全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第9期
2010年9月
Vol. 22, No. 9
Sep., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)09-0930-11
收稿日期：2010-04-01；修回日期：2010-05-27
基金项目：北京市优秀人才培养资助计划(20071D1600
300394)；国家科技支撑计划(2009BAK59B00)；教
育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0048)
*通讯作者：E-mail: liqin@bit.edu.cn
阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用
李　勤*，李婧方
(北京理工大学生命学院生物医学工程系，北京100081)
摘 要：在生物医学研究领域中，阵列光镊与微流控芯片的结合已经成为进行细胞操纵、转移以及少
量细胞样品分选等方面最有希望的方法之一。光镊技术对样品具有非接触弹性控制、无机械损伤、可
无菌操作等优势，以及微流控芯片分析的高效、多功能、微型化、低成本等优势，成为芯片实验室
(Lab-on-a-Chip)的重要研究方面。该文概述了阵列光镊技术的形成与研究现状以及微流控芯片技术的发
展与应用现状，分析了在不同阵列光镊形成方法下结合微流控芯片可实现的功能与应用，并对其发展趋
势进行了展望。
关键词：阵列光镊；微流控芯片；微粒分选
中图分类号：Q 2 - 3　　文献标识码：A
Combination of optical tweezers array and microfluidic chips
and its application
LI Qin*, LI Jing-fang
(Department of Biomedical Engineering, School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract: In the field of biomedical science, the combination of optical tweezers array and microfluidic chips has
become a promising approach of cell manipulation, transportation and sorting. The advantages of optical
tweezers technology are increasingly prominent. It can carry out flexible non-contact control, non-mechanical
damage, and aseptic manipulation on samples, while microfluidic chips have the advantages of high-performance,
multi-functional, miniaturized and cost-effective. The combination of them will be an important research area of
Lab-on-a-Chip. This article provides an overview of recent research achievements and applications of optical
tweezers array and microfluidic chips. Furthermore, the principles and functions for each formation of combina-
tion are analyzed. Finally, its applications on biological scientific research and further developments are de-
scribed briefly.
Key words: optical tweezers array; microfluidic chips; particle sorting
1　引言
在生命科学研究领域中，经常需要从混有多种
不同类型和不同形态的细胞样品中分离出某种特定
的细胞或细胞器。尤其是在研究微量样品时，由于
样品的量非常少，且非常珍贵，精确分选成为研究
工作中的主要难题之一。现有的流式细胞术等技
术，虽然能够分离和收集细胞样品，但是通常需要
对细胞样品进行荧光标记，除了通过转基因技术使
其转录绿色荧光蛋白等发光蛋白外，大多数情况下
被分选后的细胞不能进行后续的培养；如不用荧光
标记，流式细胞仪虽然也能分选和收集细胞，但是
其收集效率将明显下降。因此，对于珍贵且量少的
细胞样品，这种方法有一定的局限性。
