复杂聚合物微工具的光操控

6 复杂聚合物微工具

1 引言

在微米和纳米尺度上进行机械操控、驱动或传感正成为生物纳米技术中的重要工具。随着微流控技术的发展，研究有趣生物过程的区域已缩小到这一尺度。在这些任务中，需要将目标物体从一个位置移动到另一个位置，改变其取向和形状，并监测从微观到纳米级的相应响应，无论是力学还是生物化学方面的响应。对分析物的局部检测也是需要在微米尺度上完成的任务之一。

对于此类操控或检测任务，已有多种工具可供使用，包括微移液管、磁性颗粒、原子力显微镜[1–3]或利用微机电系统技术提供的方法[4,5]。在微米尺度系统中，有意义的作用力通常低于纳牛顿范围。然而，通常希望目标物体与驱动器之间不发生刚性机械接触。此时，可通过外场如声学[6],电[7],磁[8],或光场直接作用于目标物体，或通过某种中介工具实现驱动。在这种操控方案中，力的作用范围可低至皮牛顿至飞牛顿范围。

光学微操作[9–13],是本研究的主题，已成功用于研究生物大分子、蛋白质、脱氧核糖核酸[14–16],细胞器[17–21]或整个细胞的功能或特性。在这些实验中，待测物体可被直接操控，或间接操控；在后一种情况下，光场作用于球形电介质微珠，再通过机械耦合方式作用于待操控的物体。球形珠粒因其易于使用和成熟的表征方法而具有实用性。采用具有复杂形状的微工具将允许更复杂的操控方案，实现更多类型的运动。微珠在操控实验中通常用于平移操作，但当这些物体由双折射材料（例如，球霰石[22]）制成或具有准球形形状（形状双折射[23]）时，它们可以被旋转，转速甚至高达5 MHz[24]。

复杂形状的微工具提供了进一步生成旋转运动的可能性，从而实现对其位置和姿态的全面控制，扩展了间接操控的应用范围。此外，由于其尺寸较大，作用点与光场相互作用点之间可任意分离，从而避免了物体与强激光之间的潜在损伤性相互作用。

微流控系统是一种快速发展的技术，用于集成和缩小化学‐生物过程，并且也适用于微米尺度的光操控。虽然基本的液体处理任务通过成熟的方法（如阀门、泵、过滤器）来完成[25]但通常需要进行局部操作/扰动，例如对微量（皮升级）体积进行局部泵送或搅拌等。[26–28]。光操控的复杂微工具也能实现此类应用，本章后续内容将对此进行展示。

制备具有特殊形状的扩展微结构有多种方法；具体最佳工艺取决于所需 的材料和空间分辨率。光学或电子束光刻可轻松制造二维物体[29]。为了制造 三维物体，掩模光刻技术需要严格的多步掩模对准程序。然而，使用激光直 写技术通常可在单步中完成制备，其中聚焦激光束在生产体积内移动[30]。由 例如电子束光刻等技术所制造的微结构的分辨率或特征尺寸可达到几纳米 [31],而光学方法的分辨率则低至∼50纳米[32]。此类系统已实现商业化（ Nanoscribe有限公司，德国），显示出该技术的广泛应用。

聚合物微工具的另一个非常重要的方面是，它们可以通过特定的物理、化学 和生物化学处理进行功能化。这些过程极大地扩展了工具的功能，并使其能够与 各种类型的物体实现靶向特异性相互作用。其表面可以涂覆金属，形式包括平面 薄膜或纳米颗粒，也可以附着简单分子、较大的生物大分子，甚至细胞。

本章将概述利用双光子聚合技术通过直接激光写入法制造微结构的研究 成果，并重点关注这些微结构的光操控及其潜在应用。在已展示的广泛应用 中，所有引入的聚合的复杂工具均通过辐射压力、光捕获或二者结合的方式 进行驱动。

1.1 双光子聚合

双光子聚合（TPP）是一种成熟的方法，可用于制备特征尺寸在数百纳米范围 内的三维结构[33]。然而，通过特殊的光学配置（受激发射损耗显微技术）， 该尺寸可减小至约50纳米[34,35]。TPP基于使用超快激光源的光束照射光固化 材料，并通过高数值孔径显微镜物镜将其紧密聚焦（图6.1）。当材料与焦点 之间发生相对移动时，沿着明确的轨迹进行照射，从而实现聚合。典型的激 光功率在几毫瓦范围内，焦点移动速度可达毫米每秒。材料在辐照后（在某 些情况下还需后续热处理）发生液相到固相转变，未聚合的液体可轻松从样 品中去除。最终，在基底上形成固化的真正三维结构，成为自支撑微结构。

