封面 | 锥形光纤光镊，灵活的细胞操控

封面解读：封面展示了锥形光纤光镊在生物单颗粒精准光学操控及神经调控上的应用。由于其极高的操控灵活性，锥形光纤光镊可以以任意角度对任意深度的生物单颗粒（如病毒、致病菌、哺乳动物细胞、细胞器等亚细胞结构）进行精准操控与实时分析。基于其对生物样品产生的光力，锥形光纤光镊还可以对神经细胞进行高精度的可控激活与调控。通过结合新型微纳光纤表面修饰技术，未来锥形光纤光镊将在单细胞多功能调控等方面发挥重要的作用。

原文链接：肖雨晴，史阳，李宝军，辛洪宝. 基于锥形光纤光镊的细胞操控与神经调控[J]. 中国激光, 2023, 50(15): 1507302

一、背景介绍

“光学操控”——依托“光镊”这一工具，已被广泛应用于不同的领域，从生物医学应用到物理和材料科学。近年来，利用光镊进行光学捕获和操控在方法及应用方面都取得了巨大进展，操控样品的范围从不同的介质颗粒拓展到生物细胞、蛋白质和生物分子等。然而，不论是传统光镊（COTs），还是全息光镊(HOTs)或表面等离激元光镊（SPOTs），虽在原理、结构等方面存在差异，但都需要一些灵活性差的复杂设备和光学元件。这种庞大的结构使光镊技术缺乏可操作性和灵活性。因此，寻求一种简单且灵活的操控工具尤为重要。

锥形光纤光镊仅需一根光纤即可实现对粒子的捕获和操控，大大提高了光操控的灵活性，具有操作灵活、结构紧凑、易于制造等特点。作为一种非侵入式的光操控工具，锥形光纤光镊对生物组织和活体细胞不会产生接触式的物理损伤，可以直接应用于细胞的多维度操控。本文总结了锥形光纤光镊在单细胞分析、多细胞组装、亚细胞层面的光操控研究现状，并进一步介绍其在神经细胞调控上的最新进展（图1）。

图1 利用锥形光纤进行细胞光学操控与神经调控的概览图。（A）单细胞捕获与分析；（B）多细胞组装；（C）亚细胞水平操控；（D）神经细胞调控

二、光纤光镊的原理

锥形光纤光镊从由尖端逐渐变细的锥形光纤探针（TFP）构成，可以通过将常规光纤热熔后拉制而成。其端面呈锥形，末端的直径通常只有几百纳米甚至更小（图2）。由于锥形光纤的直径逐渐减小，光线在光纤中传播时不断发生反射和折射，从而在端口处发生聚焦效应，和传统光镊一样产生光捕获力。由于锥形光纤的特殊结构，聚焦点的尺寸可以达到亚微米级别，同时还能够保持较高的传输效率和较低的损耗。

图2 锥形光纤光镊的光捕获原理

如图2所示，粒子位于激光束的焦点附近时，照射到介质粒子上的入射光发生散射产生动量转移，从而在粒子上产生光力作用。由此产生的光学力一般由两个分量组成：光梯度力F_g和光散射力F_s。总的来说，聚焦光束引起的光梯度力F_g倾向于吸引粒子，将粒子拉向焦点，而光散射力Fs倾向于将它们沿着光轴推开，它们的合力一起支配粒子的运动。当粒子接近锥形光纤尖端时，梯度力F_g支配粒子的运动，粒子可以被光学梯度力捕获在焦点附近的三维空间中。

三、光纤光镊的技术进展

1.单细胞分析

锥形光纤光镊除了捕获各种各样的粒子和细胞外，还广泛用于细胞捕获后的单细胞标记和分析。例如，利用锥形光纤光镊同时捕获单个细菌和上转换纳米粒子（UCNP）来标记单个细菌[图3(a)]。在波长为980 nm的激光束作用下，单个UCNP（大约120 nm）被捕获在锥形光纤的尖端，并由激光激发出绿光。UCNP发出的绿光为在黑暗环境中标记和观察单个细菌提供了一种直接的方法，并允许通过光信号进行单个细菌的分析。除了从光信号对单个细菌进行分析外，锥形光纤还可以对活细菌进行能量分析[图3(b)]。锥形光纤在溶液中捕获单个细菌后，通过运动细菌在光势阱中的动力学特征分析，即可对其进行能量分析。

图3 锥形光纤光镊实现单细胞标记和分析。（a）细菌被捕获和标记的示意图；（b）锥形光纤光镊通过非接触式光捕获对运动细菌进行能量分析

2.多细胞组装

锥形光纤光镊还可以将随机分布的细胞组装成规则形状的结构或阵列，这对于研究细胞间相互作用和通信极为重要。一般来说，当细胞被锥形光纤的光梯度力捕获后，光可以继续在细胞内传播，并在细胞表面重新聚焦。这种重新聚焦的光又可以在其它细胞上产生光梯度力，在完成细胞捕获的同时再次聚焦，依次往复。在这个过程中，光沿着多个细胞传播并反复聚焦，从而延伸了光梯度力。反过来，细胞群也通过拓展的光梯度力组装在一起[图4(a)]。借助于这种机制，锥形光纤光镊可以将多个粒子和细胞依次组装在一起，从而排列成一维细胞链甚至二维图案化细胞阵列。

