自从1980年代Ashkin提出光镊技术以来，光镊技术得到长足发展与广泛运用，并因此获得2018年诺贝尔物理学奖。光镊技术不但可以通过光梯度力来操控微米尺度的介质球或生物细胞等,也能用于纳米尺度的颗粒、囊泡、生物大分子等样品的动态操控。然而光镊技术在实际应用中还存在诸多问题亟需解决。特别是在生命科学应用中，不但要考虑捕获样品尺寸，还要考虑工作波长、热效应、溶液环境等多种因素对光镊捕获效果的影响以及对生物样品的光损伤。近年来，国际科研人员发展了很多新型光镊技术以应对这些问题，如光电、热电、表面等离激元光镊技术等等。但是这些光镊技术各有优缺点，仍然不能满足光镊技术实际应用中对低损伤、宽工作波段等方面的迫切需求。因此，发展一种兼具低损伤与宽工作波段的光镊技术仍然具有十分重要的意义。

近日，我校微纳光电子学研究院袁小聪教授团队提出并验证了一种基于石墨烯的新型热电光镊技术（图1）。它利用激光在石墨烯表面产生局部热点，通过热梯度控制溶液中的电荷分布形成稳定电场，从而使溶液中的带电颗粒受电场力作用被捕获于热点中心。由于石墨烯材料具有宽光谱吸收、高度均匀、热扩散系数高、生物相容性好等优点，因此石墨烯的引入不但降低了传统热电光镊捕获所需的入射光功率，还把热电光镊的工作波长从可见光扩展到红外、远红外等对生物样品伤害少的波段，为热电光镊用于生物样品的操控研究扫清了一大障碍。

图1. (a)石墨烯热电光镊示意图，（b）石墨烯热电光镊捕获介质颗粒效果(在石墨烯表面稳定捕获，玻璃表面无法捕获)

袁小聪教授等人从理论和实验上证明了在红外波段(1064nm激光)下，热电光镊在石墨烯基底上比传统金膜和玻璃基底都表现出更优异的捕获能力，并在单层石墨烯情况下就使得颗粒的捕获功率降低了1个数量级（如图2a-b）。其研究结果不但验证了基于石墨烯的热电光镊具有宽光谱响应的能力(图2c)，还能通过增加石墨烯的层数更进一步增强光镊的捕获能力和降低激光捕获功率(图2 d)。

图2.（a）不同基底下光镊力模拟；(b)光阱刚度测量；(c)不同波长下光阱刚度测量；(d)石墨烯层数对光阱刚度影响测量。

传统光镊技术需要高数值孔径的物镜聚焦形成高强度焦点，以提供实现捕获的光学力。而基于石墨烯的热电光镊，可以通过把石墨烯加工成微结构图案，只需要一个非聚焦的平面光束照射就能大面积稳定捕获多颗粒(图3a-b)，从而可以避免物镜聚焦带来的大激光功率密度导致对生物样品的伤害。同时基于石墨烯结构的热电光镊结合全息光镊技术也可以实现多颗粒的动态操控(图3c-d)。

图3(a)通过激光刻蚀加工出的石墨烯结构；(b)石墨烯结构对多颗粒捕获效果；在石墨烯阵列结构上动态操控多颗粒示意图(c)与实验结果(d)；

这一技术的提出将极大促进了光镊技术在活细胞操控研究等领域的应用，也可在生物传感中用于聚集检测分子提高检测灵敏度。此外该技术可与片上微流控技术结合，作为颗粒、细胞等的操控手段或分流开关，为新型生物检测芯片研究与应用开辟了新的方向。

相关研究成果以标题“Graphene-Based Opto-Thermoelectric Tweezers”发表在国际顶级学术期刊《Advanced Materials》上。汪先友副研究员为第一作者，张聿全副教授、闵长俊教授以及袁小聪教授为共同通讯作者，深圳大学为唯一完成单位。该研究得到广东省基础与应用基础重大项目、国家自然科学基金、深圳市孔雀团队以及深圳市科创委相关项目的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107691