第一作者：王大境

通讯作者：单旭晨、王帆

通讯单位：北京航空航天大学

在单细胞治疗、细胞显微手术、基因编辑、亚细胞制造和细胞力学研究等前沿生命科学领域中，对细胞内部结构进行精确操控与靶向递送是最关键的技术能力之一。为此，科学界发展了多种能够在微纳尺度施加力的工具。光镊（Optical Tweezers）凭借非接触、亚纳米级位置精度和超高力敏感度，成为研究细胞器、细胞骨架以及细胞内部力学行为的理想工具。光镊不仅能用于捕获线粒体、过氧化物酶体等天然细胞器，还可操控内吞纳米粒子以测量细胞膜弹性或细胞质黏弹性，是研究细胞物理特性的重要手段。然而，尽管光镊在细胞研究中应用广泛，在活细胞内进行稳定、高效的光捕获依旧非常困难。其根源在于两点：（1）捕获刚度不足——细胞结构复杂、折射率高度非均匀，使激光波前在穿过细胞膜和细胞器时严重畸变，陷阱强度显著下降；（2）需使用高功率激光——为了弥补像差导致的捕获弱化，往往不得不提升激光功率，但这可能造成细胞加热或光损伤。因此，如何在复杂的细胞内部高速补偿像差、增强光镊刚度、实现低功率稳定操控，成为当前“细胞内光镊”领域亟待突破的核心难题。

近日，北京航空航天大学物理学院王帆、单旭晨团队与国内外单位合作，提出一种基于智能算法的新型全息光镊-粒子群优化光镊（Particle Swarm Optimized Optical Tweezers, PSOOT）。这种新型光操控技术解决了长期困扰光镊在细胞内部操控的关键问题——细胞结构的复杂性与非均匀性引起的空间像差。这一方法首次在细胞内捕获粒子实现了动态、快速、自动化的光场优化，使捕获刚度提升至接近理论结果，并成功实现活细胞中脂滴的稳定操控与细胞内空间像差的定量研究。该成果发表于光学领域顶级期刊Laser & Photonics Reviews，北京航空航天大学为第一单位，博士生王大境为第一作者，通讯作者为单旭晨副教授与王帆教授。

本文亮点包括：提出粒子群优化（PSO）算法驱动的自适应像差校正；光镊刚度可提升至接近理论极限；实现活细胞内脂滴的稳定捕获与操控；利用光镊实现细胞内光学微环境定量研究。

研究人员将智能优化算法PSO引入光镊相差优化，将多个泽尼克相差的系数作为变量进行同时优化，将被捕获荧光粒子的荧光强度信号作为反馈指标。使得激光在相同功率下对于荧光颗粒的激发效率得到优化和提升，光强梯度也应当具有相应的提升，进而提升光捕获强度。该方法可实现：（1）同时优化多个 Zernike 模式；（2）毋须预设步长与扫描区间；（3）寻优速度比传统扫描 快 4 倍以上；（4）这一策略具备高度鲁棒性，可动态应对细胞器运动与光场扰动。 

图1. 粒子群优化光镊（PSOOT）的工作原理。优化算法的引入相比于传统的顺序优化策略提高了优化效率。

对于常用的 1 μm 聚苯乙烯红色荧光微球产品，PSOOT可以将荧光亮度从9344优化到30507，对应的光镊刚度优化到理论值0.30/0.33 → 3.36/3.80 pN/µ m/mW。优化后的系统对于 110 nm 上转换纳米粒子的实验中，也取得了更好的捕获性能。其荧光图像质量也获得了显著提升峰值信噪比从8.7提升到48.84。

图2. 光镊捕获单颗粒优化实验。对于微米和纳米尺度的颗粒的捕获刚度均有提升。像差的优化，也使得荧光成像质量提升。

在未优化条件下，光镊捕获脂滴经常逃离捕获；使用 PSOOT 优化后可以30 mW的功率下在细胞内部稳定跟踪、移动，其位置误差（RMSE）降低 53%。更重要的是，研究团队利用优化结果定量映射了细胞内部不同区域的像差分布，发现细胞中部区域像差较为严重，且会对光镊刚度造成影响；各区域最佳 Zernike 模式存在差异；细胞自身结构会抵消或增强部分系统像差。这是借助光镊技术手段对细胞局部光学微环境研究的定量探索。