聚合特征的尺寸主要取决于系统的光学特性。由于双光子吸收的概率与强度 呈平方关系，且双光子聚合是一种阈值效应，因此可在焦点周围获得小于衍 射极限的特征尺寸。

激光直写的过程基于聚合材料与焦点沿预设轨迹的相对运动。该过程有 多种实现方式；最明显的情况是通过机械扫描光，或使用xyz压电位移台扫描 材料[33]。衍射光学元件的应用[36]可提高该过程的效率。最近， Vizsnyiczai及其同事[37]提出了一种非常高效的方案，该方案无需任何机械 运动，利用空间光调制器生成的图案化光实现双光子聚合扫描。

双光子聚合的商业化（Nanoscribe系统）使其应用范围从光子学扩展到 微工程和生物学。这些结构可以固定在生成它们的基底表面，也可以被移除。它并在其他地方使用。TPP的经典应用是构建具有精确定制光学特性的光子晶 体结构，例如反射或透射[38]。这些特性由材料折射率以及最重要的是三维晶 格的几何特性决定。例如，通过聚合横向尺寸为20 × 20 μm、杆间距为300– 400 nm的聚合木堆结构，可实现反射光谱在450至600 nm之间具有特定最大 值[34]。表面附着结构也被开发用于传感应用，例如微盘谐振器和集成波导 [39,40]。最近的研究成果展示了利用低数值孔径物镜通过TPP制造高纵横比结 构的可能性[41]。在这种情况下，牺牲了横向分辨率以达到数毫米的结构高度。

还可以创建包含固定和可动部件的复合结构。这类工具的应用通常需要结合 一种能够实现可动部件可控驱动的方法。由于结构尺寸较小且常常要求非侵 入性，光驱动方法较为流行。已有基于辐射压力驱动的工具实例[42,43] ，也 有由激光镊子驱动的实例[44,45], ，或两者结合使用的实例[26,28,46,47]。

1.2 光操控

1.2.1 驱动结构

光操控的基础在于，由于吸收或散射，光与物质相互作用过程中光的动量发 生变化。相关现象已被充分理解并详细讨论，例如在[48–51]及其他文献中； 光阱系统的基本原理在第1章中进行了综述。被操控物体需要在操控光的波长 下具有吸收性，或者其折射率不同于周围介质的折射率。波的方向和幅度的 变化会改变与其光子相关的动量流。这种相互作用力可表现为多种形式，如 推进结构、使其旋转，或将其锁定在特定位置。我们注意到，吸收很少用于 光操控，因为被吸收的光子能量大部分转化为热量，由此产生的加热使得驱 动极难控制。反射总是在介质‐物体界面上发生，其程度由介质在该光波长下 的相对折射率以及入射角根据菲涅尔公式决定。此处的动量变化施加一个朝 向另一介质、垂直于反射面的力，其幅度取决于表面的反射率。除了完全反 射的表面外，折射也始终存在，导致传播方向改变，这同样会在垂直于界面 并指向低折射率材料的方向上产生一个力。

光学操控微结构的最简单方法是利用辐射压力，该压力可能源于光的吸 收、散射、衍射或反射。在此过程中，动量变化被转化为平移或旋转，不发 生位置钳制。尽管该效应较为简单，但仍有许多应用通过巧妙设计的微工具可有效且可控地利用这一效应[43,52]。Gauthier 等人 讨论了螺旋结构的特殊情况[42,53]。微结构的位置固定可通过光捕获（OT） 实现，但这需要更复杂的光学系统。此外，光捕获能更精确地控制结构的驱 动，从而产生更多样的操控方案：可实现6个自由度的驱动，并精确设定速度。

显然，辐射压力与光捕获可结合用于引人注目的实验，以演示机械系统的微 尺度组装[26,47,54],搅拌[23,28],或颗粒分选[55]等等。

只有在激光发明之后，能够提供可靠定位精度的光捕获才成为可能。先 驱性实验由阿什金完成：在他的首个实验中，微珠在线性方向上被移动，并 被捕获于反向传播的双光束光镊中[56] ，这已实现了三维定位。随后也引入 了单光束结构[57]。在此结构中，一个高数值孔径的显微镜物镜将捕获光聚焦。

主导光捕获的两个主要力是梯度力和散射力：梯度力使微粒向光强度更高的 区域移动，而散射力则试图将微粒沿光传播方向推离。只有当梯度力超过散射力时，才能在单光束光镊中实现稳定捕获。

在大多数情况下，使用单个聚焦物镜产生一个或多个捕获焦点来固定或移 动微结构。然而，此外，还开发并使用了两个反向传播的弱聚焦激光束装置， 以实现扩展微结构的稳定三维定位。这里的主要优点是不需要高数值孔径物 镜，且大工作距离物镜允许更大的操控距离范围，[58]代价是沿光轴方向的捕 获力较小。

