一、光学力原理：从光子动量到精准操控

光学分选的核心在于利用光与物质相互作用产生的光学力，实现对微纳颗粒的精准操控。根据作用机制不同，光学力可分为以下四类：

1.光辐射压力（Optical Radiation Pressure, ORP）

原理：光子动量传递产生的沿光传播方向的推力。

应用：早期用于微米级颗粒分选，如Buican团队利用双光束ORP分选中国仓鼠卵巢细胞，通过光动量转移实现尺寸依赖的细胞分离。

局限：依赖光场发散，深层组织中易受散射干扰，纳米级颗粒动量转移效率低。

2.光梯度力（Optical Gradient Force）

原理：光场强度梯度将粒子捕获至高强度区域，广泛应用于光镊技术。

创新：MacDonald团队开发全息光学镊子，通过动态光场生成三维光学晶格，以近100%效率分选2–5μm二氧化硅微球。

3.光牵引力（Optical Traction Force）

原理：反直觉的力，作用方向与波矢相反。

应用：石墨烯等离激元镊子在中红外波段（970nm）利用Fano共振产生双向光梯度力（OGF），分离折射率差异仅0.1的介电颗粒。

4.光横向力（Optical Lateral Force）

原理：垂直于波矢的光力，源于光横向动量转移，包括横向线性动量和角动量。

突破：

手性操控：Wang与Chan发现60–100nm手性螺旋颗粒在横向自旋动量作用下产生方向选择性位移，利用线偏振光实现左右手性颗粒的双向分离。

纳米级分辨率：Shi等在空气-水界面通过动量转移，以10nm分辨率分选手性微球，无需化学标记。

 

二、技术分类：主动与被动分选的协同进化

光学分选技术可分为主动和被动两大类，二者通过集成微流体、AI、成像等技术实现高效分选。

1.主动光学分选

原理：利用可移动光镊结合外部信号（荧光、拉曼信号、机器学习数据）动态控制颗粒运动。

技术突破：

拉曼光谱-光学镊子：同步完成单细胞化学成像与物理分离，将“分子特征识别-功能细胞分选”整合为连续流程。

量子点靶向分选：Zheng等用双色荧光纳米球标记肿瘤细胞，通过双光子激发实现MCF-7与MIAPaCa-2细胞的精准分离，误差率<5%。

“幽灵cytometry”：Ota团队开发无图像重建的细胞分类技术，利用单像素探测器与支持向量机（SVM），以3000细胞/秒速度完成分类，避免荧光标记毒性。

2.被动光学分选

原理：基于颗粒对光场的不同响应自动分选，依赖光辐射力、光梯度力等传统光学力。

技术突破：

超表面技术：Hu等构建声-光集成芯片，先通过声表面波（SAW）预聚焦白细胞，再利用光辐射压力实现淋巴细胞与单核细胞的无标记分离，纯度超95%，效率较传统流式细胞术提升10倍。

拓扑光学场：Lu等在光学梅龙-反梅龙晶格中，通过拓扑电荷调控实现100nm金颗粒的100%效率分选，抗光场波动能力提升3倍。

 

三、应用场景：从生命科学到工业制造的跨越

光学分选技术凭借其高精度、非侵入性和纳米级分辨率，在多个领域实现颠覆性应用。

1.生命科学领域

单细胞分析：拉曼光学镊子同步完成单细胞化学成像与物理分离，用于解析生物复杂性。

手性分子分离：实现紫杉醇对映体的光学拆分，纯度达99.9%。

病毒捕获：Luo等设计全介质超表面，利用电偶极-环偶极共振分离9nm与10nm聚苯乙烯颗粒，分辨率达1nm。

2.医学诊断

循环肿瘤细胞（CTC）富集：结合荧光原位杂交（FISH）实现基因突变原位分析。

外泌体亚型分选：Hong等开发光热电动力学镊子，利用纳米孔阵列的温度梯度捕获20nm颗粒，同时排斥100nm颗粒，适用于外泌体（30–200nm）亚型分离。

3.工业制造

农业：马铃薯加工厂利用光学分选机剔除石头、泥块和腐烂芽眼，损耗率从35%降至7%以下。

垃圾分类：再生资源回收中心通过超高速线阵相机和分光模组，以400倍效率分选混合塑料饮料瓶。

矿业：动力电池循环基地利用蓝光干涉仪和电磁场，实现锂电池碎片中正负极组分的快速截留，纯度突破98.65%。

4.环境监测

废水处理：光学分选机根据颗粒颜色、形状和密度分选污染物，提高回收效率。

空气质量检测：结合激光扫描仪，实时监测颗粒物尺寸和成分。

 

四、未来展望：光控时代的精准操控

当前技术仍面临分选速度慢、高浓度样品处理难等挑战。未来发展方向包括：

1.深度学习与光学设计融合：实时光场优化提升分选效率。

2.全介质材料普及：氮化硅超表面芯片通过纳米压印批量生产，成本降低80%。

.3跨尺度高通量平台：兼容病毒至组织碎片的分选需求。

光学分选技术正从“被动成像”迈向“主动操控”，推动精准医学与纳米材料合成进入“光控时代”。