原創(chuàng) 長(zhǎng)光所Light中心 中國(guó)光學(xué) 收錄于話題#光鑷3個(gè)

撰稿 | 鮮輝 （中科院物構(gòu)所，博士生）

一束光同時(shí)具有熱效應(yīng)和輻射效應(yīng)，當(dāng)其與物質(zhì)相互作用時(shí)便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的力學(xué)效應(yīng)。普通光源由熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱壓力比由單純動(dòng)量交換產(chǎn)生的輻射壓力大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此很難獲得足夠的輻射壓力。激光的出現(xiàn)改變了這一狀況，使光的輻射壓力（通常約為皮牛頓pN）得到充分體現(xiàn)。

光學(xué)鑷子（Optical Tweezer 以下簡(jiǎn)稱光鑷）就是建立在光輻射壓原理上的，它是利用激光與物質(zhì)間進(jìn)行動(dòng)量傳遞時(shí)產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)形成的一種三維光學(xué)勢(shì)阱亦稱單光束粒子阱。當(dāng)一束激光作用于透明粒子時(shí)，如果粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，梯度力會(huì)把粒子推向光場(chǎng)的最強(qiáng)處(軸心)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的捕獲。

圖源：the royal Swedish academy of sciences

1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Arthur Ashkin教授等首先提出能利用光壓(optical pressure)操縱微小粒子的概念。1970年他們采用一束高斯激光成功地在垂直于光的傳播方向上束縛了懸浮在水中的聚苯乙烯微粒，這一實(shí)驗(yàn)將光輻射壓的應(yīng)用從原子量級(jí)擴(kuò)展到了微米范圍，奠定了光鑷技術(shù)的研究基礎(chǔ)。

1986年，他把單束激光引入高數(shù)值孔徑物鏡形成了三維光學(xué)勢(shì)阱，證明了光學(xué)勢(shì)阱可以無(wú)損傷地操縱活體物質(zhì)，這標(biāo)志著光鑷技術(shù)的誕生。

光鑷對(duì)粒子無(wú)損傷、非接觸性、作用力均勻、微米量級(jí)的精確定位、可選擇特定個(gè)體、并可在生命狀態(tài)下進(jìn)行操作等特點(diǎn)，特別適用于對(duì)細(xì)胞和亞細(xì)胞層次上活體的研究。如對(duì)細(xì)胞或細(xì)胞器的捕獲、分選與操縱、彎曲細(xì)胞骨架、克服布朗運(yùn)動(dòng)所引起的細(xì)菌旋轉(zhuǎn)等。這也正是光鑷技術(shù)得以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用并顯示出強(qiáng)大生命力和廣闊應(yīng)用前景的原因之一。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰在“激光物理學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)明”方面作出了突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家中，Arthur Ashkin因發(fā)明了用激光來(lái)操縱微粒的光鑷技術(shù)，革命性地實(shí)現(xiàn)了“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”而獲得2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)并獲得了一半的獎(jiǎng)金。

圖源：the royal Swedish academy of sciences

近年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)取得了巨大的成功，對(duì)世界產(chǎn)生了重大的影響，特別是在生物學(xué)和微加工研究方面。正如其發(fā)明者Arthur Ashkin所說(shuō)，光鑷“將細(xì)胞從它們的正常位置移去的能力，為我們打開(kāi)了精確研究其功能的大門”。

圖源：VEER

利用它可以從受感染的細(xì)胞中分類健康細(xì)胞，可以識(shí)別可能是癌癥的細(xì)胞?？梢杂脕?lái)測(cè)量被捕捉分子的微小運(yùn)動(dòng)和類似的微小應(yīng)力。

光鑷技術(shù)使生物學(xué)界能夠研究負(fù)責(zé)生物運(yùn)動(dòng)的各個(gè)分子馬達(dá)的工作原理，這種生物馬達(dá)在分子內(nèi)運(yùn)輸化學(xué)物質(zhì)，并允許細(xì)胞游動(dòng)，當(dāng)它們共同工作時(shí)，并允許整個(gè)生物移動(dòng)。顯然，光鑷技術(shù)在生物學(xué)的功用十分巨大，它讓我們更加了解我們自己。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

