平面光片光学镊子(pLOT)：实现自由运动活细胞的二维捕获与同步荧光成像

《Communications Biology》：Planar lightsheet optical tweezer pLOT for 2D trapping and imaging of freely-moving live cells

本研究报道了一种创新的平面光片光学镊子(pLOT)系统，成功解决了传统点陷阱无法在二维平面内同时捕获多个微观对象的难题。研究人员通过圆柱透镜与高数值孔径物镜组合产生衍射极限光片，实现了介电微珠和活细胞在选择性XZ平面内的稳定捕获，并整合正交宽场检测系统完成实时荧光成像。该技术为研究二维约束下的粒子相互作用和细胞行为提供了新平台，在光学操纵和生物技术领域具有重要应用价值。

　　

在微观世界操纵生命体一直是科学家追求的梦想。自1970年Arthur Ashkin首次实现光学镊子技术以来，该技术已成为多学科研究的重要工具。传统光学镊子多采用点陷阱方式，虽能精准捕获单个粒子，但在同时操纵多个对象方面存在局限。现有通过声光偏转器、空间光调制器等技术产生的多点陷阱阵列，往往需要复杂的光束整形和多激光束配合，系统复杂度和对准要求较高。更重要的是，这些方法难以实现真正的二维平面约束捕获，而二维限制环境对研究粒子间相互作用和集体动力学具有重要意义。

针对这一挑战，印度科学研究所的研究团队开发出了一种革命性的平面光片光学镊子(pLOT)系统。该系统创新性地利用光片照明实现二维平面捕获，相比传统点陷阱具有显著优势：只需单光束即可产生二维捕获区域，能同时捕获多个对象，大大降低了系统复杂性和光学对准要求。

关键技术方法

研究采用1064nm连续波激光源，通过光束扩展器、圆柱透镜(f_CL=75mm)和物镜(0.5 NA，50X)组合产生紧密聚焦的光片。系统采用正交光学构型，检测子系统垂直于捕获子系统，直接可视化XZ平面内的捕获对象。通过定制样品架和纳米定位台实现精确定位，利用sCMOS相机进行高速图像采集。陷阱刚度通过视频目标跟踪和方差均分法校准，细胞追踪采用TrackMate软件中的DoG滤波器和LAP跟踪器模块。

Planar trap system

研究团队构建的pLOT系统包含捕获子系统、定制样品架、明场照明模块和4f宽场检测子系统。捕获子系统产生尺寸为51.32μm×40.41μm的衍射极限光片，有效捕获区域达2073.84μm²。正交检测系统直接观察光片平面内被捕获对象，为二维捕获提供直观证据。

Calibration of pLOT system and lightsheet PSF characterization

光片点扩散函数(PSF)表征显示，产生的光片在ZX平面尺寸为40.41μm×51.32μm，厚度为4.12μm。计算研究表明，在103.4mW实验功率下，激光诱导加热速率对于不同微粒在2.17-4.81K/mW范围内，温升变化近乎线性。漂移校正分析显示，X和Z方向的平均位移分别为0.42±0.16μm和0.41±0.11μm，证明系统稳定性良好。

Trap stiffness along X and Z axes

作为二维陷阱，刚度需沿X和Z轴分别计算。研究采用视频跟踪技术，通过记录微粒从自由区到陷阱区的运动过程计算陷阱刚度。结果表明，沿Z轴和X轴的陷阱刚度分别为k_z=1.17±0.034pN/μm和k_x=0.78±0.021pN/μm。方差均分法进一步验证了陷阱刚度值，微珠的陷阱刚度范围为0.34-0.38pN/μm，细胞为0.33-0.52pN/μm。

Trapping dielectric beads and cells in a plane

为验证系统性能，研究团队成功捕获了介电微珠(2μm)和活细胞(HEK293T、NIH3T3、HeLa)。在t=1.2-348.95s时间内，微珠逐渐在陷阱区积累，最终形成单层二维结构。开关实验证明捕获过程完全可逆。细胞捕获数量较少源于其较大尺寸(约比微珠大5倍)，且进入陷阱区所需时间更长。所有细胞类型均显示在光片平面内的稳定捕获。

Trapping and fluorescence imaging on the Go

研究最引人注目的成果是实现了活细胞的实时捕获与荧光成像同步进行。通过集成荧光模块，对BODIPY标记的NIH3T3细胞脂滴进行成像，成功在保持细胞活性的同时获得亚细胞分辨率图像。这种"随行"成像能力为在自然环境下研究细胞行为开辟了新途径。

Conclusion and discussion

平面光片光学镊子(pLOT)技术的成功开发标志着光学操纵领域的重大突破。与传统点陷阱相比，该系统不仅能同时捕获多个对象在二维平面内，还实现了捕获与荧光成像的同步进行。这种非接触式操纵方法为研究二维约束下的粒子相互作用、细胞间通讯以及集体动力学提供了全新平台。技术的简易性和可扩展性使其在生物物理学、细胞生物学和生物技术领域具有广泛应用前景，特别是在需要层-by-layer沉积或单层内多粒子相互作用的研究中展现出独特价值。随着进一步优化，pLOT技术有望成为微观世界研究的重要工具，推动生命科学和物埋学研究的创新发展。

该研究发表于《Communications Biology》期刊，为光学操纵技术带来了全新维度，将推动相关领域向更高精度和更广泛应用方向发展。