美国亚利桑那大学威恩特光学学院Euan McLeod助理教授团队：使用光镊对数百个微米尺度构件进行的多元结构组装

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三维微加工在过去几十年中取得了一些进展，但是基于小的或者层次化的特征尺寸的复杂多组分集成仍然是一个挑战。美国亚利桑那大学威恩特光学学院Euan 助理教授团队利用基于光镊的光学定位与连接（OPAL）平台将两种通过生物化学相互作用连接在一起的微米尺度的构件组装制作出精密的三维微结构。该研究成果以“ of from of -scale using ”为题发表在 & 上。

7, : 45 (2021)

研究背景

现有技术的小型化带来了设备性能和效率的提高。然而具有多种材料成分和微米尺度或更小分辨率三维结构的小型化仍然是光子学、电子学和流体学领域的一个挑战。例如在光子学中存在对材料和器件的设计使用现有方法难以制造。为了应对这些挑战，各种技术被开发出来，包括灰度图光刻、自组装、墨水直写和激光直写技术如双光子聚合（TPP）。灰度光刻可以快速地形成大面积的轮廓形貌，但是它不能创建复杂的三维结构如悬垂体。在过去的几十年中，基于特殊化学连接物（如DNA低聚物）对粒子表面不同区域进行选择性功能化的进展，可以通过自组装产生的结构复杂性显著增加。然而，完全使用自组装来创建真正任意的（即大的非周期性的）三维几何图形是一个挑战。墨水直写通常限于较大（>10 µm） 构建块大小。TPP可以在三维几何图形中形成分辨率为百纳米级的光刻胶，但对于多材料结构来说并不理想。在TPP和灰度光刻中，多材料集成需要多个显影和配准步骤和/或特殊的后处理技术，例如金属电镀、原子层沉积或化学气相沉积。使用灰度光刻或TPP来补充或修复现有的3D结构例如混合微/纳米光子器件，也是一个挑战。另一个在灰度光刻、墨水直写和TPP中常见的问题是显影过程中溶剂去除时的结构收缩。虽然一般结构的体积收缩率高达50%，但通常与衬底的粘合会阻止基底的收缩，从而导致最终结构的翘曲和变形。TPP、灰度光刻和墨水直写的另一个限制是它们无法涵盖大范围的特征尺寸；理想情况是对于细节区域具有小的特征尺寸（10 μm）。一个理想的微加工方法有能力在一个平台上使用多个组件构建三维图案，能够制造具有空间变化的材料特性的结构。

光镊（OTs）由及其同事于1986年发明，是一种利用构件组装微纳米结构的新颖方法。光镊具有非接触性和生物相容性，可以操控大范围尺寸的颗粒、形貌和材料。在生物应用中，它们可以操控活细胞和其他敏感材料如生化官能化微粒而不会造成损伤。因此，光镊在生物力学、组织工程和细胞分选等领域有着广泛的应用。除了生物粒子外，光镊还可以操控小到18 nm的金属纳米粒子，使用反向传播光束操控的100 µm尺度的介电粒子，特殊形状的粒子如立方体、星形或环形，高深宽比纳米线，以及复合物体如核壳粒子。这种在各种尺寸范围内操纵预处理的微纳米材料的能力有利于制造分层的三维结构。光镊在微组装研究中受到了广泛的关注。一些由两种成分和少于20个构件构成的小型多元结构已经被组装出来。许多研究还表明，利用多重光阱结合图像处理和路径规划算法可以自动操纵大型粒子阵列。并且由多达125个构件组成的相对大型单成分三维结构已经被组装出来。尽管在过去的二十年中基于光镊的微装配技术取得了很大的进展，但目前还没有使用这种方法装配出大规模（几百个构件）、多成分的三维结构。此外，光镊装配平台的加工效率和定位精度还不为人所知。大多数光镊装配平台依赖于相似的高数值孔径物镜来聚焦激光束，但构件之间的连接机制可能会有很大差异。不同的粒子连接方式包括生物化学结合、光聚合和物理粒子间的胶体力。