从实际应用的角度来看，使用单个聚焦物镜并不意味着只能产生一个聚 焦光束，即一个捕获焦点，这一点非常重要。所涉及的微工具结构复杂，因 此需要多个捕获光束对其进行操控。为此，时分光镊[59]或全息光镊（ HOT）是最常用的方法[45,60,61]。实际上，在时分方法中，每一时刻仅存在 一束光，但其位置在预设的焦点位置之间快速切换，使得光镊在被捕获的微 珠因扩散而显著移动之前便返回原位。另一方面，全息光镊利用衍射光学元 件（DOE）同时生成多个焦点，这些焦点在同一时间存在于样品室中。最常 用的DOE是一种可动态重构的相位调控元件——空间光调制器（SLM），它 可以任意调控光束的相位前。它能够将入射光束分成多束、偏转光束、改变 其发散角，甚至可以为光束添加轨道角动量等，这些都是具有实际意义的功 能。全息光镊可实现多个微珠或单个复杂的三维物体的并行三维操控，如图 6.2所示。

总体而言，微结构的设计取决于目标应用以及微工具的驱动可能性。正 是这些可自由移动的复杂三维微工具的驱动，需要采用最先进的操控方案， 通过在捕获区域内移动多个捕获焦点来实现。对于这类工具，激光焦点仅作 用于特定部分，即“手柄”，而结构的其余部分不被照射。这使得未被光照 的部分能够无干扰地与光敏感或吸光目标物体相互作用。此类结构的设计考 虑在[62–64]中进行了讨论。

2 应用

2.1 非功能化结构

2.1.1 辐射压力驱动驱动

首先，我们讨论仅利用辐射压力在流体环境中驱动微工具的应用。由于其相 对简单，以及在许多情况下更高的并行化程度，当需要在封闭环境中仅通过 光来移动粒子时，该方法具有吸引力。

自推进微型机器人[65]正朝着生物医学领域的技术应用发展，主要用于 物质传输等任务。活性生物系统的集体运动，例如细菌群落或大型动物群体， 也因其显著的动力学现象而成为广泛研究的对象。以鸟群飞行的研究为例， 这对理解群体成员间的相互作用以及描述这些相互作用的特征参数（如涉及 的成员数量或行为的延迟时间）具有重要意义[66]。这些参数甚至可能提示较 小的移动群体中存在层级的进化视角相比平等结构，层级化组织更受青睐。在微观世界中，细菌群体内部的集体 运动[67,68]寻找食物、光照或仅仅是自由空间，可能决定其占据新栖息地的 能力，这在医学上具有重要意义。细菌运动甚至可被用于制造生物混合微机 器人，将其附着于人工物体以实现驱动，如第14章所述。尽管运动生物体本 身已具备基本特征，但若要验证特定理论，则需要具有可控且可变特性的模 型系统，以便进行详细的物理描述[69–72]。Buzás及其同事引入了一种高效的 自驱动游泳体，仅利用未聚焦的光即可实现运动[69]。这些微粒在平坦水平表 面上的二维系统中运动。关于推进方式的两个要求是：推动单元以规则的方 式运动，并且运动方向仅由游泳体自身的形状决定。这一要求与常规的光操 控截然不同——在常规光操控中，物体要么沿光传播方向被推动，要么通过移 动光镊的位置来带动物体。作者使用了可在平坦水平表面滑动的反射性楔形 微粒（该表面实际上是空气中的悬滴水的底部）（图6.3A–C）。这些长度为 10 μm的微粒通过双光子聚合技术制备，并在其表面镀有一层薄金。微粒运动 区域由上方垂直入射的准直均匀光束照射。结构设计使得微粒始终以楔形的 一个平面接触基底，来自上方的光从另一平面侧向反射，从而将动量传递给 微粒自身。反射过程中的动量变化提供了足以驱动微粒的力，使其运动方向 仅由其形状和取向决定。实验观察到运动方向与游泳体取向之间具有高度相 关性：大多数微粒的运动方向与其长轴偏差在±30度以内，持续运动长度达 355 μm。

Oroszi及其同事展示了一种可自推进的自主运动粒子[73]。在该案例中， 物体是一个转子，同样在水平表面上移动，其运动方向由上方照明时的位置 决定。这项工作除了提供一种新型准自主机器人系统外，还旨在从理论和实 验上研究当旋转轴垂直于照明方向时，由携带无角动量的准直光诱导转子状 物体旋转的条件。研究人员对由均匀、主要非吸收性材料制成的转子进行了 系统的建模研究，这些材料要么是透明的，要么是反射性的。照明光源为具 有均匀强度分布的准直光束，完全覆盖物体。转子主要有两种基本类型：一 种是棱镜状形状，即通过二维底面拉伸形成的三维物体；另一种是沿旋转轴 结构变化的真实三维物体。

对于棱镜状转子，该问题为二维的：光散射仅发生在垂直于旋转轴的平 面内。通过对大量不同形状进行建模发现，在无损耗情况（无吸收）下，无 论是折射物体还是反射物体，都无法实现持续旋转。