· 技术与应用 ·
931第9期 李　勤，等：阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用
随着光镊技术的发展，它对样品实现非接触的
弹性控制、无机械损伤、可无菌操作的优势日益显
著，而阵列光镊更突破传统光镊只能控制单个微粒
的限制，实现在一个平面上对多个细胞的捕获和分
离，其灵活性、精确性和高效性备受瞩目；另一
方面，随着微全分析系统的发展，微流控芯片技术
在样品预处理、分离和检测等方面取得了质的飞
跃，其分析的高效、多功能、微型化、低成本等
优势，成为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)的重要研究
方面。因此，将阵列光镊与微流控芯片技术相结
合，充分发挥各自优势而组成的微粒分选系统则成
为进行少量细胞样品分选的最有希望的方法。
2　阵列光镊技术的形成与研究现状
1986年，Ashkin等[1]成功地利用一束很强的会
聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获，成为标志
光镊诞生的最早工作。从此，光镊技术开始受到全
世界学者的关注，该技术也得到了长足的发展。但
是，单光镊技术只能操控单个生物微粒，没有办法
同时操控大量生物样品。随着科学研究的需要，于
1998 年左右诞生了“阵列光镊”的概念[2,3]，但直
到2002年后才引起广泛注意[4-7]。
与单光镊技术相比，阵列光镊具有更明显的优
越性。首先，阵列光镊同时形成多个光学势阱，极
大地提高了光镊的利用效率；其次，阵列光镊在对
多个生物微粒的捕获过程中，如果之前的光学势阱
捕获生物微粒失败，其后的光学势阱可以对生物微
粒进行重复捕获，从而有效提高了捕获效率。
阵列光镊的形成方法有多种。里瑟国家实验室
的Rodrigo等[8,9]基于空间光调制器(spatial light
modulator, SLM)的方法，利用反射式SLM搭建了对
微粒进行交互式光学操控的装置。其后，通过空间
光调制形成的全息式光镊(holographic optical tweezers,
HOT)被作为对细胞进行微操作的工具得到了广泛研
究[10-12]。美国芝加哥大学的Korda等[13]利用衍射光
学元件(diffractive optical element, DOE)实现阵列光
镊，并对细胞进行捕获。Ogura 等[14]使用垂直腔面
发射激光器(vertical cavity surface emitting lasers,
VCSEL)操纵微粒，并把这种方法称为“垂直腔面
发射激光器阵列捕获技术”。而后加利福尼亚大学
的Shao等[15]利用VCSEL形成阵列光镊，并应用于大
量微粒的静态捕获中。英国圣安德鲁大学的Garces-
Chavez 等[16]利用贝塞尔光束实现细胞的多层次捕
获。白俄罗斯科学院的Rubinov[17]成功利用两束相
干光形成的干涉场进行微粒的捕获，继而为多光束
干涉装置形成阵列光镊奠定了基础。我国北京理工
大学生物医学光子学实验室针对干涉式阵列光镊操
控生物微粒进行了理论研究，并致力于将其结合到
微流控芯片上，实现其功能化[18]。
在光镊技术的发展过程中曾经将其原理应用于
色谱分析，但自1995年Imasska[19]提出光色谱的概
念以来，关于光色谱研究的报道并不多。所谓光色
谱是指以激光的辐射压力为色谱分离的驱动力，在
毛细管中将待分离组分按几何尺寸的大小予以分离
的技术。光色谱分离技术与大多数光镊技术的应用
不同之处是光镊技术通常是对相对静止的溶液中尺
寸相同的粒子进行研究，采用的是强聚焦能力的光
学系统；而光色谱分离技术是对流动溶液中的不同
尺寸的粒子进行研究，采用的是弱聚焦能力的光学
系统[20]。随着科学技术的发展，生命科学研究已深
入到生物大分子结构，要研究生物大分子结构与功
能的奥妙，就必须观测到单个大分子的动态过程，
而光色谱为进行相关研究提供了一种研究方法和发
展方向[21]。
值得说明的是，光镊并不是一项独立于其他生
物分析之外的技术；相反，光镊技术在应用过程中
必须与其他的生物分析技术紧密结合起来，才能最
大程度的发挥它潜在的作用。目前最突出的就是阵
列光镊技术与微流控芯片技术相结合，并应用于生
物分析领域。阵列光镊技术和微流控芯片技术在各
自的领域都发挥着重要的作用，将这两者结合在一
起，通过光镊完成对样品的前期分选，结合不同功
能的微流控芯片，可实现对少量样品甚至是单细胞
的准确分析，从而实现真正意义的芯片实验室。
3　微流控芯片技术的发展与应用现状
微全分析系统(micro total analytical system, m-
TAS)的概念首次由瑞士Ciba-Geigy公司的Manz等[22]
于1990年提出。Harrison[23]在平板微芯片上实现了
毛细管电泳及流动注射分析，从而把微系统的主要
构型定位为一般厚度不超过 5 mm，面积为数平方
厘米至十几平方厘米的平板芯片。在20 世纪90 年
代的整个研究中，微流控芯片更多的被用作一种化
