【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在過去幾十年里，有多次諾貝爾獎與光鑷操控技術(shù)相關(guān)。傳統(tǒng)光鑷?yán)贸瑥?qiáng)聚焦激光(~ 1×107 mW mm-2)產(chǎn)生的光梯度力(皮牛，~ 10-12 N)來操控微納顆粒，但存在系統(tǒng)復(fù)雜、光損傷、作用力小、操控范圍窄、僅適用于透明物體等問題。
 

　　新型光操控技術(shù)利用光響應(yīng)性智能材料生成的溫度場、電場等，有效降低了傳統(tǒng)光鑷所需的光照強(qiáng)度，同時顯著增加了操控作用力，但這類技術(shù)仍面臨復(fù)雜系統(tǒng)、低靈活性、適應(yīng)性差等關(guān)鍵難題，嚴(yán)重阻礙其實際應(yīng)用。
 

　　近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊開發(fā)出了全新的光-電鑷(Photopyroelectric tweezer，PPT)，實現(xiàn)了對不同材質(zhì)、相態(tài)和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。相關(guān)成果以“Photopyroelectric tweezer for versatile manipulation”為題，發(fā)表在期刊The Innovation上。
 

論文上線截圖
 

　　該光-電鑷基于鐵電高分子材料構(gòu)建的光-電轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生光-電場，光強(qiáng)比傳統(tǒng)光鑷小7個數(shù)量級，但操控作用力比傳統(tǒng)光鑷大7個數(shù)量級，這使得它能成功操作體積范圍跨越10個數(shù)量級的液滴(1 pL~10 mL)，并實現(xiàn)細(xì)胞離子通道、單個細(xì)胞到細(xì)胞聚集體的不同尺度操控(圖1)，為微型機(jī)器人、類器官和神經(jīng)調(diào)控等重點前沿科技領(lǐng)域研究提供全新工具和方法。
 

圖1：光-電鑷實現(xiàn)物體跨尺度、普適性、多功能操控
 

　　為了解決這些關(guān)鍵難題，杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊基于前期光響應(yīng)智能材料和靜電鑷的研究基礎(chǔ)，開發(fā)出了全新的光-電鑷(Photopyroelectric tweezer，PPT)，其由兩個核心元素組成：近紅外激光光源和光-電轉(zhuǎn)換器。值得指出的是，光電轉(zhuǎn)換器包含具有高效光熱釋電性能的鎵-銦液態(tài)金屬顆粒摻雜的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(LMPs/P(VDF-TrFE)高分子薄膜，以及具有減阻、抗污染、消除導(dǎo)電介質(zhì)造成電荷屏蔽三重功能的潤滑層，通過兩片聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封裝集成(圖2A-C)。
 

圖2：PPT的設(shè)計及宏觀與微觀操控系統(tǒng)
 

　　該光-電鑷展現(xiàn)出卓越且穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換性能：僅需2 mWmm2的光照強(qiáng)度下即可產(chǎn)生0.26 V的表面電勢，光照強(qiáng)度增加即可輕松增強(qiáng)光-電場，并且即便在表面介質(zhì)厚度改變范圍為1 cm~10 cm和電導(dǎo)率調(diào)整范圍為1.16 mS cm-1 ~ 91 mS cm-1時，其光電性能仍能保持有效。光-電鑷融合了光和電場的雙重優(yōu)勢，成功實現(xiàn)了不同場景下的多功能操控，展現(xiàn)出了前所未有的靈活性和適應(yīng)性。
 

　　特別值得一提的是，相比光鑷，光-電鑷所需光照強(qiáng)度低7個數(shù)量級，卻能產(chǎn)生操控力高7個數(shù)量級，進(jìn)而成功實現(xiàn)了不同材質(zhì)(聚合物、無機(jī)物和金屬)、不同相態(tài)(氣泡、液體和固體)、不同形狀(球體、長方體、螺旋線)和活魚卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。
 

　　此外，光-電鑷不僅可以設(shè)計成為便攜式的操控平臺用于宏觀尺寸物體操控(圖2D)，而且還可與顯微成像系統(tǒng)集成，研制成顯微光-電鑷操控系統(tǒng)(圖2E，F(xiàn))。光-電鑷的強(qiáng)大靈活性和適應(yīng)性，使其能實現(xiàn)對5 μm至2.5 mm的固體顆粒、1 pL至10 mL的液滴的跨尺度操控。
 

　　同時，光-電鑷還可以應(yīng)用于水凝膠微型機(jī)器人組裝和任務(wù)執(zhí)行、不同材質(zhì)和尺寸顆粒的篩選、活細(xì)胞的組裝、單個細(xì)胞的操控以及細(xì)胞刺激響應(yīng)等微型機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(圖3)。光-電鑷克服了傳統(tǒng)光鑷的局限性，填補(bǔ)了宏觀和微觀物體操控之間的空白，為機(jī)器人、類器官、再生醫(yī)學(xué)、神經(jīng)調(diào)控等重點前沿科技領(lǐng)域提供新的工具與技術(shù)，并拓展其廣闊應(yīng)用前景。
 

圖3：PPT在機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
 

　　杜學(xué)敏研究員為該論文的通訊作者，王芳博士、博士研究生劉聰、碩士研究生戴正進(jìn)為共同第一作者，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭煒研究員、博士研究生高玉峰、碩士研究生馬新岳和中國科技大學(xué)葛學(xué)武教授為該論文的共同作者。該論文獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、廣東省重點和深圳市醫(yī)學(xué)研究基金等科技項目支持。