尽管在某些取向下，光会对物体施加扭矩，但最终物体会陷入角势阱中。另 一方面，如果转子部分吸收光，则对于某些转子形状和吸收范围，旋转成为 可能。进一步研究发现，如果结构具有真正的三维形状，使得散射也在三个 维度中发生，则可以实现旋转。这里的关鍵特征是，在三维散射过程中，光 从二维平面中被提取出来。为了展示这一效应，设计了一个真正的三维物体， 其散射过程是三维的。该物体具有四重对称性，并基于一种十字形棱柱结构。该结构沿旋转轴的两半部分对称地向相反方向扭曲角度Θ （图6.3D），并可 容纳于一个高度和直径相等的圆柱体内。通过这些约束条件下，单个扭转角参数即可完全确定几何形状，进而确定由表面反射 的光所产生的扭矩。根据模拟结果，这种类型的转子在较宽的扭转参数范围 内均可实现持续旋转。

实验上，已证实了此类设计的旋转。选择了一个扭转角度为105度的设计， 结构通过双光子聚合技术制备，并涂覆金以确保高反射率。这些结构确实表 现出稳定的旋转，表现为在平面上沿其旋转轴垂直方向滚动。这些实验支持 了这样一个结论：当准直光束沿三维物体的旋转轴垂直方向传播时，可以使 其发生旋转。这些研究还得出了一条普遍的物理结论：如果一个垂直照射的 系统无损耗且散射过程是二维的，则光无法诱导旋转。关于旋转微机械的进 一步讨论见第4章。

光学操控技术还可应用于微流控器件，例如执行器、泵和阀门。凯勒门 及其同事描述了一种完全集成的光驱动微型电机，如图6.4所示，该电机即使 没有显微镜也能独立工作[43]。该电机是光控微流控器件的基本元件，可充当 泵，甚至可驱动其他可动部件。整个系统构建在显微镜盖玻片表面，包括一 个由稳定轴结构支撑的齿轮状转子以及附着在玻璃上的光波导。电机与波导 的相对位置设计使得光从波导射出后以切向方向照射到转子上。运动部件、 静止部件以及波导均通过激光辅助聚合技术制造而成。电机直径为10μm，波 导宽度也为10 μm，但其长度达几毫米。将波长为532纳米的激光耦合至波导 远端后，电机便如预期般运转起来。

转子的作用主要源于光在其表面的反射，考虑到周围水（n= 1.33）与所 用材料（SU8聚合物，n= 1.6）之间的折射率差异。假设转子叶片表面为平面， 并考虑驱动光方向上五个不同角度叶片的反射，估算出在最大强度（25毫瓦 激光功率）下的扭矩约为6 × 10−18牛·米。在此最大光照下，转速约为2赫兹。对于这种旋转的转子，也计算了由粘性阻力产生的扭矩，结果约为19 × 10−18 牛·米± 20%。该值处于微米尺寸系统的典型范围内，并且在所采用近似的前 提下，与驱动扭矩的计算值合理吻合。将此值与其他由光镊驱动的螺旋桨系 统或由线偏振光形成的光镊操控的扁平粒子的测量值进行比较，我们发现它 们具有可比性。该电机的主要优点在于它是一个独立系统。一旦光耦合进入 波导，它就完全独立于任何显微镜，因此可作为芯片实验室系统中实现光学 控制和光驱动的驱动单元。

梅茨格及其同事对这种光驱动微电机进行了理论分析[75]以评估其预期 性能。该模型预测了作用在电机上的扭矩，并使作者能够对光源‐电机系统进 行理论分析并优化微电机几何结构。该理论模型包含一个波长为λ的单色激 光场，沿z轴方向传播至电机，激光源为单模光纤。光束腰位于光纤端面，与 微电机外缘相距z。光束中心相对于电机旋转轴偏移了x。该光场被建模为从光 纤端面出射的高斯光束，光斑尺寸为w0 ，功率为P。该光场与一个折射率为n c= 1.58（材料SU8，在1070纳米波长下近似）的微电机相互作用，该微电机 浸没在折射率为nh= 1.33的宿主介质（水）中。

该模型的优势在于，可以简单地评估微电机系统并提升其性能，同时通 过系统性地测试若干关键的几何和光子参数来设计新系统。对四种不同转子 几何结构的建模表明，理论预测扭矩随光纤端面与转子之间距离的增加而下 降，这并不令人意外；但即使在距离约为100微米时，当偏移量为5.5微米时， 扭矩也仅下降到零距离时最大值的一半左右。在四种测试电机设计中的两种 具有明显扇叶结构的转子中，扭矩在约3–4微米偏移时表现出明显峰值。从应 用角度来看，重要的是了解到设计上的轻微几何变化可使扭矩几乎实现两倍 增长，并且系统对驱动光束与转子中心之间的相对定位具有微米级的敏感性。

2.1.2 使用光镊对固定结构进行驱动

如前所述，光捕获能够比辐射压力更精确地驱动微观结构，因为其位置可以 实现亚微米级精度的控制。这一点通常被用于表面附着结构中功能部件围绕一个轴运动，类似于前一节所述。丸尾及其同事利用该方案在 双轴上移动机械微型镊子以实现夹持，并用于机械驱动的微型涡轮系统[76,77]。

