施宇智 副教授
上海交通大学
施宇智，2018年3月毕业于西安交通大学，获机械工程博士学位。2013年1月进入新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院进行交流学习，随后在2014年4月至2018年4月，以Project officer身份在该学院开展科研工作，导师为刘爱群教授。并于2018年5月1日至2021年6月30日继续在刘爱群教授课题组从事博士后工作。2021年7月回国加入上海交通大学微纳电子学系智能感知与生物医学微系统 (EE-MEMS) 实验室，从事微纳光子器件研究、尤其光流控微纳操控芯片研究。具体研究方向为：远/近场光镊操控光流控系统，在微纳光流控芯片中实现纳米颗粒和生物分子的精密操控；微纳光学谐振腔和前沿微光系统中的光学力研究等。以第一作者身份在多个国际学术期刊发表了10余篇SCI论文，其中3篇论文为ESI高被引论文。研究工作曾被Nature子刊Nature Review Materials长文专题报道。另以合作或通讯作者身份在Nature Communications、Physical Review Letters以及Advances in Optics and Photonics等国际顶尖期刊上合作发表20余篇论文。获得国际光流控大会Best Paper Award (Oral) 一次，获得2020年陕西省优秀博士学位论文奖、2021年林孟良基金优秀博士论文奖和2021年Sensors旅行奖等。任Micromachines特刊“Optical Manipulations in Biological Science and Emerging Optics” 客座编辑。
图为项目部分人员在新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院Valens实验室合影。
02访谈内容
Q：目前光镊技术在生物学和医学领域应用很多， 比如操纵细菌或细胞。您团队的此次研究通过“光镊”来捕捉和移动单个"病毒", 能介绍下是什么激发了你们小组的这个创新研究吗？目前你知道还有其他科学家或研究团队在这个方向进行研究吗？
新世纪以来，全球范围内流行病毒的爆发变得越来越频繁，当前的2019新冠病毒更是给国际社会和普通民众带来了沉重的灾难和生活上的不便。目前广泛采用的检测技术如PCR、ELISA、胶体金免疫法和化学发光法等无法对窗口期的单病毒进行快速检测，从而导致漏检，引发区域流行。并且，针对PCR技术来说，由于检测的是RNA片段，有可能检测出体内的死病毒，从而产生假阳性的误判。因此亟需一种病毒感染早期的单病毒检测技术，能够精密捕获和检测体液中的单个病毒，将病毒流行扼杀在襁褓中，并对单病毒毒性和感染细胞的机制进行分析，有利于病毒抑制剂和药物的开发。
我们课题组早在2013年就已经萌生了对该研究的设想。在细小生物的操控方面，细胞和细菌的操控方法较多，包括流式细胞仪、介电泳、声学方法以及光镊系统等。然而由于病毒极小的尺寸 (通常为20-200纳米)，操控方法十分有限。而光镊方法在操控细小生物颗粒如病毒、蛋白质和DNA等方面具有得天独厚的优势。目前光镊技术操控病毒等细小生物分子的方法主要有：光镊技术的创始人Arthur Ashikin发明的单光束光镊随机捕获溶液中的病毒颗粒，2014年，密西根大学的Wei Cheng教授在Nature Nanotechnology上报道用该法捕获哺乳动物病毒，并对其特异性进行分析；双光束和多光束光镊拉伸；2009年，康奈尔大学的David Erickson在Nature上报道利用槽波导捕获微通道中的RNA，同时推动其沿着波导的方向运动；以及2020年，范德堡大学的Justus C. Ndukaife在Nature Nanotechnology上报道等离子体光热镊子来捕获、传输和分离生物蛋白等。这些方法通常是对溶液中的生物颗粒进行随机捕获，无法操控任意颗粒，且大部分技术仅仅局限于捕获这项单一功能。同时，虽然等离子体光镊可以产生较大的光学力，但同时也会产生一定的局部热，会对生物颗粒产生巨大的伤害，影响样品活性。最近，我们课题组通过免疫分析法将病毒与荧光量子点和纳米颗粒结合起来，利用耦合光波导对颗粒施加光学力，顺利地从微通道中捕获了单病毒，并对其进行了计数[1]。
