科技創新

靈巧的光手指

用光移動小粒子,將成為新型態的奈米製造技術。

撰文/斯蒂克斯 ( Gary Stix )
翻譯/李沃龍

科技創新

靈巧的光手指

用光移動小粒子,將成為新型態的奈米製造技術。

撰文/斯蒂克斯 ( Gary Stix )
翻譯/李沃龍

(圖:雷射光產生的光漩渦,能使微小珠粒圍成圈圈)


1992年,葛利爾(David G. Grier)獲得美國芝加哥大學教職。當時他打算繼續鑽研高溫超導體,這是他在貝爾實驗室擔任博士後研究員的研究課題。在超導體實驗室籌備期間,葛利爾決定進行一項他認為快速、容易的懸浮粒子(膠體)實驗。科學家常以膠體為工具,在不需移動個別原子的情況下,研究金屬晶體或其他微小粒子團內原子之間的交互作用。


葛利爾說:「我們很快就做完了實驗,卻發現沒有一項結果是符合預期的。」該實驗將直徑一微米帶負電的乳膠珠子,置入兩塊平行板之間的溶液中;這兩塊平行板靠得很近,而且也帶負電,但結果這些帶電粒子卻表現出很強的吸引力。他說道:「這個現象完全違反了50年來的理論預測,帶同性電的粒子在溶液中應該會互相排斥才對。」探測膠體所需要的技術是在貝爾實驗室發展出來的,而葛利爾就是在那裡學會了「光鉗」(optical tweezer)這套技術。


光鉗使用高聚焦雷射光束所產生的力來捕捉及移動物體,物體大小從蛋白質(5奈米)到一團細胞(100微米)都可以。光鉗把粒子固定在光強度最大的地方。葛利爾和學生就用兩把光鉗測量微粒間的交互作用,每把鉗子緊抓住一顆微粒,然後關掉光阱釋放該粒子。他們以數位錄影顯微鏡觀測兩微粒彼此靠近或遠離的速率,從而計算出兩粒子間作用力大小。不過,研究人員還有更多要做的,他們想看看結構更複雜的粒子群之間是否也有這種吸引力。這類實驗的結果可能增進我們對生物系統的了解,例如,去氧核糖核酸(DNA)和蛋白質在細胞核內如何緊密地結合在一起。然而即使只測量四個粒子間的作用力,也需要數個光鉗多管齊下,這不是件容易的事。


這時,葛利爾的學生都弗瑞斯尼(Eric R. Dufresne)從一本商品型錄中找到一種只要五美元的簡單裝置,可將光筆所發出的雷射光分散成4×4陣列的光束。葛利爾回憶道:「五美元很值得一試,因為就算不成功也不會令人大失所望。結果實驗非常順利,我們立刻寫下實驗報告並申請專利。」


此專利涵蓋了電腦設計的繞射光柵,以及可將單一光束分散成陣列光束的雷射全像術,其中每道光束都會形成光阱,可捕捉微米或奈米大小的粒子。這項發明的效能遠遠超越了一般的光鉗。普通光鉗的作用頗類似一雙筷子,或一對手指頭。但是「雷射全像光鉗」(holographic optical tweezer)的功能卻比較類似一隻手,可以用不同的角度個別地運用手指頭。


這個五美元的解決方案,為下一個更具挑戰性的問題鋪了道路。從型錄購得的繞射光柵只能將原始光束分成16道,而且每道光束無法單獨操控。但是葛利爾和研究小組已經預見了在三度空間中移動千百顆粒子的可能性,因此他們試了許許多多不同的方法,希望能夠個別產生繞射光束並加以控制。從製造晶片的蝕刻設備,到新力牌隨身電視的液晶顯示技術,他們通通試過。葛利爾回憶說:「這真是一段緩慢而艱苦的過程,為的就是找出可行之道。」


最後的答案是利用「液晶光隙調節器」(liquid-crystal spatial light modulator),它原本的功能是在指紋鑑定與視網膜掃描中做模式比對之用。這種調節器藉著改變液晶分子的方向,重塑入射光束的波前,以顯現出電腦設計的全像圖中所儲存的影像。雷射全像術的圖案可以投射出成千上百道光束,並且能夠讓光束前後左右上下任意移動,甚至扭曲成螺旋形軌跡,製造出漩渦。


光鉗陣列成功地顯示出,帶同性電的粒子群之間,也會發生如同一對帶同性電粒子之間互相吸引的現象。研究人員意識到,這項技術可以有其他方面的應用。葛利爾說:「大夥兒都在問實用性何在,當時我們並不知道如何應用這項技術。我們有很多的想法,卻很少將它們付諸實踐。」


芝加哥大學科技辦公室拿著這些創新的點子四處求售,後來問到葛魯柏(Lewis Gruber),他已經從學校退休、是海西克(Hyseq,現稱Nuvelo)生物技術公司創辦人之一。當葛利爾與他的學生向葛魯柏展示光鉗陣列時,葛魯柏感到印象深刻:「這比基因組學還偉大,這是我所見過最令人振奮的事情。」葛魯柏認為,光鉗陣列不僅是一種研究生物學的工具,更可以用來製造各種不同的材料,供應從光子學到食品處理等市場之需求。


在看過葛利爾展示的幾個月之後,2000年秋天,葛魯柏從美國芝加哥大學取得專利使用執照,創立了一家新公司。創立公司的幾位元老與葛利爾實驗室中的成員必須為新公司取個名字。葛利爾提議「Very Nice光鉗公司」,但立即遭到否決;他又想到,高科技公司的名字常常用到X或Q之類的字母,因而想出「艾瑞克斯」(Arryx)這個名字。新公司總部設在芝加哥市中心某一建築的地下兩層樓,與地標建築「箭牌大樓」位於同一條街上。


艾瑞克斯公司發展出一套「指點系統」(point-and-click system),可為顆粒留下影像,再以強光反襯出來,捕捉粒子,並沿著螢幕上的軌跡移動它們。艾瑞克斯在通訊科技最熱的時候,開始利用全像光鉗技術,研發製造可以切換或擴大光訊號的光子晶體。光鉗陣列的數十道光束可以操控粒子,在井然有序的膠態晶體上製造缺陷。如此一來,這些晶體可做為光網絡的元件,例如即將出現的超低耗能光訊號導引器。


在通訊市場崩盤之後,這項新的技術展現了葛魯柏早就察覺到的多樣性。面對下一代光網絡需求的泡沫化,艾瑞克斯公司便將目光轉向生物科技的市場。它的第一項產品,是價值高達27萬5000美元的研究工具BioRyx 200,可能的買家包括美國艾茉利大學和國家標準與技術局之類的研究機構。


該公司第一項應用導向的商品,將會提升傳統醫學儀器「流式細胞儀」(flow cytometry)的技術效能,一次就可以把數百個、甚至數千個細胞加以分類。這項技術要是再進一步發展,將可使它對細胞或蛋白質的分類功能,較凝膠電泳分析更為快速、也更加精準。此外,公司原本投入在光子晶體上的研發並未白費,開發出來的裝置可能很快便能用來製造光感測器,以偵測生物武器或是有毒化學物質。


光鉗不僅僅是光之手,它的每根指頭上,好像都還裝有電動螺絲起子或是切割工具,每道光束都可以對物體施力、翻轉,或是將材料切開。未來,全像光鉗也許可以運用奈米碳管來組裝奈米電腦、純化藥物、進行非侵入性的手術,以及製造旋轉的液態漩渦,做為微型幫浦。全像光鉗擁有這麼多樣的功能,在未來持續發展的奈米科技和微機電技術中,必定會成為關鍵性的工具。


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