具有亚微米级尖端的微型镊子旨在用于抓取液体环境中的微米级物体，例如 微珠或细胞。与直接使用光镊捕获目标样品相比，一个优点是捕获激光束的 焦点不会照射到目标物体，从而消除了辐射损伤的风险。由∼7 μm长的操纵 臂所施加的扭矩仅通过将恒定功率的捕获光束沿臂定位来进行控制，估计在 0.4至1.5 × 10−19 N·m之间。另一种结构是一个半径为7μm的微型涡轮，其绕 轴旋转，叶片通过光镊进行驱动（激光功率：200 mW）。通过将光镊沿圆 形路径移动来实现涡轮的旋转，达到4.6转/分的转速，并估计产生3.3 × 10−17 N·m的扭矩。结合多种上述微机械部件，有望开发出先进的光驱动微器件， 用于细胞刺激或单分子微分析系统等任务。

一项优雅且较新的研究表明，这种轴向受限的微工具可以在微流体环境 中用作传感器而非微操作器。刘及其同事[78]聚合了一个微米级的流量计， 该流量计会根据周围液体流动的流速发生旋转。流量计主体通过一根极细的 聚合物杆连接到轴上，该杆作为扭簧产生恢复力，而主体的旋转角度则指示 流速。在此，作者使用单光束光镊将杆状弹簧施加的力与旋转角度进行校准。

6 复杂聚合物微工具

2 应用

2.1 非功能化结构

2.1.3 使用单光束光镊驱动自由漂浮结构

在绝大多数应用中，光操控的物体需要从样品基底或任何类型的轴或支撑结构上脱离，并在其工作环境中自由移动。从历史角度来看，最早的微工具是单个微珠，这些微珠为生物大分子（如脱氧核糖核酸[79,80]和蛋白质[10,13,81]甚至病毒[82]和细胞[83,84]）的研究提供了大量信息。然而，这些简单的微珠无法实现旋转，除非使用特殊材料和捕获光束（例如利用圆偏振光捕获双折射颗粒（球霰石）[22,24]）。通过单光束捕获的扩展结构可以克服这一困难，并展现出更多功能。由Higurashi及其同事[54]首次展示了被光镊捕获时可相对快速旋转的人造微结构，他们采用了SiO₂制成的十字形颗粒。Galajda和奥尔莫斯[47,85]引入了质量更优且形状更复杂的微结构，他们采用激光诱导三维直写技术制造出螺旋转子，用于捕获并产生扭矩以供进一步使用；而阿萨维[23]及其同事则制备了具有形状双折射特性的准球形颗粒，用于实现激光诱导旋转。

奥尔莫斯团队尝试了不同形状，发现旋转效率和在光镊中的稳定位置是实用形状的两个重要要求[85]。为了实现稳定捕获，必须添加中心线性轴转子。这些转子的旋转效率高于此前报道的结果：在20 mW激光功率下，实现了数赫兹的转速。有趣的是，角旋转速度并不依赖于捕获光的偏振状态，而是与光强度呈线性正比关系。由于结构的形状，转子可以在两个稳定位置被捕获：在这两种情况下，转子的轴都沿光轴方向排列，但分别指向或背离光的传播方向。旋转效率在很大程度上取决于转子的取向。所实现的扭矩范围为3 × 10⁻¹⁷ Nm。尤为重要的是，作者还证明了这种自由悬浮的转子在被捕获和旋转时，可以带动固定在连接至基底的轴上的齿轮旋转。这个例子很好地表明，可以将驱动转子和实际上任意复杂度的机械结构集成在同一空间内。

加拉伊达和奥尔莫斯[86]还设计并制造了可被高数值孔径光阱捕获并驱动的光驱动转子，其旋转方向可以反转。转子由垂直于光传播方向的光分量驱动。该光分量在焦点前后符号相反：在焦点前指向内侧，朝向光轴；而在焦点后则指向外侧，远离光轴。因此，当转子位于焦点前或焦点后时，其旋转方向会发生改变。

鲁宾施泰因‐邓洛普团队[23]制备了具有圆柱形空腔（多孔球体）结构的聚合物微球，该微球具有形状双折射特性。当被捕获时，普通的聚合物微球不会发生旋转，而空腔破坏了这种对称性，使得旋转成为可能。通过使用携带自旋角动量的圆偏振光作为捕获光束，成功实现了这些微球最高达2赫兹的旋转。对观测到的运动分析表明，仅有一个孔的微球以偏心方式旋转，而对于改进设计的双孔微球，这种偏心行为消失，实现了围绕其质心的稳定旋转。

微流控[26]还可受益于光镊捕获的自由漂浮微结构。丸尾及其同事引入了一种微型泵，可在微流控环境中以18皮升/分钟的速度推动流体[86]。该微型泵包含一个带有双螺旋叶片的旋转微型转子，此类叶片由加拉伊达和奥尔莫斯提出，并被限制在U形微通道内，在其中产生层流。当双螺旋微型转子被光镊捕获时，其稳定旋转速度可达500转/分，并保持其三维位置。通过使用双叶片，作者提高了该工具可产生的扭矩。可以这样理解：光镊大致在结构中心位置将其固定，而聚焦的捕获光束的会聚部分和发散部分分别从具有相反手性的叶片上发生散射，从而产生同方向的扭矩。

