撰稿 | 陳明遠(yuǎn)、郭宸孜

很多人都熟悉吹風(fēng)機(jī)吹氣球的實(shí)驗(yàn)，利用伯努利原理，流動(dòng)的空氣與其運(yùn)動(dòng)方向成直角的平面所施加的壓力，使得吹風(fēng)機(jī)可以遠(yuǎn)距離操縱氣球。

據(jù)此，馬克斯-普朗克研究所的Moritz Kreysing團(tuán)隊(duì)腦洞大開，如果將吹風(fēng)機(jī)換為光源，氣球換為微尺度顆粒，是不是也能進(jìn)行非接觸式的操縱呢？

經(jīng)過長時(shí)間的努力，作者得出了肯定的回復(fù)。先來看一個(gè)簡短的小視頻吧：

正如視頻中所示，研究人員提出了一種利用光致諧波流體動(dòng)力學(xué)勢阱進(jìn)行高靈敏度力測量的方案。該方案不需要激光和顆粒直接的相互作用，也對(duì)探針材料沒有特定要求，而是利用光場將流體的拓?fù)淙毕蒉D(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)膠體的吸引子。利用這一效應(yīng)，可以以接近熱極限的靈敏度探測飛-牛頓范圍的力。

該工作發(fā)表在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊《eLight》上，題為“Highly sensitive force measurements in an optically generated, harmonic hydrodynamic trap”。

光鑷技術(shù)通過光場的控制來測量顆粒的微小受力，其問世對(duì)物理、生物、材料等學(xué)科產(chǎn)生了變革性影響，其發(fā)明人Arthur Ashkin也于2018年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，目前這一技術(shù)極大依賴于探針材料的性質(zhì)，同時(shí)受特定生物過程的影響，因此應(yīng)用場景極為有限。

此前，國際上多個(gè)頂尖團(tuán)隊(duì)就流體動(dòng)力學(xué)阱作了一系列開拓性研究，以圖捕獲光顆粒。然而這往往需要引入交叉微通道，以及復(fù)雜的光學(xué)驅(qū)動(dòng)微轉(zhuǎn)子等，使得實(shí)驗(yàn)難度很大。

鑒于此，在本篇文章中，研究人員提出了一種新型的光學(xué)誘導(dǎo)流體動(dòng)力學(xué)阱，它有效地依賴于準(zhǔn)一維流場中粒子的被動(dòng)自定心。該場的特點(diǎn)有是線性力-位移關(guān)系，可以測量外力。

為此，該團(tuán)隊(duì)利用兩個(gè)相對(duì)的共線熱粘性流場，通過將紅外激光的掃描線分成同一軸上的兩個(gè)反向路徑，從流動(dòng)偶極子過渡到類似四極子的流場（圖 1）。

圖1：實(shí)驗(yàn)原理及力阱示意圖

從技術(shù)上講，這些是在亞毫秒時(shí)間尺度上以分時(shí)方式運(yùn)行的。具體而言，激光掃描的方向決定了誘導(dǎo)流的方向，并且在沒有直接激光照射的區(qū)域中，兩個(gè)反向激光掃描路徑（圖2 中的水平箭頭）之間會(huì)形成一個(gè)駐點(diǎn)。這排除了光捕獲的可能性。對(duì)于位于兩條激光路徑之間的軸上的粒子，產(chǎn)生的流場實(shí)際上是一維的，駐點(diǎn)代表虛擬吸引子。

圖2：可視化流場線

此外，在靜態(tài)流場中，沿垂直延伸軸（圖 2中的垂直箭頭）的任何位置波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致顆粒被排出。為了避免這種情況，該團(tuán)隊(duì)利用了這種微流體系統(tǒng)的光學(xué)控制能力。具體來說，通過主動(dòng)反饋控制，使逆流的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)和壓縮軸與粒子的延伸快速重新對(duì)齊，從而恢復(fù)一維的幾何。 

最后，該流體力學(xué)阱可以在微米尺度上感應(yīng)飛牛頓力。

這種方法既不需要引入交叉微通道，也不需要引入復(fù)雜的光學(xué)驅(qū)動(dòng)微轉(zhuǎn)子，而是直接在由兩個(gè)平行玻璃表面組成的通用顯微鏡室內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)流場。相對(duì)于光鑷，這種方法無須激光-顆粒的直接接觸，同時(shí)不依賴于材料性質(zhì)，這就為生物體內(nèi)非侵入式、非接觸式研究提供了全新可能。

作者認(rèn)為，這篇工作只是一個(gè)全新的開始，將來他們會(huì)投入大量的精力，致力于將該方法推向?qū)嶋H應(yīng)用，包括澄清該方法的理論框架、進(jìn)一步縮小測量時(shí)間、探究光阱剛度和微顆粒大小的關(guān)系、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其生物應(yīng)用等等。

論文信息：

Stoev, I.D., Seelbinder, B., Erben, E. et al. Highly sensitive force measurements in an optically generated, harmonic hydrodynamic trap. eLight 1, 7 (2021).

https://doi.org/10.1186/s43593-021-00007-7

監(jiān)制 | 郭宸孜、孫婷婷、趙陽

編輯 | 趙唯

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