学分析平台，其主要应用于芯片电泳[24,25]。
1998年，Science上首次发表关于微流控芯片
作为一种小型化的化学工厂的文章，引发了新的研
究热点[26]；2001 年，“Lab on a Chip”杂志创刊，
它作为一种主流刊物，影响世界范围内相关研究的
932 生命科学 第22卷
进展。自此，微流控芯片的发展进入了崭新的阶
段；200 2 年，有关题为“微尺度生物分析系统”
和“微流控芯片的大规模集成”的文章在Science
上发表，这意味着微流控芯片的价值得到了学术界
和产业界的肯定[27,28]；2006 年，Nature 杂志发表
“Lab on a Chip”专辑，共收录1篇概论和8篇综
述，从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现
状和应用前景；同年，中国科学家在该领域SCI论
文数跃居第二，成绩斐然。
得益于微加工技术(MEMS)的发展，如今，在
微芯片上已经能够加工出各种微管道、微泵、微
阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连
接器等功能元件，可完成生物和化学等领域中所涉
及的样品富集、制备、生物与化学反应、分离、
检测等不同的操作。由于微流控芯片具有分离效率
高、分析速度快、分离模式多、所需样品少、应
用范围广、自动化程度高等优点，充分体现了当今
分析设备微型化、集成化、自动化和便携化的发展
趋势，被广泛应用在生命科学、疾病诊断与治疗、
药物合成与筛选、农作物育种与改良、环境监测与
控制和战时对病原体检测等领域，是目前生命科学
研究中的重要工具[29]。
4　阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用
过去，人们选择的细胞分选方法，如荧光诱
导的细胞分选方法( F A C S )和磁激活细胞拣选法
(MACS)等[30]，虽然可以获得高通量的细胞分选，
但对于有效分离而言，需耗费大量的细胞，为此，
高效的微型化细胞分离仪器的需求显得尤为突出。
另一方面，随着光镊技术在生物科学中的广泛应
用，人们注意到它精确且非接触的特性对于细胞的
无损捕获、分选具有重大的意义。2002 年以来，在
Science和Nature等重要学术刊物上多次出现阵列光
镊的文章[5, 3 1 - 3 6 ]，美国、英国、瑞士、丹麦等欧
美国家都有研究者从事这项研究。从2004年开始每
年定期举行题为 “Optical Trapping and Optical
Micromanipulation”的国际会议，已经成为国际光学
工程学会(Society of Photo-Optical Instrumentation
Engineers, SPIE)的系列会议，这些信息都说明阵列
光镊技术是一项充满希望、广泛引起关注的新课
题，在机理和方法上有很大的研究空间。因而将阵
列光镊与微流控芯片结合，实现用量少、效率高的
细胞等生物样品分选系统，已成为当前重要的研究
课题。
利用光镊进行细胞分选需要在样品池中进行，
这里的样品池即所谓的微流控芯片。根据光源、细
胞大小、折射率等参数的不同，所形成的光阱则不
同，样品池的微通道设计在结构与通道参数上都有
差异；由于在微流控环境中流体流动特性与宏观状
态相比发生了很大变化[37]，因此在通道设计的精确
度方面要求也很高。同时需要流体力学的知识和精
确的计算作辅助，否则样品在通道中流动会造成阻
塞、涡流等问题，从而影响实验过程。
近年来，很多科学家把微流控芯片技术应用于
阵列光镊系统中来实现细胞分选、细胞生化反应等
研究。阵列光镊与微流控芯片的结合基于生成阵列
光镊的原理不同，其芯片的形状、性质以及用途也
不同，现简单介绍几种主要的结合方式和应用特
点。
4.1　VCSEL 阵列光镊与微流控芯片的结合
阵列光镊与微流控芯片的结合最早出现在2001
年，Wang 等[38]在研究细胞样品的转移和分选时，
发现利用垂直腔面发射激光器(VCSEL)形成的阵列光
镊可以提高样品在芯片上的并行操纵能力，如图1所
示。阵列光镊中的每一个光阱作用在单个细胞或生
物样品上，从而实现细胞样品的转移。这种功能的
实现，极大地提高了微操作的效率。该方法成功实
现对于酵母细胞、人体血红细胞的大量平行捕获与
转移，目前已投入到药物研发、流式细胞仪及细胞
生物学的研究之中。
另一方面，经研究发现使用高功率的光源可以
实现粒子在微通道内的转移，即“光开关”[39]，其
原理如图2 所示。微粒随液体流动进入入口，在T
字口可以向出口1(output 1)或者2(output 2)任意移
动，此时在T字交界处引入光镊，可实现对微粒的
捕获，并通过微操作控制微粒向出口1 或者2 定向
移动，从而实现“光开关”功能。
近年来，Kroner等[40]利用垂直腔面发射激光器
形成线性光学晶格，并利用 PDMS 软光刻技术制成
图1 VCSEL阵列光镊实现芯片上的样品并行操纵[38]