双光子聚合的、可延伸的捕获结构不仅可以用于驱动机械系统或泵送液体，还可以作为生物现象的模型系统。水动力同步是一种基本的物理现象，被认为在生物系统中也起到一定作用，例如微观器官运动中同步行为的产生。例如，细菌鞭毛或纤毛。在这些现象中，自持振荡器通过周围流体的扰动进行通信，并收敛到一个稳定的同步状态。迪莱昂纳多及其同事[87]利用一对光驱动转子研究了微观模型系统中的同步现象。具有相反手性的螺旋形三重对称性TPP微推进器被制造出来，并通过辐射压力驱动（图6.5A）。当这样一对转子被捕获时，它们保持在一个稳定位置并朝相反方向旋转。通过改变每个光镊的位置和功率，可以独立控制转子的位置和施加的光扭矩。为了观察同步现象，φ = θ₁ − θ₂ 在旋转过程中监测了两个转子的相对角度（图6.5B）。当转子中心相距6μm，并且相对扭矩逐渐变化（一个增加，另一个减小）时，相对相位倾向于锁定在模120度的∼60度值上，这意味着转子的臂尽可能地靠近彼此（图6.5C）。这种同步效应被发现对转子间距和相对扭矩非常敏感：当距离为7μm时，相位锁定明显减弱。也可以通过绘制不同相对扭矩下φ的概率分布来直观展示；该函数在小扭矩差异时在60度处显示出明显的峰值，而在较大扭矩差异时趋于平坦。

通过将每个转子视为球形珠粒的刚性组装，数值上模拟了同步过程。每个微珠受到来自与邻近珠粒内部机械相互作用的力以及外部光力的共同作用。流体动力学相互作用通过假设每个微珠被背景流带动来考虑，该背景流是由作用于所有其他珠粒上的点力产生的斯托克斯流之和得到的。作者将相位差的一个周期平均值的运动方程ϕ写成如下形式：

$$ \frac{d\phi}{dt} = -\frac{dU(\phi)}{d\phi} + \Delta M $$

其中ΔM = |M₁| − |M₂| 为施加的扭矩差，R是孤立转子的旋转迁移率，而U是一个周期性势能，用于编码整个流体动力学相互作用的复杂结构。计算表明，概率分布的峰值对应于势能U在约60度处的最小值。研究还发现，转子如同过阻尼粒子一般，在倾斜的周期性势能U−R·ΔM·ϕ上运动。当扭矩失配达到最高时，势能倾斜得如此严重，以至于不再存在稳定平衡位置，尽管在相应的P(ϕ)中仍可见一个峰值。这是由于即使相位滞后未被锁定在局部最小值处，它仍在60度附近的区域停留更长时间，因为该处倾斜势能的斜率达到最小。另一个重要发现是同步状态与能量耗散函数的极值之间存在关联。同步对应于最小耗散还是最大耗散，可能关键取决于转子的具体形状。

2.1.4 多光束光镊驱动

在本部分中，我们介绍利用多个捕获光束在三维空间中对扩展的三维结构进行稳定化或自由移动的应用。这两项任务均不简单，许多研究者已使用readily available探针物体（如[88]中的硅藻）或聚合物微结构[45,89]进行了探讨。尽管在许多应用中横向二维信息已足够，但完全控制需要精确知晓样品的三维位置。然而，菲利普斯及其同事通过立体观测[63]，使用特定微结构在三维条件下研究了该问题。通过对全息捕获粒子热运动的分析，应用能量均分定理得到六维刚度矩阵，从而实现系统校准。考虑到力和扭矩均会影响物体在三个维度上的运动，这种复杂性是必要的。

利用光镊对三维微观粒子进行精确操控，可以实现多部件微机械结构的组装。罗德里戈及其同事[90,91]在构建平面及三维形状互补结构的组装中展示了这一方法。在三维方法中，他们采用功能丰富的微元件系统结合锁紧机制，将坚固结构组合在一起，即使在关闭捕获光束后仍能保持稳定（通过光组装复合结构）。在此概念验证演示中制造了两种具有互补形状特征的微组件，可将其连接在一起以形成层级微结构。一种是长13 μm、两端为直径3.8 μm球形端部、中间由直径2.2 μm杆连接的微哑铃。该微哑铃设计用于连接到互补的微块（厚度8 μm，边长17.5 μm）上。通过将微哑铃的球形端部嵌入微块侧面的圆形孔（直径5 μm）中实现连接。由于仅通过侧向移动无法将微哑铃的球体从侧面插入，必须从顶部进行操控以实现锁合效应，因此这两个结构的组装需要三维微操作。这些研究的另一个有趣之处在于，它们并未使用全息光镊，而是采用了一个工作站[92]，该工作站由一束连续波激光束（λ= 1064 nm）构成，将其转换为两组可实时由用户调节的平顶光束，并通过相对放置的物镜（50×，数值孔径 = 0.55，奥林巴斯）从相对两侧耦合进入样品室，形成对向传播光束阱。物镜的低数值孔径和长工作距离使得被捕获物体可在较大范围内移动，甚至达到毫米级。

