。(D) 细胞在粒子辅助OET操控过程中的受力分析图。(E) 光斑直径与光强对细胞所受总介电泳力的影响(细胞与微球半径均为10µm，表面间距为10µm，正值表示排斥力，负值表示吸引力)。(F, G) 在有光照与无光照条件下，Ag-SiO₂微球半径对细胞所受总介电泳力的影响(实心点表示曲线的最大值)。(H) 当粒子半径与细胞半径比为2时的电场强度与麦克斯韦应力张量分布图。

图6 基于粒子辅助OET的单细胞操控。(A-D)时间序列显微图像，展示293T细胞在基于粒子的OET作用下沿“NANO”轨迹移动过程。(E, F) 分别为293T细胞在粒子辅助OET驱动下沿直线路径与曲线路径运动的示意图与时间序列图像。起点标记为蓝色，终点标记为红色。(G, H) 在不同运动速度下，比较使用粒子辅助OET与传统OET操控时，光斑与293T细胞之间的距离差异。比例尺：10 μm。(I) 单独使用OET操控下的293T细胞的明场图像、荧光图像及叠加图像。(J) 粒子辅助OET操控下的293T细胞的明场图像、荧光图像及叠加图像。(K) 不同实验条件下293T细胞的死亡率比较。

总结

目前粒子辅助光电镊系统仍面临一定挑战，如控制精度受限、对多目标并行操作的调度能力有待提升等。为此，团队计划在未来引入自动图像识别与轨迹规划算法，构建智能化、多细胞可控的微操控系统，推动其在实际医学诊疗和微型机器人系统中的深度应用。总体而言，粒子辅助光电镊技术为实现非接触、低损伤、高精度的单细胞操控提供了一种全新可行方案，兼具理论创新与工程实用价值，展示了其在微纳操控和生物医学工程领域的广阔应用前景。

期刊简介

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