933第9期 李　勤，等：阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用
T 型和Y 型微流控芯片，其结构如图 3 所示，其中
图3(a)为T型微流控芯片，图3(b)为Y型微流控芯
片[41]。基于VCSEL 的阵列光镊原理图如图4 所示。
图4中VCSEL 样本固定在铜制底座上并接通电
源，输出的红外光束经过校准通过高数值孔径的物
镜聚焦，在样品处形成单光镊或阵列光镊。像平面
处于微流控通道内，而微流控芯片放置在电脑可控
的微定位系统中。为了观察实验现象，利用白光照
明，C C D 成像，使用红外截止滤光片滤除激光。
由于该方法可以实现廉价且快速的样品分析，近年
来为细胞等生物样品的处理与分类研究带来广泛利
益。
4.2　SLM 及 HOT 阵列光镊与微流控芯片的结合
2005 年，Lin等[42]将全息式阵列光镊(HOT)与
微流控芯片结合，形成微光机电系统(micro optical
electro mechanical systems, MOEMS)。依照待分选
微粒形状、大小等参数，利用动态可编程系统设计
光阱图案，以实现对不同微粒的捕获。如图5 为微
流控芯片的设计与微粒分选示意图。
图5(a)中样品池由PDMS 材料制作，其通道具
体宽度需根据微粒的大小及流速进行设计。如果要
实现两种微粒的同时分选，需增大光强或降低流
速。图5(b)中利用全息式阵列光镊的方法形成两条
线性光阱，用于颗粒的微操作与分选。这种方法设
计的微流控芯片缺点是它只适用于单行的粒子分
选，不利于提高分选的效率。尽管如此，该方法在
细胞和分子生物学的定量分析中仍发挥着重要作用。
2006年，Di Leonardo等[43]利用空间光调制器
产生全息光镊技术，在微流控系统中实现多点全息
光学测速仪的应用。如图6(a)所示为多点全息光学
测速仪的光学装置图。实验中532 nm 激光用于激
发示踪粒子的荧光染料，使粒子发出荧光，用滤光
片将激发光滤除可实现对荧光粒子的观测；1 064 nm
激光用于捕获流动中的微粒并对其进行旋转；插图中
显示的是形成全息式阵列光镊的一个SLM衍射图样。
微流控芯片由PDMS 材料制作，加以玻璃滑盖
制成微通道，利用BAS微流泵进样。图6(b)左图中
测得半径为4 mm的vaterite(球霞石)微粒以2.4 Hz的
频率旋转，其周围均匀分布的8 个微探针粒子形成
一个半径为9.7 mm 的环形，由此通过公式可计算
流速；图6(b)右图中利用五个探针粒子被捕获的矢
量位移可计算流速。
2006年，Perch-Nielsen等[44]利用空间光调制器
的方法形成光学晶格，实现微粒的分选。图7(a)所
图3 两种不同类型的微流控芯片
图4 VCSEL阵列光镊原理装置图[41]
图 2 光镊在T型样品池内的“光开关”作用[39]
934 生命科学 第22卷
示为形成实时可重构光学晶格的装置图。在两个共
焦点的透镜的焦平面上放置一个傅里叶滤波器，从
而使激光通过相位空间光调制器形成所需光学晶
格。图 7 ( b ) 所示为实验所用微系统，芯片采用
PDMS 材料制作，通道形状为 X 型，单通道宽度为
20 mm，深度为 15~35 mm 均可，通道中一端注
入染料加以区分，系统达到稳定时可见插图中两种
颜色液相分明[图 7(b)]。由于光学晶格可动态变
化，该装置可对微流控芯片通道内的微粒活动实施
自如的控制。
图5 微流控芯片的设计与微粒分选示意图[42]
图6 多点全息光学测速仪原理图与实验结果[43]
935第9期 李　勤，等：阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用
2007年，Eriksson等[45]将全息式阵列光镊与微
流控芯片技术结合，应用到微生物学中，研究细胞
对于环境转变的适应。该微流控芯片系统由软光刻
技术制造，采用的动态全息光镊系统可以同时捕获
与分析大量细胞，由此缩短数据获取时间。实验装
置如图8(a)所示。激光束经L1与 L2放大，与空间
光调制器(SLM)匹配，经SLM 反射后由L3 与 L4 缩
小而与显微目镜后孔径匹配。微系统放置于显微镜
载物平台上，微流泵驱动液体流动，送入三个入口
(图8(b))。将荧光标记的酵母细胞由三叉通道之一
(YNB+cells)注入，通过全息式阵列光镊捕获，并
移至中间通道(YNB)，进一步将细胞移至上层渗透
压较高的液体环境之中(YNB+stress)。通过荧光显
微镜，可以监控细胞的体积变化以及绿色荧光蛋白
标记的空间位置的转移，从而研究细胞对于环境转
变的适应。由于该方法实现了多个细胞的同时捕获
与分析，缩短了数据采集的时间，同时也增加了样
本数，提高了实验结果的准确性，因而成为微生物
学实验的重要研究工具之一。
Uhrig等[46]在最近的工作中将全息式阵列光镊与
荧光显微镜、多通道微流控装置结合起来，并利用
高速摄像机建立可视化微操作环境，构造一个具有
皮牛量级分辨率的可重构力学传感器阵列，以研究
细胞、亚细胞结构的一些化学机械特性。
如图9所示为该装置在模拟二维肌动蛋白网络
