光學(xué)分選技術(shù)的光學(xué)力原理、技術(shù)分類、應(yīng)用場景

本文由同濟(jì)大學(xué)楊孟團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡國立大學(xué)邱成偉等學(xué)者撰寫，發(fā)表于2025年《Light: Science & Applications》（DOI:10.1038/s41377-024-01734-5）。研究團(tuán)隊(duì)整合了近十年全球300余篇關(guān)鍵文獻(xiàn)，首次從光學(xué)力原理、技術(shù)分類、應(yīng)用場景到產(chǎn)業(yè)化路徑進(jìn)行全景式分析，為光學(xué)分選領(lǐng)域構(gòu)建了兼具基礎(chǔ)科學(xué)深度與工程應(yīng)用價(jià)值的理論框架。

重要發(fā)現(xiàn)
01傳統(tǒng)光學(xué)力：從宏觀操控到介觀分辨的底層突破

光輻射壓力（ORP）的微米級分選范式

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：早期研究中，Buican團(tuán)隊(duì)利用雙光束ORP成功分選中國倉鼠卵巢細(xì)胞，通過光動(dòng)量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)尺寸依賴的細(xì)胞分離；近年Wu等在微流控芯片中引入表面等離激元共振（SPR）增強(qiáng)ORP，實(shí)現(xiàn)60–100nm金納米顆粒的靜態(tài)區(qū)域分離，分辨率達(dá)5nm。

機(jī)制局限：ORP依賴光場發(fā)散產(chǎn)生推力，在深層組織中易受散射干擾，且納米級顆粒的動(dòng)量轉(zhuǎn)移效率較低。

光梯度力（OGF）的介觀精準(zhǔn)捕獲

技術(shù)創(chuàng)新：MacDonald團(tuán)隊(duì)開發(fā)全息光學(xué)鑷子，通過動(dòng)態(tài)光場生成三維光學(xué)晶格，以近100%效率分選2–5μm二氧化硅微球；石墨烯等離激元鑷子在中紅外波段（970nm）利用Fano共振產(chǎn)生雙向OGF，可分離折射率差異僅0.1的介電顆粒。

生物應(yīng)用：在酵母細(xì)胞分選中，OGF通過調(diào)控光強(qiáng)梯度實(shí)現(xiàn)大小顆粒的旋向分離，較大顆粒聚集于光場內(nèi)環(huán)，較小顆粒沿外環(huán)運(yùn)動(dòng)，分辨率達(dá)亞微米級。

光橫向力（OLF）的手性識(shí)別革命
手性操控：Wang與Chan發(fā)現(xiàn)60–100nm手性螺旋顆粒在橫向自旋動(dòng)量作用下產(chǎn)生方向選擇性位移，利用線偏振光實(shí)現(xiàn)左右手性顆粒的雙向分離；Shi等在空氣-水界面通過動(dòng)量轉(zhuǎn)移，以10nm分辨率分選手性微球，無需化學(xué)標(biāo)記。

物理本質(zhì)：OLF源于光的橫向自旋角動(dòng)量，與顆粒的手性參數(shù)κ直接相關(guān)，為不對稱分子（如DNA、蛋白質(zhì)）的光學(xué)解析提供了新工具。

技術(shù)瓶頸：實(shí)時(shí)光譜分析需毫秒級計(jì)算響應(yīng)，目前依賴邊緣計(jì)算優(yōu)化，制約高通量應(yīng)用。

熒光標(biāo)記與機(jī)器學(xué)習(xí)的“智能分選閉環(huán)”
量子點(diǎn)靶向分選：Zheng等用雙色熒光納米球標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，通過雙光子激發(fā)實(shí)現(xiàn)MCF-7與MIAPaCa-2細(xì)胞的精準(zhǔn)分離，誤差率<5%；Ota團(tuán)隊(duì)開發(fā)“幽靈cytometry”，利用單像素探測器與支持向量機(jī)（SVM），以3000細(xì)胞/秒速度完成無圖像重建的細(xì)胞分類。