在同一捕获装置中进行了一项实验，帕利马及其同事展示了双光子聚合微工具如何增强荧光显微镜的性能[93]。波导能够以微米级精度将光传输到特定且难以到达的位置，并可用于收集检测光（例如内窥镜）。在这项工作中，引入了可通过三维光镊操控指向任意所需位置的便携式独立波导，从而传递荧光激发光。具体目标是选择性地照亮一个局部垂直目标区域，该区域由垂直取向的物镜向下传播的荧光激发光束进行照明。所选的目标物体无法通过垂直激发光束直接照明。该便携式微工具设计为包含功能性弯曲波导部分、四个与捕获光束相互作用的固定球体以及连接这些固定球体的连接杆（图6.6）。该弯曲波导部分具有两个功能：（1）将激发光侧向重定向至目标位置；（2）原位调节光束特性，例如在其尖端产生比入射光束更紧密聚焦的光束。弯曲半径为8 微米，考虑到材料的折射率（1.59）和周围水的折射率（1.33），该半径足够大，可避免因不完全内反射而导致光从波导中逸出。激发光束通过一个更宽的“光漏斗”辅助耦合输入到波导中。

已证明，输入的光按计划通过波导传输，并从出口射出，其强度足以激发周围介质中荧光团的荧光。这些结构能够在低数值孔径物镜的焦区内利用相对较宽的光束，并将其重定向为更尖锐的强度峰值，从而实现可调控的局部光照明。为验证这一点，将波导向硬质荧光物体方向排列：成功地用侧向偏转的光束选择性地照射了垂直堆叠的3 μm荧光聚苯乙烯微珠。若使用垂直入射光束，则无法逐个到达这些微珠。同时证明，该结构还可实现光波的反向传输：当光进入尖端时，会被重定向至顶视显微镜。在此实验中，光被耦合到“光漏斗”处的第一个被捕获的波导，在其尖端产生一个局域场，随后由光操控的第二个波导可感知该场。结果表明，波导能够重定向局域场，使其以离轴方式传播，超出物镜的接收角，最终到达低数值孔径的顶视观测系统。

2.2 功能化结构

到目前为止，讨论的都是“裸”光操控微结构的应用，但对其材料或表面进行功能化处理可进一步拓宽其应用范围。这些结构的聚合物材料是一种优良的化学平台，可通过适当的化学和生化反应，在其上连接小尺度功能分子、较大的生物大分子甚至细胞，更不用说无机纳米颗粒了。它们的应用仅受限于想象力：例如传感器、执行器、增强剂等，仅仅是首先想到的一些应用。例如，Aek-bote及其同事证明[94]双光子聚合的微结构若用金纳米粒子（NP）涂层，可有效增强荧光。他们使用了80纳米直径金纳米球，并将其完全涂覆在微结构表面。无论是大面积平坦区域还是具有500纳米曲率半径的尖端状结构，都能以相同效率实现涂层。在所有情况下，当这些表面与一层荧光蛋白接触时，观测到的荧光信号相对于背景增强了3–6倍。此外，增强效应的局域范围略小于1 μm²。尽管在此案例中这些结构并未被光操控，但仍有可能制造出带有金属纳米粒子涂层的复杂光操控微结构，用于传感应用。

Vizsnyiczai及其同事在一项精巧的研究中展示了如何将双光子聚合、胶体银纳米粒子的光还原、光捕获和拉曼检测相结合[95]。如我们所见，这里光被用于整个过程的每一个元件的制备以及实验的实施。此前已证明，光学捕获的银涂层微珠可用于细胞外膜局部药物检测[96]。这些球形表面增强拉曼光谱（SERS）探针可在一系列实验中发挥作用，但其应用存在一些局限性。首先，使用球形形状需要捕获和拉曼激发激光束的空间重叠，这可能导致金属纳米颗粒产生不必要的加热，从而引起被研究分子的降解。其次，实现有效捕获需要球体具有透明度，这限制了允许的金属覆盖程度。上述问题通过引入的微结构得以解决。

这些结构被开发为可光学捕获的SERS传感器，其中捕获光与拉曼激发在空间上分离，从而克服了前述两个问题。在设计中，微结构由三个相连的球体组成，其中两个用于在双光束光镊中捕获该结构，第三个则涂覆有SERS活性金属纳米颗粒层（图6.7A）。微结构制备的一个额外特征是在两个可捕获球体上方制作了保护屏蔽，从而减少了金属纳米颗粒附着到其上的可能性。在玻璃基底上制备好微工具后，将整个样品浸入硝酸银水溶液中，并用绿色激光束选择性地照射其尖端部分。因此，银纳米颗粒沉积在结构的第三个球体上，实现了对纳米颗粒密度的良好控制（图6.7B–C）。利用光还原法制备SERS活性银纳米结构的思想此前已被应用于在玻璃基底[97]或二氧化硅纳米颗粒[98]上沉积银纳米颗粒，并用于SERS检测。