中的应用。图9(a)为完整的实验装置示意图，包括
正置显微镜(Ob1)和倒置显微镜(Ob2)两个观察系统。
正置显微镜用于流体活动的低倍率观察，由 CCD3
采集图像，如图9(d)，用波长为630 nm 的 LED 作
为窄带明场照明光源；倒置显微镜包含三个光路：
(1) 荧光显微镜系统，使用计算机控制发射532 nm
激光，CCD1 获取波长为570~590 nm 的荧光图像，
如图9(b)；(2) CCD2 为高速摄影机，捕捉630 nm
LED 照明下的微粒变化情况，如图9(c)；(3) 红外
激光输出1 064 nm，由空间光调制器调制生成全息
光阱，实现微粒的捕获。所有的光路都包含合适的
分束器和滤光片系统，形成有效的光学系统。
系统搭建完毕后，通过镁离子与肌动蛋白丝的
交联耦合，可观察并测量肌动蛋白网络中的机械张
力。除镁离子外，其他物质如微管、中间体或者
图7 利用空间光调制器形成光学晶格实现微粒的分选[44]
图8 基于阵列光镊与微流控芯片的微生物研究系统[45]
936 生命科学 第22卷
DNA 都可以通过微通道加入至微流体腔，通过力学
传感器的检测与全息阵列光镊的定位捕获，可以帮
助人们定量控制复杂蛋白质分子间的相互作用。
4.3　干涉式阵列光镊与微流控芯片的结合
Dholakia等[47-49]利用多光束干涉形成光学晶格，
认为光场可以用于放置、引导或使微粒偏转，因而
研究并实现了根据微粒大小、折射率等因素对不同
微粒进行分选的微流控分选装置。
图10与图11所示为利用三维光学晶格进行微粒
分选的原理与实验装置。微粒在光场中的偏转程度
与自身的光极化强度有关，强相互作用的微粒在光
阱中偏离，而其他微粒基本保持流动路径不变。由
于在低雷诺数情况下，系统的内部环境相对稳定，
液体呈层流状态，如图10(b)。如不外加驱动，在
图 11 中，B 室中的微粒将全部进入 D 室中，A 室
则引入不带微粒的“空白流”。将三维光学晶格引
入分馏室(FC)后，其中一种微粒被阵列光镊捕获推
至上层C 室，而调整光学晶格的参数即可满足不同
微粒的分选需要。
该方法可协助细胞疗法在癌症治疗中的进展，
并研究自身免疫性疾病和检查遗传性疾病。一个非
常好的例子是在干细胞群研究中的应用。干细胞可
提供新的无病组织，从大细胞群中有效分离干细胞
可以为纯化细胞提供来源。利用该系统可完成这一
任务，分选出所需要的干细胞进行后续培养。这项
工作将对提高干细胞在疾病治疗方面的应用发挥重
要作用。
2006年，Rohner 等[50]利用多光束干涉形成干
涉条纹，在微流控芯片中对微粒进行捕获。实验装
置如图12(a)所示，532 nm 激光经扩束、准直后进
入干涉装置中，多光束干涉则发生在各光束的重叠
区域。将输出光聚焦到样品池上，在明条纹处光梯
度力将实现对微粒的捕获。实验中所用微流控芯片
如图12(b)所示，包括两个液体输入口(inlets)和三个
输出口(outlets)。带有微粒的溶液从芯片任一端进
液，同时封闭另一进液口；当向芯片内注入溶液
后，液流带动微粒经过宽度为 240 m m 的主通道
(main channel)流向出口(outlets)。上述干涉条纹图样
在主通道内实现对微粒的捕获。通过细微调整干涉
仪半透明板的方向与角度，即可改变条纹的方向与
宽度，从而有选择性的动态改变微粒的运动轨迹。
基于双平板剪切干涉的颗粒捕获系统如图13(a)
所示[51]，实验中利用双平板剪切干涉形成干涉场，
并分别由位于微流控芯片两侧的两个显微物镜汇聚
到分选通道中，即可生成 X、Y 两个互相垂直的条
纹状干涉场。如果这两个干涉场叠加到同一个平面
上，就可形成光镊点阵图像，如图 13(b)所示。
图10 利用光学晶格进行微粒分选装置及原理[47]
a: 微粒分选腔外部构造; b: 微通道层流示意图; c: 三维光学晶格
图11 光学分离装置的概念图[48]
图9 系统构建及捕获图样[46]
937第9期 李　勤，等：阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用
将阵列光镊的光斑聚焦到微流控芯片的通道
中，如图14(a)所示。因通道内的液体为层流状态，
通过调节液体流速可实现微粒样品、收集试剂之间
不会发生混合。满足分选条件的微粒将被捕获，将
阵列光镊向某个方向移动可将其送入收集试剂液流
中[图14(b)]，最终被收集器收集。在未来的研究
中，根据参数表直接设定阵列光镊的控制参数，便
可完成对于不同细胞等生物样品的分选。该设计利
用微流体特性及芯片检测阵列化等手段缩短了分析
时间；在低进样量、低试剂消耗的状态下提供一个
平台进行多个反应步骤，具有分选速度快、制作成
本低、样品与试剂消耗少等特性；同时也具有自动
化、全分析系统集成化的内在潜质，实现了操作的
简易性；更解决了常规细胞分选中容易遇到的细胞
黏连问题。
4.4　微透镜阵列光镊与微流控芯片的结合
为实现大规模同时捕获微粒，Merenda 等[52,53]
致力于研究高效利用激光功率的捕获系统。该系统
将功率平分到所有光阱中，以减小生物微粒的光损