本文亮点

1. 开发了一个计算机控制的使用光镊进行光学定位和连接的装配平台，并采用了一种基于图像的自动标定方法，用于微米尺度物体的精密装配。

2. 使用光阱平台制造了迄今为止最大的结构，包含448个1 µm的积木块。

3. 充分表征了光学定位和连接平台的定位精度，为各种实验参数提供了最佳范围，并演示了对微米尺寸物体的60 nm定位精度。

图文导读

在这项研究中，作者使用基于光镊的光学定位与连接（OPAL）平台，利用生化结合机制连接物体，通过详细分析物体放置精度、成品率及结构规模来提升光镊微组装的能力。并且作者研究了激光功率和生化官能化对定位精度的影响，确定了最佳性能的关键工艺参数，并实现了约60 nm的定位精度。利用这些结果，作者组装了由多元成分组成的具有概念验证的3D材料变化的结构，最终使用448个1 µm构件装配出迄今为止由基于光镊的组装平台制造出的最大的三维多材料微结构。微结构由几百个1 µm直径的球体构成，这些构件比那些已被用于大多数以前的光镊微组装研究的构件更小。由于使用微流控腔输送构件和采用实时重新校准以校正热漂移和机械漂移，此方法能够稳定组装出如此大的结构。最后，作者讨论了未来可能的改进方法。

图1 OPAL设置和流程。a. 光学系统示意图。绿线表示光纤激光器的路径，黄线表示卤素灯白光源的路径。b. 循环装配流程图。外圈说明了每个工艺阶段的具体步骤。

图1中光学系统的主要组成部分包括一个1064 nm的30 W Nd:YAG光纤激光器和一个100×/NA1.1浸水物镜。物体的操控和定位是通过三轴滑杆工作台和显微物镜压电纳米定位器的组合来实现的。利用卤素灯和CMOS相机对光阱进行照明和成像。该流程包括三个主要步骤：物体捕获、操控和放置。物体获取由使用者手动执行，这需要定位和捕获所需的物体。操控和放置步骤是完全自动化的，包括将捕获的物体移动到装配位置并将其放置在适当坐标处。在放置过程中，校准算法会更新部件坐标系以校正先前移动过程中累积的任何位置错误，从而确保对象的精确三维定位。

图2 定位精度。a,b. 组装的3×3网格1 µm PS球体。红色圆圈与观察到的球体的质心位置一致，而黄色圆圈则对应于具有均匀间距的理想网格。a中的网格σMAE=43 nm，而b中的网格σMAE=132 nm。a中的网格是使用校准程序制造的，而b中的网格是在没有校准的情况下制造的。c. 放置成功率相对硅烷浓度的函数，使用3.4kDa的硅烷分子量（MW）。d-f平均绝对位置误差是d硅烷浓度（MW=3.4 kDa）、e硅烷分子量（浓度=25 mg/mL）和f捕获激光功率（MW=3.4 kDa，浓度=20 mg/mL）的函数。误差线对应于平均值的标准误差。d. 较低的硅烷浓度会导致位置误差增加，因为结合基团的表面密度降低会导致物体在放置时发生移动。蓝色显示的数据是通过校准过程获得的，而红色的×数据点是未经校准获得的，说明了在放置物体之前重新校准工作台的重要性。e. 分子量在600 Da和5000 Da之间对位置误差没有明显的影响。f. 由于弱光阱中的布朗运动使物体产生较大的平均位移，减小的激光功率对应较大的位置误差。

作者量化了放置成功率和位置准确性对用于功能化基底的生物素聚乙二醇（PEG）-硅烷分子浓度的依赖性。作者在基板上装配了3×3网格分布的链霉亲和素涂覆的1µm聚苯乙烯球，并比较它们与理想的均匀间距网格的实验位置。在低生物素涂层密度下，特定表面位置可能不存在生物素分子，导致生物素聚乙二醇硅烷分子少于0.5 mg/mL的功能化溶液的放置成功率降低。对于50 mg/mL的浓度，放置成功率>90%。即使放置成功，低表面涂层密度也会导致位置错误。与放置成功率一样，生物素聚乙二醇-硅烷浓度超过0.5 mg/mL可确保60–70 nm的持续定位精度。作者还注意到校准程序的重要性，它确保在整个装配过程中准确定位物体。作者还研究了生物素聚乙二醇硅烷分子的分子量对PEG聚合物链长度的影响。虽然很长的链可能导致位置错误，短链可能会阻止生物素分子通过理想的方向与珠上的链霉亲和素分子结合，但是对于分子量在0.6-5k Da之间的分子，没有发现对位置准确性的影响。影响放置精度的另一个因素是激光功率，因为陷阱功率与陷阱强度相关。较弱的陷阱允许在装配过程中由于布朗运动产生较大的物体位移，这可能导致定位不准确。对于使用的1µm PS球体，陷阱功率超过5 mW会确保良好的定位精度。