实验中使用了与时分双点光镊结合的拉曼激发与检测系统。通过测量抗癌药物大黄素（1 × 10⁻⁶ M）和正在考虑用于光动力疗法的伪金丝桃素（1 × 10⁻⁵ M）的水溶液的表面增强拉曼谱对该系统进行了测试。激发激光功率较低，分别为0.02 mW（488 nm，大黄素）和0.006 mW（532 nm，伪金丝桃素）。正如预期，仅在涂覆银纳米颗粒的结构区域可检测到拉曼信号，而在未涂层部分则无法检测到，这表明吸附在银纳米颗粒表面的分子其等离子体效应至关重要（图6.7D）。发现伪金丝桃素的检测灵敏度较低，这可能部分归因于其对金属纳米颗粒表面的吸附亲和力较弱，而这种吸附亲和力是有效检测该分子SERS信号所必需的[99]。还发现，尽管银层特性（晶粒直径和表面覆盖率）存在显著差异，但1667 cm⁻¹处的大黄素SERS信号强度对结构尖端银含量的依赖性较弱。这可能是由于在高银密度层中，纳米颗粒直径已超过最大SERS增强所需的最佳值[100]，而这一效应被增加的表面覆盖率所补偿。综上所述，所提出的可光学操控的定制SERS微探针，在配备所需的尖端几何结构后，可在微流控环境中用于靶向且高灵敏度的SERS测量。

美国化学学会。)

对细胞的光操控已经获得了大量关于其机械特性[19],生长[101],融合[102]或利用荧光显微镜研究其三维结构的信息[103]。细胞器的捕获与重定位也已被实现[15,104,105]并用于微流变测量[18]。然而，当高数值孔径物镜将强捕获光束聚焦进入细胞时，可能对细胞造成潜在危害，这一点已在各种系统中得到研究[106–108]。微珠已被用作中间物体以减少对细胞的直接辐照，从而减轻这些影响[109]。然而，微珠的运动仅限于三个自由度，并且仍然会使捕获场靠近被捕获物体。为了克服这些限制，使用延伸的、特殊设计的中间物体是一种有前景的替代方案。

Aekbote及其同事研制出一种微工具，可用于对流体携带的单个细胞进行间接光镊捕获，并实现六个自由度的操作。运动[44]。如图6.8A所示，微工具本身的概念基于早期设计[45,93]，但具有两个主要优势：一是将捕获光束移动到距离细胞数微米的位置；二是能够沿其长轴以每秒数十微米的速度进行快速的平移和旋转运动；该驱动需要使用具有四个焦点的全息光镊。间接捕获结构的另一个优点是被捕获结构（折射率为1.6）与水（折射率为1.33）之间的折射率对比度远高于细胞与水之间（细胞：1.35[110]），从而实现更稳定的捕获，因此可在平移或旋转中达到更高的速度（图6.8B）。所采用的结构由四个捕获微球组成，这些微球在平面排列中形成一个正方形，并通过连接杆与一块平板相连，该平板用于固定细胞并容纳其连接杆。在本研究中，作者使用了生物素化细胞和链霉亲和素包被的微工具，结果表明细胞在约2秒内即可附着到结构上，但也可利用多种细胞系的细胞外多糖层实现其他形式的细胞结合。

3 结论与展望

在本章中，我们综述了主要通过基于激光的聚合技术制备的光驱动微结构的最重要成果。我们指出，双光子聚合（TPP）方法能够制备出几乎任意形状的复杂三维微工具。当需要精确设计的定制化结构用于概念验证实验时，TPP显得尤为重要。文中还展示了微工具应用的代表性实例，这些实例根据所采用的不同基于激光的驱动方法进行分类，包括辐射压力、单束或多束光镊或其组合。此外，还展示了表面经过金属纳米颗粒或蛋白质等处理的微工具的应用，以突出其在化学或生物研究中的附加功能。总之，TPP已被证明是制备适用于光驱动的多功能、定制化三维微结构的有效工具。此外，光还可以通过多种奇异的方式对这些微结构进行位置调控、移动、旋转甚至组装，使其最终完成有用的任务。TPP在特征尺寸方面持续改进，正从上方趋近50纳米级别[35]同时在微结构尺寸方面扩展至毫米量级[41]。在光操控领域，发展趋向于使用奇异光束形状[55]并有望实现新型驱动方案。这两种技术——光制备与光驱动的结合——有望推动微型机器人技术向前发展，为物理、生物和医学研究中单细胞或分子水平的应用提供先进的微器件。