伤[54]。图15为基于微透镜阵列的多光镊系统工作原
理，其中的微透镜阵列(MLA)将激光束分裂为多个
光束，通过物镜(FL)校准并汇聚到目镜(MO)上形成
阵列光镊。
Fournier等[54]证实选择合适的微透镜阵列、特
图12 利用多光束干涉进行微粒分选[50]
图13 利用双平板剪切干涉进行微粒分选[51]
938 生命科学 第22卷
殊的光学条件以及高数值孔径的显微物镜即可实现
高效率的三维捕获。图16(a)所示为利用阵列光镊
同时捕获200 个聚苯乙烯小球的图像，其中微粒直
径为2 mm。图16(b)为三叉型微流控芯片，其中
中间通道为缓冲溶液(buffer)，阵列光镊捕获微粒后
移至反应溶液区域(reagent)。该设计可实现微粒的
捕获与转移，从而进一步研究瞬时生化反应。已经
证实该系统可以实现人体胚肾细胞内囊泡的大量并
行操纵，并可严格监控细胞信号反应。
5　阵列光镊与微流控芯片技术结合的发展趋势
迄今为止，阵列光镊与微流控芯片技术的结合
在生物和医学领域表现出良好的应用前景。该方法
最突出的优点是将笨重的实验室系统集成在微流控
芯片上，实现了细胞等微粒形生物样品分离分析的
微型化和一体化，节约了大量贵重的生物样品资
源。就目前的发展状况而言，其主要问题仍然是捕
获、操纵或者分选细胞的效率问题。虽然现在已实
现了大量平行操作，但在对不同微粒的适用性和捕
获准确率上仍有待提高。生物样品的光学性质比较
复杂，需要更加精确地了解每一种样品在尺度、折
射率、黏滞系数等参数方面的特点，从而控制系统
图15 基于微透镜阵列的多光镊系统工作原理[52]
图14 阵列光镊与微流控芯片结合进行细胞分选的原理示意图[51]
图16 微流动环境下阵列光镊系统[54]
939第9期 李　勤，等：阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用
的捕获条件，才能实现高效分选的目的。另外，根
据不同的需求设计结构更加合理的微流控芯片，也
是要在实际工作中探索的内容。
利用阵列光镊作为微粒捕获工具，与微流控芯
片一起搭建分析平台，其结合必将向着小型化、多
功能、便携式的方向发展，使其具备细胞等微粒型
样品的操控能力，在静态力学性质和生命过程中的
运动学、动力学行为的研究中发挥重要作用，并在
多种细胞、生物大分子、胶体颗粒、纳米材料等
微米和亚微米颗粒的分离和富集等方面取得令人瞩
目的成果。该技术在未来生物学、医学、化学、
纳米材料以及工农业生产中都有广阔的应用潜力。
[参　考　文　献]
[1] Ashkin A, Dziedzic JM, Bjorkholm JE, et al. Observation
of a single-beam gradient force optical trap for dielectric
particles. Opt Lett, 1986, 11(5): 288-90
[2] Ertas D. Lateral separation of macromolecules and poly-
electrolytes in microlithograhic arrays. Phys Rev Lett, 1998,
80: 1548-51
[3] Duke TAJ, Austin RH. Microfabricated sieve for the con-
tinuous sorting of macromolecules. Phys Rev Lett, 1998,
80: 1552-5
[4] MacDonald MP, Paterson L, Sibbett W, et al. Creation and
manipulation of three-dimensional optically trapped
structures. Science, 2002, 296: 1101-3
[5] Terray A, Oakey J, Marr WM. Microfluidic control using
colloidal devices. Science, 2002, 296: 1841-4
[6] Rubinov AN. Physical grounds for biological effect of laser
radiation. J Phys D: Appl Phys, 2003, 36(19): 2317-30
[7] Leach J, Sinclair G, Jordan P, et al. 3D manipulation of
particles into crystal structures using holographic optical
tweezers. Opt Express, 2004, 12: 220-6
[8] Rodrigo PJ, Eriksen R, Daria VR, et al. Interactive light-
driven and parallel manipulation of inhomogeneous particles.