图3 利用光镊进行大规模微组装。a. 三维周期的8×8×7简单立方晶格的扫描电子显微镜（SEM）图像，由交替的生物素涂覆和链霉亲和素涂覆的1µm聚苯乙烯球构成。插图：两种成分的三维布局。b. 来自a的SEM图像，在结构的正面、侧面和顶面上覆盖红色球体，用于估计180 nm的平均绝对三维位置误差。c. 一个6×6交替生物素和链霉亲和素涂覆1 µm球体的网格角落的高倍扫描电镜照片。链霉亲和素涂覆的球体表面更粗糙。d-f. c中全结构的光学显微镜图像。生物素涂覆的球是绿色荧光，而链霉亲和素涂覆的球是红色荧光。亮场图像显示在d中，使用FITC滤波器组获得的荧光图像显示在f中。混合模态图像（亮场+荧光）如图e所示。

利用优化的OPAL工艺参数，作者组装了类似氯化钠晶体结构的双组分简单立方晶格。在准备SEM成像时，使用液态二氧化碳临界点干燥器干燥结构以防止常规干燥过程中可能发生的损坏。该结构由7层8×8个物体构成，共448个构件。使用当前的平台组装此结构大约需要11个小时，其在整个长时间的组装过程中精确地放置物体，突显出作者方法的稳定性。作者使用三维坐标旋转从SEM图像中的二维球坐标估计晶格的三维位置精度，从而得到180 nm的三维位置精度。虽然这比构建3×3网格时的2D定位精度要差得多，但是作者注意到构件的大分散性（~10%）极大地影响了粒子相互堆叠时的三维位置精度。因此作者期望更均匀分布的构件能够实现更好的位置精度，更符合二维结果。

图4 用光镊进行多尺寸构件的微组装。a. 由链霉亲和素涂覆的组装的1µm聚苯乙烯球和生物素涂覆的2µm聚苯乙烯球构成的三维金字塔的扫描电镜图像。这些小斑点是金属涂层在扫描电镜成像时产生的缺陷。插图：结构的三维布局，绿色球体对应生物素功能化涂层，蓝色球体对应链霉亲和素功能化涂层。b. 一系列亮场光学显微镜在不同高度拍摄的图像，以获取包含2µm PS球体的平面。c. 使用德克萨斯红滤光片组获得的一系列荧光显微镜图像，在图b所示相同的视野和高度下拍摄。这些图像显示了2µm构件的粉红色荧光性质。

作者将一个较小的微结构组装成一个具有多种构件尺寸的三维金字塔形状，这表明了该平台对于构建异构结构的灵活性。两种构件都是由聚苯乙烯组成的，其中较大的（2 µm） 带有生物素涂层的荧光球和较小的（1 µm） 具有互补链霉亲和素涂层以使物体结合的球体。这种设计的几何结构类似于氯化铯晶体结构，只是去除了一半较大的球体，以适应中心和角落“原子”的尺寸比所产生的几何限制。这使得2 µm球的配位数为8，1 µm球的配位数为4。

作者简介

第一作者 E.

通讯作者 Euan

光学科学助理教授；BIO5研究所成员；UA癌症中心附属成员

实验室简介

亚利桑那大学Wyant光学学院的软纳米光子系统实验室对软材料科学、纳米光子学和系统工程进行交叉研究。实验室采用实验、理论和计算相结合的方法研究了光与纳米级胶体构件结构的相互作用。研究包括这些材料的基本光学性质，使用光镊操纵纳米颗粒，组装纳米结构光子超材料和超分辨器件，集成纳米光子和微光子系统，利用无透镜全息显微镜对纳米颗粒和生物分子进行传感。这些研究将实现更好的显微镜，更小更轻的光学设备，更敏感的生物医学传感器。

主要研究方向包括：光学组装，纳米光子设计，无透镜成像，生物传感。

主要研究成果

1. E. and Euan , “ of from of -scale using ,” & , 7, 45 (2021).

2.Zhen Xiong, Colin J. , and Euan , “High-speed lens-free of using ,” ACS , 6 (3), 1208 (2021).

3. Lei Chen, Cheng Li, Yu-min Liu, Su, and Euan , “Three- of - Mode in Large ,” , 20 (18), 5420 (2020). Part of the issue on Micro- for .