图3. 细胞内优化后脂滴的更稳定捕获，运动过程中观测到光镊刚度的变化。以及细胞内捕获荧光纳米小球后的优化过程和结果。

总结与展望

该工作确立了细胞内光镊“优化—操控—感知”的一体化技术范式，将推动生物物理、纳米医学和光场调控领域的发展。除此之外，可结合的智能优化包括但不限于粒子群优化算法，其他的改进优化算法以及先进的神经网络等方法，有望进一步的提升优化速度和效果，实现更高速的实时优化有利于对细胞内光学微环境进行更加准确的感知、也使得光镊细胞内传感的精确度获得进一步提升。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Intracellular Manipulation by Particle Swarm Optimized Optical Tweezers

Dajing Wang, Tiange Zhang, Jinlong Shi, Yao Wang, Baolei Liu, Lei Ding, Chaohao Chen, Wenchao Zhang, Jiachen Zheng, Jialin Chen, Ziqi Li, Renren Deng, Xuchen Shan, Fan Wang

Laser Photonics Rev., 2025, DOI: 10.1002/lpor.202502473

研究团队简介

第一作者

王大境

北京航空航天大学物理学院博士研究生，师从王帆教授。研究方向为光镊测力技术，共发表SCI研究性论文8篇，英文专著章节 2篇。其中包括以共同第一作者/第一作者发表Nature Photonics、Laser & Photonics Reviews、Optics Express；申请发明专利2项。入选首届中国科协青年人才托举工程博士生专项计划、曾获博士研究生国家奖学金、北京航空航天大学优秀研究生、2025 ICAM-China Emerging Scientist Award等荣誉，研究成果曾获2024中国光学十大进展以及2024中国光学十大社会影响力事件。

通讯作者

单旭晨 副教授

单旭晨，北京航空航天大学物理学院副教授。2022年毕业于悉尼科技大学，师从金大勇院士、王帆教授。毕业加入在北京航空航天大学王帆教授课题组。共参与发表SCI文章18篇，Google Scholar 引用700余次。其中以第一作者发表Nature Nanotechnology、Nature Photonics各一篇。荣获2024年中国光学十大进展、中国光学十大社会影响力事件，2025年中国激光杂志社“青云奖”。

https://www.x-mol.com/groups/shan_xuchen 

王帆教授

王帆，北京航空航天大学物理学院， 应用物理系主任，国家高层次引进人才，主要从事生物光子学、纳米光子学、超分辨显微成像和光镊的研究。共发表SCI 文章98篇， 通讯/共通讯文章含Nature Photonics, Nature Nanotechnology，Nature Protocols, Nature Communications，Light: Science & Applications，Optica，Nano Letters，和Advanced Materials。授权专利十余项，OSA、SPIE、IEEE等国际会议邀请报告31次。成果入选中国光学十大进展与中国光学十大社会影响力事件。主持区域联合基金重点项目等。任北京光学学会理事，中国生物物理学会生物医学成像专委会理事，中国光学学会生物医学光子学委员会委员，中国光学工程学会计算光学学委员会青年委员，APL Photonics 青年编委，Journal of Modern Optics编委，中国激光编委， Chinese Optics Letters编委，中国稀土学报青年编委。曾获得澳大利亚青年学者奖（DECRA）、澳大利亚David Syme研究奖以及iCANX青年科学家奖。受到Light People人物专访（https://mp.weixin.qq.com/s/7usm_GGZO8pT3QJ7bKrB2g  ）。

王帆课题组诚邀有光子学背景的青年才俊通过海外优青和北航海外人才计划（https://mp.weixin.qq.com/s/s56ShDguH9dkhslh-zZd_A   ）加盟课题组。诚招光子学背景的优秀博士后（https://mp.weixin.qq.com/s/plio53yI98jORIriQSCHIw   ）、博士和硕士。更具体的信息请联系：fanwang@buaa.edu.cn