Opt Express, 2002, 10(26): 1550-6
[9] Rodrigo PJ, Daria VR, Glückstad J. Array of optical twee-
zers with individual beam-steering and polarization control.
Proc SPIE, 2004, 5322: 103-7
[10] Burnham DR, McGloin D. Controlled aerosol manipula-
tion using holographic optical tweezers. Proc SPIE, 2006,
63261I: 1-9
[11] Monneret S, Belloni F, Marguet D. Practical lab tool for
living cells based on microstereolithography and multiple
dynamic holographic optical tweezers. Proc SPIE, 2006,
60880Z: 1-13
[12] Butler JR, Wills JB, Mitchem L, et al. Spectroscopic
characterisation and manipulation of arrays of sub-picolitre
aerosol droplets. Lab Chip, 2009, 9: 521-8
[13] Korda PT, Taylor MB, Grier DG. Kinetically locked-in col-
loidal transport in an array of optical tweezers. Phys Rev
Lett, 2002, 89(12): 1-4
[14] Ogura Y, Kagawa K, Tanida J. Optical manipulation of mi-
croscopic objects by means of vertical-cavity surface-emit-
ting laser array sources. Appl Opt, 2001, 40(30): 5430-5
[15] Shao B, Zlatanovic S, Esener SC. Microscope-integrated
micromanipulator based on multiple VCSEL traps. Proc
SPIE, 2004, 5514: 62-72
[16] Garces-Chavez V, McGloin D, Melville H, et al. Simulta-
neous micromanipulation in multiple planes using a self-
reconstructing light beam. Nature, 2002, 419: 145-7
[17] Rubinov AN. Physical grounds for biological effect of laser
radiation. J Phys D: Appl Phys, 2003, 36: 2317-30
[18] 李勤, 胡晓明, 王欣, 等. 基于双平板剪切干涉的阵列光
镊系统. 光学学报, 2009, 29(s1): 70-3
[19] Imasska T, Kawabata Y, Kaneta T, et al. Optical
chromatography. Anal Chem, 1995, 67(11): 1763-5
[20] 王洪, 刘志红, 马立人, 等. 光色谱研究进展. 色谱, 1999,
17(5): 441-3
[21] Imasaka T. Optical chromatography. A new tool for separa-
tion of particles. Analusis Magazine, 1998, 26: 53-5
[22] Manz A, Graber N, Widmer HM. Miniaturized total analy-
sis systems: a novel concept for chemical sensing. Sens
Actuators B: Chem, 1990, 1(1-6): 244-8
[23] Harrison DJ. Micromachining a miniaturized capillary elec-
trophoresis based chemical analysis system on a chip.
Science, 1993, 261: 895-7
[24] Ramsey JM. Microfabricated chemical measurement
systems. Nat Med, 1995, 1: 1093-6
[25] Woolley AT, Mathies RA. Ultra-high speed DNA sequenc-
ing using capillary electrophoresis chips. Anal Chem, 1995,
67: 3676-80
[26] Service RF. Miniaturization puts chemical plants where you
want them. Science, 1998, 282: 400
[27] Meldrum DR, Holl MR. Microscale bioanalytical systems.
