光纤镊子技术：突破远程和受限环境捕获实验挑战

光学镊子（optical tweezer，OT，以下简称光镊）是建立在光辐射压原理上，利用激光与物质间进行动量传递时产生力学效应形成的一种三维光学势阱［523］。1986年，美国科学家Ashkin发明并构建了光镊的雏形。最简单的光镊是由激光器、一组特定的空间光学元件（用于扩展和控制光束）、高数值孔径物镜、观察系统和样品架组成［524］。经过几十年的发展，光镊技术已从微米精度的操控与探测发展到了纳米精度的操控与探测，由单光镊到多光镊、由线性光镊到旋转光镊等的发展。然而受限于结构，传统光镊仍存在工作距离小、尺寸大、成本高、便携性和灵活性有限、处理混浊介质或厚样品（如生物物质）时难以聚焦等缺点。因此，近年来一种新型光镊——光纤镊子（optical fiber tweezer，OFT）发展起来，并已呈现逐渐取代传统光镊之势［525－527］。

最常见的OFT是基于两根对齐的光纤，使光纤中发出的激光束沿公共光轴反向传播。由于具有传输强聚焦光束的能力，光纤能够对只有几微米的粒子施加皮牛的力［528］，因此可利用光纤尖端发出的辐射场实现粒子捕获、操纵和/或旋转等。相较于传统光镊，OFT更简单、灵活，体积更小，且可用于在远程和诸如细胞内场景等受限环境中的捕获实验。

由于光与物质相互作用强烈依赖于光场的性质及空间分布，因此，光镊一个特别重要的研究方向是调控光场性质以提高捕获效率和探测精度，并结合各种新型光场，如涡旋光束、非衍射和自修复光束、自加速光束以及矢量光束等，来实现特殊或复杂的操控功能。在这一方面，复合光纤相比传统光纤具有更灵活的调控范围和更高的调控精度。传统扁平光纤端面一般产生发散光束，不适用于捕获实验。因此，为了尽可能优化诱捕性能并实现对不规则形状生物的诱捕，人们在设计复合光纤时特别关注光纤镊子尖端特性和微加工方法。例如球形尖端产生具有高斯轮廓的会聚光束，更有利于进行光学捕获［529］；通过聚焦离子束（FIB）在光纤端面形成的螺旋相位板能够产生带轨道角动量的涡旋光束，可以诱导粒子旋转［530］；又如基于高锥形端面光纤，可实现亚波长粒子的3D捕获［531，532］；此外，采用透镜多芯光纤可以实现多粒子捕获［533］。(www.xing528.com)

目前可利用OFT捕获的颗粒包括介电纳米粒子、合成微球（如聚苯乙烯）、玻璃珠、微棒、生物细胞（如藻类细胞、酵母细胞、红细胞、神经母细胞瘤和卵巢细胞、活的Jurkat T白血病细胞和大肠杆菌）等［524，527，533－540］。2008年，Mohanty等报道使用轴棱锥光纤镊子成功操纵哺乳动物神经元，并通过模式锁定，将光束转换为光纤剪刀，分离神经元来研究神经元对局部损伤的反应［538］。很显然，操纵这样的生物结构比操纵整个细胞本身要复杂得多，因为它们的大小和所能承受的力都非常小，因此对光镊操控精度提出了极高的要求。

OFT的最新发展趋势是精细捕获和传感能力的融合［541－543］。它对给定的细胞或细胞器可以被捕获，然后根据特定参数或变量组合（温度、酸碱度、折射率等）进行评估，甚至治疗。例如，在研究肿瘤细胞或寄生虫时，它可以被来自邻近光纤激光束烧蚀，确保只有被捕获的细胞被破坏，而不会损坏周围的细胞。最新的研究表明，对健康红细胞与对寄生感染的红细胞（如疟疾）所施加激光镊子力是不同的［542］，因此开发基于OFT的力传感器，有望用于涉及微流体技术的诊断和医疗保健。