Q：能简单阐述下这个“镊子”操纵病毒的过程吗？
本技术提出一种光流控芯片来对体液 (如血液) 中的单个或多个新冠病毒进行多功能智能化操控。该技术利用全新的全介电质光子晶体纳米孔阵列，通过光在阵列中的奇异谐振模式在孔中产生高度束缚的光场，从而在光流控微通道中通入的病毒上施加光学吸引力将其吸引捕获到纳米孔中。采用全介电质材料，能够克服金属等离子体光镊技术产生的高热量等缺点，有效保护病毒的活性。设计厚度小于1微米的光流控微通道，实现微通道中的病毒100%捕获。利用小范围的光场，可以直接对单个病毒进行精密捕获，进一步移动光场可以将病毒传输到指定的位置，并且在光场作用一定的时间后，病毒将会被光学吸引力吸引到单一孔洞内，实现精确定位。同时，保持大范围光场的持续作用，可以将微通道中所有病毒逐一捕获到单一孔内，由于每一个孔内最多捕获一颗病毒，实现了病毒的隔离和提纯。
Q：您的实验室对于这项研究还有其他的拓展吗？
除了对溶液中的任意单个和大量病毒的多功能化操控，我们的光流控芯片还可以实现多个生物医学方面的潜在应用。目前我们已经或即将开展的工作有：通过不同孔径大小的纳米孔阵列，可以实现不同大小的病毒在物理角度上的分离与提纯，当然该方法仅仅适用于两种病毒物理尺寸范围不发生很大交叉的情况下。同时，当病毒被捕获到单纳米孔中后，通入荧光染色的抗体可以对单个病毒进行荧光标记，而荧光点的数目则对应病毒的个数，从而可以对其量化检测，实现对一定体量体液中的单个病毒快速精密操控和单病毒级别的检测。
Q：由于市面上目前没有能从一定体量的样品中操控任意单个病毒的技术，您的团队是否能预估下你们此这项研发对于诊断和药物研制方面的具体发展和突破会是怎样的？
前面我们提到，我们的技术可以在单病毒尺度对一定体量体液中的任意单个病毒快速精密操控和单病毒级别的检测；不仅如此，该技术可以对当前新冠病毒进行抑制剂的删选，建立用于新冠病毒抑制剂筛选的化学修饰短链核酸候选分子库，实现单病毒水平的新冠病毒共价抑制剂高通量筛选；同时对药物删选和开发也有着很大的潜在价值。我们还可以对隔离提纯的单病毒进行单细胞的侵染实验，研究单病毒的毒性和病毒的致病机理等，对新病毒的潜在大流行进行判断。从单病毒的角度，潜在地推动诊断和药物研制的发展。
Q：能谈谈“光镊”在其他领域中相关应用吗？
光镊技术除了在直接操控和分析生物粒子等相关生物医学领域具有很大的潜力。Ashkin教授利用光镊技术控制神经元的生长；暨南大学的李宝军教授利用光纤光镊预捕获颗粒和细胞对光场进行调控，克服了衍射极限，实现了细胞内高分辨率成像；武汉大学的杨奕教授将光镊技术与声学技术结合，实现了尺寸分布较广的生物颗粒的筛选，以及利用光镊技术精密对生物体内的细胞、DNA等进行直接操控，进行微型手术等。近年来，香港科技大学的陈子亭教授、新加坡国立大学的仇成伟教授、复旦大学林志方教授、南方科大的Jack Ng教授和哈工大的丁卫强教授等在光学牵引力和横向力等方面也做出了一些创造性的工作。与此同时，在前沿光学领域，光镊系统在测量光子自旋、手性探测和删选等方面也具有广泛的应用。
Q：对于Micromachines在这一技术领域的相关邀稿和文章发表您有什么好的建议吗？
由于光镊技术在生物医学以及前沿光学热点等领域的广泛的应用，也推动了相关领域的不断的探索。因此建议期刊可以从这两个重要的领域出发，邀请和发表一些有影响力的文章，推动光镊技术的不断进步。比如生物分子的高速分离提纯、单病毒的检测、生物成像、前沿光学技术例如BIC和EP等应用、光子角动量、手性检测和删选等大家普遍感兴趣的方向。
03参考文献
1. Yuzhi Shi, Kim Truc Nguyen, Lip Ket Chin, Zhenyu Li, Limin Xiao, Hong Cai, Ruozhen Yu, Wei Huang, Shilun Feng, Peng Huat Yap, Jingquan Liu, Yi Zhang, Ai Qun Liu, Trapping and detection of single viruses in an optofluidic chip. ACS Sensors,2021,6, 3445-3450.
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