光活性镊子

《Advanced Materials》：Photoactive Tweezers

　　

研究人员提出了一种基于可见光驱动、染料敏化TiO₂颗粒的“光活性镊子（photoactive tweezers）”系统。这些颗粒表现出正光趋向性（positive phototaxis），并通过自电泳（self-electrophoresis）机制在结构光场中自主限制。结合实验和模拟，研究人员揭示了圆形光阱（optical trap）可产生有效谐波势阱（harmonic potential well），其刚度（stiffness）由颗粒尺寸与光斑尺寸之比控制，且可调谐。利用动态光图案，研究人员进一步展示了该平台的通用性，包括形状可调的限制、波长选择性捕获（wavelength-selective trapping）以及胶体晶格（colloidal lattices）的可重构组装。此外，研究人员证明了单个或集体活性胶体（active colloids）可作为自主操控器，运输比自身更大的货物，并驱动协作组装的微机器（micromachines）。该方法为先进微粒操控和活性物质（active matter）研究建立了一种稳健、灵活且易实现的策略。

**研究背景**
微/纳米尺度物体的精确操控在现代微观科学与技术中至关重要，广泛应用于生物物理、材料组装和芯片实验室系统。现有技术包括光学镊子、磁镊和光电镊等，其中基于光的方法因非接触操作和高可编程性而备受青睐。然而，传统光学捕获通常需要高强度激光束产生足够的捕获力，而基于光热或电场效应的替代策略往往依赖预图案化基底。因此，亟需一种结合光学可编程性、低功率操作和基底独立性的理想平台。光活性胶体（photoactive colloids）能够通过表面光化学反应将光能转化为自主运动，提供了一种新颖的解决途径。这些颗粒在光照下产生局部化学浓度梯度，形成电势，诱导扩散泳或电泳，从而驱动自身运动。这种自推进可通过光精确控制，具有波长选择性和动态可编程性。然而，利用这些颗粒（特别是其光诱导泳动力的可控性）构建自包含的镊子系统以捕获和操控其他被动物体的概念尚未被探索。

**研究内容与结论**
研究人员基于染料敏化TiO₂胶体引入“光活性镊子”系统。在结构光斑下，这些颗粒通过光诱导泳动机制（light-induced phoretic mechanism）发生光趋向性自限制（phototactic self-trapping）。研究人员定量表征了捕获势阱（trapping potential）并通过模拟验证。该平台的动态可编程性通过重塑颗粒组装体并在多个不同晶格构型之间实现可逆转换得以展示。此外，通过利用活性胶体产生的流体动力学流动，研究人员将功能扩展至推动比自身大数倍的惰性货物并协调集体微机器。与直接对被动目标施加力的传统镊子不同，该工作建立了一种基于间接、执行器（actuator）的操控范式：光编程并捕获活性颗粒，后者作为可编程“微工具”通过流体动力学相互作用操控被动物体。该平台使用标准LED照明和常规基底，显著拓宽了可访问光学操控技术的范围。论文发表在《Advanced Materials》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键方法：1) 合成单分散球形TiO₂颗粒（直径2.5 μm），并用敏化染料LEG4或MK245功能化，使其光吸收扩展至可见光或近红外区域；2) 将染料敏化颗粒分散在0.1 M二茂铁（电子供体）乙腈溶液中，密封于矩形玻璃毛细管中作为实验腔室；3) 使用四通道数字光处理投影系统（Kayja-Optics）结合倒置显微镜，通过100×物镜投射结构蓝光（465 nm）图案，实现光斑尺寸、形状、数量、实时位置和强度的精确控制；4) 利用COMSOL Multiphysics进行二维有限元模拟，模拟自电泳流场，包括反应物扩散、静电场和电渗流；5) 通过MATLAB进行粒子追踪测速（particle tracking velocimetry）、核密度估计（Kernel Density Estimation, KDE）计算概率分布、有效势阱和刚度拟合。