此外，锥形光纤光镊还可以组装多个细菌，比如大肠杆菌，来构建生物光波导（bio-WGs）。该方法为使用细胞制造生物波导提供了新的方案。与基于二氧化硅和其它有机/无机材料的传统光波导相比，这种生物光波导的所有材料都是生物细胞，因而具有高度的生物兼容性。基于这一原理可以进一步地利用生物细胞制作出生物纳米长矛，其“手柄”由锥形光纤制成，而“头部”由酵母细胞和纳米级嗜酸乳杆菌细胞链组装而成[图4(b)]。通过精确操控，该方法生成的生物纳米长矛可以将输入光引导到特定位置，检测来自生物细胞的分子信号，例如人体血液中的白血病细胞表面蛋白等。

图4 锥形光纤光镊实现多细胞组装。（a）锥形光纤光镊进行生物光波导组装；（b）锥形光纤光镊组装生物纳米长矛

3.亚细胞层面操控

图5 锥形光纤光镊通过局域等离激元诱导的光热效应进行膜穿孔、修复和细胞器提取

锥形光纤的尖端尺寸极小，仅有几百纳米，能够将激光高度局域地传送到目标微区域，因而在三维操控中表现出极高的精度和灵活性。该技术有望在高精度、高选择性、亚细胞水平的生物目标操控方面发挥巨大作用。而将锥形光纤技术与热等离子体相结合，可以进一步地实现对单细胞的原位、高精度微手术以及细胞内细胞器的操控。图5展示了该方法进行单细胞微手术及修复的原理。金纳米棒（AuNR）首先通过与细胞共培养被内吞到细胞内部，然后将锥形光纤精确地放置在细胞的目标区域附近。此后，将波长为808 nm的激光束导入到锥形光纤中。锥形光纤将激光束传递到细胞膜的目标区域，激发细胞膜附近金纳米棒的局域等离激元共振（LSPR）以产生强烈的局部光热效应，从而实现精确的膜穿孔和修复。此外，锥形光纤还可以依靠光力对细胞膜穿孔后的细胞器进行选择性提取和操控，因而可以在对细胞进行微手术后进一步实现对细胞器等亚细胞结构的捕获与精准分析。

4.神经细胞调控

神经元的轴突生长锥向其突触伙伴神经元的可控引导是形成神经元回路的基本过程。虽然在过去的几十年中，研究人员已经探索了许多用于轴突引导的技术，但这些技术大多分为侵入性和不可控的，而具有高空间和时间分辨率的技术又通常受到引导效率的限制。最近，光镊技术由于其独特的优势，在神经元调控方面的研究引起了人们越来越多的关注。锥形光纤可以直接将激光引导至神经元上，完成对神经元生长锥的引导以及对神经元的拉伸。并且通过锁模，光纤镊子光束被转换为光纤剪刀，能够解剖神经元突起，从而可以研究神经元对局部损伤的后续反应。

此外，锥形光纤还可以与光声转换器进行集成，实现对神经元的高精度光声刺激（图6）。研究者将基于光纤的光声传感器（TFOE）应用到神经元的光声刺激研究中。在光纤尖端利用光声效应产生全向超声波，实现对小鼠体外神经元的亚毫米精度调控和活体大脑刺激。这一应用，开辟了光声技术在神经调控领域研究的新途径。

图6 TFOE进行高精度的神经元光声刺激。（a）TFOE进行神经元刺激的示意图;（b）TFOE的制作步骤;（c）TFOE刺激下神经元的钙离子荧光图像

四、总结与展望

锥形光纤光镊由于易于制造、尺寸紧凑和操作灵活等优点，在不久的将来将为亚细胞层面精准分析、高精度神经调控等生物光子学的研究及应用提供许多新的可能性。

但是在技术上，锥形光纤光镊仍然存在许多开放的挑战和机遇。首先，样品和光纤端面之间的直接接触可能会对样品造成机械损伤。因此有必要发展基于锥形光纤的非接触、无损伤光捕获技术。其次，在使用锥形光纤稳定捕获和灵活操作纳米级尺寸的生物样品时，如何克服衍射极限仍然是一个巨大的挑战。特别是，单个生物分子的稳定捕获非常困难，但对于单分子分析又非常重要。第三，细胞和生物结构的光捕获和操纵，以及随后的体内生物传感将是未来几年的新趋势。

通讯作者简介

辛洪宝，暨南大学纳米光子学研究院教授、副院长、博士生导师，教育部青年长江学者，广东省杰出青年基金获得者。分别于2011年和2016年在中山大学获得本科和博士学位，之后在新加坡国立大学和加州大学伯克利分校进行博士后研究，于2018年7月加入暨南大学纳米光子学研究院。长期从事生物光子学和微纳光子学的研究，主要研究兴趣包括光镊与光学操控、生物微马达与微纳机器人、纳米等离激元与生物分子探测等。以第一/通信作者在Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Light: Science & Applications等发表论文30余篇。任APL Photonics、《中国激光》等期刊青年编委。