参数可调级联微腔光镊中的光场调制机制及其在粒子分选中的应用研究

【编辑推荐】本研究通过调控级联微腔长度与孔径尺寸，揭示了微腔光镊中光场调制的关键机制，提出参数优化配置（含Field Uniformity与Energy Transfer Efficiency）可在孔径处产生可调光学梯度。实验证明，合适尺寸的微腔能使光力主导孔径区域，辅以流体力形成均匀光场，实现尺寸匹配粒子的精准捕获与非匹配粒子的排斥，达成粒子分选。该工作阐明了微腔参数依赖的光-流体耦合机制，为单细胞分选与纳米药物筛选提供了协同多物理场操控新策略。

　　

在生物医学与化学动力学领域，精准的粒子分选技术一直是研究热点。传统方法如荧光激活细胞分选（FACS）和磁激活细胞分选（MACS）依赖标记技术，可能损伤细胞；而介电泳（DEP）等技术虽无需标记，却受限于复杂微流控设计。光学镊子（OT）虽能非侵入操控粒子，但传统系统体积庞大且易受环境干扰。针对这些瓶颈，中国研究人员在《Optics and Lasers in Engineering》发表研究，提出了一种基于级联微腔光镊的创新分选方案。

研究团队通过数值模拟与实验结合，设计多尺寸级联微腔系统，采用980 nm激光（YA605型号）与锥形光纤探针构建实验平台。关键方法包括：微腔参数优化（长度、孔径）、光场分布模拟、粒子动力学分析及功率调控实验。通过量化光力与流体力的协同作用，系统实现了高通量（约5粒子/秒）分选。

研究结果

1. 光场调制机制：短长度、大孔径微腔显著抑制光场耗散，增强光学梯度，使光力在孔径区占主导。
2. 粒子分选阈值：微腔参数与激光功率共同决定临界尺寸阈值，如10 μm孔径微腔在5 mW功率下可筛选6-8 μm粒子。
3. 多物理场协同：毛细流体力辅助光力形成“光阱-流体输运”链，实现18个粒子的稳定捕获与定向排列。

结论与意义
该研究首次阐明微腔尺寸-光场-流体耦合的定量关系，建立“光学主导-流体辅助”的分选新范式。通过调节激光功率（0-20 mW）与微腔几何参数，系统可动态适应不同粒径需求，为干细胞分化优化（如胚胎体均质化）和天然产物提取（如雨生红球藻虾青素分级）提供了高精度工具。未来通过扩大微腔容量或并联设计，有望进一步提升吞吐量，推动OT技术在生物医学应用的工业化进程。