Science, 2002, 297: 1197-8
[28] Thorsen T, Maerkl SJ, Quake SR. Microfluidic large-scale
integration. Science, 2002, 298: 580-4
[29] 方肇伦, 方群. 微流控芯片发展与展望. 现代科学仪器,
2001, 4: 3-6
[30] Siegel DL, Chang TY, Russell SL, et al. Isolation of cell
surface-specific human monoclonal antibodies using phage
display and magnetically-activated cell sorting: applications
in immunohematology. J Immunol Methods, 1997, 206: 73-
85
[31] MacDonald MP. Creation and manipulation of three-dimen-
sional optically trapped structures. Science, 2002, 296
(5570): 1101-3
[32] Garces-Chavez V, McGloin D, Melville H, et al. Simulta-
neous micromanipulation in multiple planes using a self-
reconstructing light beam. Nature, 2002, 419(6903): 145-7
[33] Yang AH, Moore SD, Schimdt BS, et al. Optical manipula-
tion of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength
slot waveguides. Nature, 2009, 457(7225): 71-5
[34] Bloch I. Quantum coherence and entanglement with ultracold
atoms in optical lattices. Nature, 2008, 453(7198): 1016-22
[35] Carlo L, Paolo M, Francesca B, et al. Miniaturized all-fibre
probe for three-dimensional optical trapping and
manipulation. Nat Photonics, 2007, 1(12): 723-7
[36] Monat C, Domachuk P, Eggleton BJ. Integrated optofluidics:
940 生命科学 第22卷
a new river of light. Nat Photonics, 2007, 1(1): 106-14
[37] Ho CM, Tai YC. Micro-electro-mechanical-systems
(MEMS) and fluid flows. Annu Rev Fluid Mech, 1998, 30:
579-612
[38] Wang M, Ozkan M, Ata E, et al. Integration of optoelec-
tronic array devices for cell transport and sorting. Proc SPIE,
2001, 4260: 68-73
[39] Ozkan M, Wang M, Ozkan C, et al. Optical manipulation of
objects and biological cells in microfluidic devices. Biomed
Microdevices, 2003, 5(1): 61-7
[40] Kroner A, Schneck C, Rinaldi F, et al. Application of verti-
cal-cavity laser-based optical tweezers for particle manipu-
lation in microfluidic channels. Proc SPIE, 2008, 69881R: 1-
12
[41] Michalzik R, Kroner A, Bergmann A, et al. VCSEL-based
optical trapping for microparticle manipulation. Proc SPIE,
2009, 722908: 1-13
[42] Lin HC, Hsu L. Dynamic and programmable cell-sorting by
using microfluidics and holographic optical tweezers. Proc
SPIE, 2005, 59301V: 1-8
[43] Di Leonardo R , Leach J, Mushfique H, et al. Multi-point
holographic optical velocimetry in microfluidic systems. Proc
SPIE, 2006, 63261J: 1-6
[44] Perch-Nielsen IR, Eriksson E, Goksor M, et al. Sorting par-
ticles in a microfluidic system using SLM-reconfigurable
intensity patterns. Proc SPIE, 2006, 60881H: 1-7
[45] Eriksson E, Scrimgeour J, Enger J, et al. Holographic optical
tweezers combined with a microfluidic device for exposing
cells to fast environmental changes. Proc SPIE , 2007, 6592,
65920P: 1-9
[46] Uhrig K, Kurre R, Schmitz C, et al. Optical force sensor
array in a microfluidic device based on holographic optical
tweezers. Lab Chip, 2009, 9(5): 661-8
[47] Dholakia K, Woei ML, Paterson L, et al. Optical separation
of cells on potential energy landscapes: enhancement with
dielectric tagging. IEEE, 2007, 13(6): 1646-54
[48] MacDonald MP, Spalding GC, Dholakia K. Microfluidic
sorting in an optical lattice. Nature, 2003, 426: 421-4
[49] Dholakia K. Interference patterns for advanced optical
micromanipulation. Proc SPIE, 2004, 5531: 1-6
[50] Rohner J, Fourniera JM, Jacquotb P, et al. Multiple optical
trapping in high gradient interference fringes. Proc SPIE,
2006, 632606: 1-10
[51] 周妍煌, 李婧方, 任有健, 等. 适用于微流控芯片颗粒分
选的阵列光镊系统. 中国激光, 2010, 37(6): 1659-64
[52] Merenda F, Rohner J, Lamothe E, et al. Micro-optics for
optical trapping in microfluidics. Proc SPIE, 2007, 66440P:
1-10
[53] Merenda F, Rohner J, Pascoal P, et al. Refractive multiple
optical tweezers for parallel biochemical analysis in micro-
fluidics. Proc SPIE, 2007, 64830A: 1-9
[54] Fournier JM, Merenda F, Rohner J, et al. Comparison be-
tween various types of multiple optical tweezers. Proc SPIE,
2008, 70381G: 1-14