**研究结果**
**2.1 光趋向性自限制的演示**
为实验研究活性颗粒通过光介导正光趋向性的自限制现象，研究人员设计了基于光催化半导体微粒的模型系统。在蓝光（465 nm）照射下，LEG4-TiO₂颗粒表现出正光趋向性，归因于自电泳机制：光吸收导致电荷分离，在光照半球氧化二茂铁生成二茂铁阳离子，在暗侧还原二茂铁阳离子，产生从光照侧指向暗侧的局部电场。由于颗粒在溶液中带负电，电泳力驱动其向光源运动。COMSOL模拟显示，当颗粒偏离光斑中心时，非对称滑流场产生净力将其推向光斑中心；当颗粒中心与光斑中心对齐时，流场对称，实现稳定捕获。实验比较了自由扩散颗粒和限制在1.5 μm直径光斑内颗粒的轨迹，限制颗粒振动幅度显著减小。对于固定光斑尺寸（1.5 μm），均方位移（Mean Squared Displacement, MSD）随光强增加而增长更慢，平台值单调降低，表明限制增强。

**2.2 理论分析**
为理解活性胶体在光斑内的捕获行为，研究人员提出类似传统光学镊子的弹簧模型。光强分布近似为高斯分布，捕获力建模为线性回复力。通过KDE计算40秒轨迹的空间概率分布，利用玻尔兹曼反演（Boltzmann inversion）得到有效势阱U_e(r) = ?k_BT ln(f(x,y))，并拟合为谐波形式U_e(r) = (1/2)k_er²，提取有效阱刚度k_e。实验发现，k_e与相对光束尺寸(2w₀)²/d呈经验标度关系k_e ∝ (2w₀)²/d，且与光强I呈线性关系k_e ∝ I。理论推导表明，k_e ∝ (d P)/(w₀⁴)，解释了d²依赖和强w₀^?4依赖。COMSOL模拟成功再现了实验标度关系。

**2.3 通过结构光实现多功能捕获**
与传统光学镊子不同，该光活性镊子系统通过LED结构光照明系统提供卓越的空间控制。研究人员将12种不同形状的光斑（约2 μm）投射到单个LEG4-TiO₂颗粒上，粒子轨迹显示其被有效限制在圆形、椭圆、多边形及复杂形状（如十字、环、星形）内。通过不同染料敏化，实现波长选择性捕获：LEG4-TiO₂在385、465、625 nm被有效捕获，730 nm无效；MK245-TiO₂仅在730 nm有效。此外，通过动态重构9个光斑阵列，实现方形、矩形、斜方、中心矩形、六边形和中心圆形等晶格构型的可逆转换，展示了多颗粒同时操控和可重构组装能力。

**2.4 用于货物运输和微机器的光活性镊子**
研究人员进一步将功能扩展至货物操控和微机器：单个活性颗粒可作为“镊子臂”捕获、运输或组装被动物体。通过实时控制光斑位置，驱动单个颗粒沿预定路径书写“NANO”字样。最大稳定拖拽速度随光强增加（约3–9 μm·s^?1）。单个2.5 μm活性颗粒可推动1–4个直径10 μm的二氧化硅货物，成功运输仅通过直接推挤机制实现，而非远程流体动力学拖拽。COMSOL模拟显示流场虽长程，但货物运输主要依靠直接接触。最后，研究人员构建了拼图状微结构（含四个腔），每个腔嵌入一个活性颗粒，形成多推进器系统。通过精确控制光斑旋转序列，驱动微机器向前运动，展示了协同操控的潜力。

**总结与讨论**
研究人员开发了一种基于光活性LEG4敏化TiO₂颗粒和结构光照明的多功能微粒操控平台“光活性镊子”。在光斑照射下，这些颗粒由于自诱导电泳流场而表现出正光趋向性并被困在光束中心。有效阱刚度由颗粒直径与光束腰的相互作用决定，遵循特征标度律，研究人员通过自电泳模型解释并用COMSOL模拟验证。该方法的灵活性体现在与任意形状光图案的兼容性、使用不同染料敏化剂的波长选择性操作，以及可重构晶格中多个颗粒的动态控制。此外，通过将这些活性颗粒用作独立操控单元，研究人员展示了复杂功能，包括沿预定路径的导向运动、运输超过自身尺寸的货物，以及组装微机器中的协调动作。这种“光活性镊子”策略利用低光强度进行间接操控，实现了从直接用光操控目标到用光编程活性物质系统以执行操控的范式转变。这种“活性物质作为工具”的方法可在生物相容性处理、并行操控和合成微机器操作中实现新功能。研究结论表明，该平台为先进微粒操控、货物运输和功能性微机器发展提供了一种多功能且强大的策略。