臨床轉(zhuǎn)化：在血液樣本中，該技術(shù)可快速富集循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC），結(jié)合熒光原位雜交（FISH）實(shí)現(xiàn)基因突變原位分析。

產(chǎn)業(yè)化潛力：基于氮化硅的超表面芯片可通過納米壓印批量生產(chǎn)，成本較電子束光刻降低80%。

拓?fù)涔鈱W(xué)場：抗干擾分選的“魯棒平臺(tái)”

梅龍晶格分選：Lu等在光學(xué)梅龍-反梅龍晶格中，通過拓?fù)潆姾烧{(diào)控實(shí)現(xiàn)100nm金顆粒的100%效率分選，抗光場波動(dòng)能力提升3倍；在光子晶體波導(dǎo)中，拓?fù)浔Ｗo(hù)模式可定向排斥非共振顆粒，僅捕獲目標(biāo)尺寸顆粒。

動(dòng)態(tài)適應(yīng)性：通過實(shí)時(shí)切換光場拓?fù)浜桑�可在同一系統(tǒng)中依次分選不同尺寸顆粒，適用于多組分生物樣本。

聲-光協(xié)同芯片：高通量分選的“速度革命”
預(yù)聚焦-精分選流程：Hu等構(gòu)建聲-光集成芯片，先通過聲表面波（SAW）以微升/分鐘通量預(yù)聚焦白細(xì)胞，再利用光輻射壓力實(shí)現(xiàn)淋巴細(xì)胞與單核細(xì)胞的無標(biāo)記分離，純度超95%，較傳統(tǒng)流式細(xì)胞術(shù)效率提升10倍。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)

02納米級精度：解鎖生命科學(xué)的“暗箱”細(xì)節(jié)
超表面與拓?fù)涔鈱W(xué)將分選分辨率從微米級（~1000nm）推進(jìn)至納米級（<10nm），首次實(shí)現(xiàn)：

外泌體亞型（如腫瘤來源vs.正常細(xì)胞來源）的尺寸/內(nèi)容物雙重分選；
手性藥物分子（如紫杉醇對映體）的光學(xué)拆分，純度達(dá)99.9%。

速度突破：“幽靈cytometry”通過光散射特征直接分類細(xì)胞，無需熒光染色，避免標(biāo)記毒性的同時(shí)提升通量至臨床可接受水平（>10^6細(xì)胞/小時(shí)）；

成本優(yōu)勢：無標(biāo)記方案較傳統(tǒng)熒光激活細(xì)胞分選（FACS）降低試劑成本70%以上，適合資源有限地區(qū)的疾病篩查。

總結(jié)與展望
光學(xué)分選技術(shù)通過融合傳統(tǒng)光學(xué)力（如光輻射壓力、梯度力）、有源智能算法（拉曼光譜-機(jī)器學(xué)習(xí)）及新興光學(xué)結(jié)構(gòu)（超表面、拓?fù)涔鈱W(xué)場），已實(shí)現(xiàn)從微米級到亞10nm級的分辨率跨越，在單細(xì)胞分析、手性分子分離、病毒捕獲等領(lǐng)域展現(xiàn)顛覆性潛力。當(dāng)前技術(shù)突破集中于無標(biāo)記分選（如聲-光協(xié)同芯片）、智能化決策（如“幽靈cytometry”）和納米級操控（全介質(zhì)超表面），但大規(guī)模應(yīng)用仍受限于納米加工成本（如電子束光刻）、活體環(huán)境光損傷控制等瓶頸。未來，隨著深度學(xué)習(xí)與光學(xué)設(shè)計(jì)的深度融合（如實(shí)時(shí)光場優(yōu)化）、全介質(zhì)材料（氮化硅）的普及，光學(xué)分選有望向單分子精準(zhǔn)操控（如DNA折疊動(dòng)態(tài)分選）、體內(nèi)實(shí)時(shí)診斷（植入式光學(xué)芯片捕獲循環(huán)腫瘤細(xì)胞）及跨尺度高通量平臺(tái)（兼容病毒至組織碎片）演進(jìn)，最終推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)與納米材料合成進(jìn)入“光控時(shí)代”。

DOI:10.1038/s41377-024-01734-5.