顯然光鑷已成為一種強(qiáng)大的無(wú)創(chuàng)捕獲和操縱微顆粒和細(xì)胞的工具。然而，由于光學(xué)衍射極限的原因限制了光鑷對(duì)納米級(jí)目標(biāo)的低功率捕獲。雖然增加激光功率可提供足夠的俘獲電位深度以俘獲納米級(jí)物體。但不幸的是，巨大的光強(qiáng)度會(huì)在捕獲的生物樣本中引起光毒性和熱應(yīng)力特別是在捕獲位置——軸心處。雖然目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了包括等離激元納米天線和光子晶體腔的低功率近場(chǎng)納米光鑷以穩(wěn)定地捕獲納米級(jí)物體。但是這些方法仍會(huì)將捕獲的物體暴露在高光強(qiáng)度區(qū)域即軸心處進(jìn)而不可避免地引起熱效應(yīng)和光毒性特別是對(duì)活細(xì)胞等光敏性目標(biāo)。

圖源：Anal. Chem. 2020, 92, 9, 6288–6296

近日，范德比爾特大學(xué)的Justus C. Ndukaife（

）教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型納米光鑷技術(shù)——光-熱-電多場(chǎng)耦合鑷子（opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers, 以下簡(jiǎn)稱OTET）精確操縱sub-10nm物體和光敏生物分子。其在電場(chǎng)作用下通過(guò)產(chǎn)生空間變化的電動(dòng)勢(shì)可以按需迅速地捕獲飛摩爾濃度下10nm以下的生物分子。通過(guò)提供前所未有的對(duì)納米級(jí)物體（包括光敏生物分子）的控制，作者實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)直徑僅為3.4 nm牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）分子的捕獲、動(dòng)態(tài)移動(dòng)與釋放。

該項(xiàng)有望為納米科學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的研究帶來(lái)新機(jī)遇的無(wú)創(chuàng)納米光鑷技術(shù)以“Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects and biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology。

圖源：Nature Photonics (2019) 13, 402–405

如圖1所示，研究團(tuán)隊(duì)搭建了一種利用激光照射下并加載有交流電的等離子體納米孔陣列對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行捕獲及操縱的光-熱-電多場(chǎng)耦合鑷子（OTET）系統(tǒng)平臺(tái)。

首先，他們通過(guò)將激光移動(dòng)到等離子體納米孔陣列上，納米孔陣列與光耦合產(chǎn)生了高度增強(qiáng)且局域化的電磁熱點(diǎn)，進(jìn)一步促進(jìn)了光的吸收，導(dǎo)致了流體中的溫度升高并產(chǎn)生熱梯度。

隨后，施加垂直的交流電場(chǎng)與納米孔陣列相互作用使得電場(chǎng)發(fā)生畸變從而產(chǎn)生了呈徑向向外的電滲透微流體運(yùn)動(dòng)（a.c. electro-osmotic flow, ACEO flow）。

與此同時(shí)，等離子體納米孔陣列附近的流體在激光誘導(dǎo)加熱和外加交流電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生了電熱等離子體流動(dòng)（electro-thermoplasmonic flow, ETP flow），并產(chǎn)生了徑向向內(nèi)的流體渦。

最后，見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻就發(fā)生了：這兩種運(yùn)動(dòng)方向相反的微流體流動(dòng)恰好形成了一個(gè)流速為零的停滯區(qū)，也即納米微粒被捕獲的區(qū)域。由于該區(qū)離激光束的位置較遠(yuǎn)，使得被捕獲的納米微粒偏離了軸心幾微米，此時(shí)目標(biāo)物體所承受的光熱加熱和光強(qiáng)度都可以忽略不計(jì)從而避免了目標(biāo)受光毒性和熱效應(yīng)的影響。

圖1 OTET系統(tǒng)平臺(tái)工作原理及理論分析

圖源：Nat. Nanotechnol. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z. ( Fig.1)

進(jìn)一步地，為了驗(yàn)證該OTET系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)納米級(jí)生物小分子的實(shí)際捕獲和動(dòng)態(tài)操縱實(shí)驗(yàn)效果，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)控不同的交流電頻率實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)直徑僅為3.4 nm的牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）分子的捕獲、動(dòng)態(tài)移動(dòng)與釋放等操作（圖2）。

圖2 OTET系統(tǒng)平臺(tái)操縱單個(gè)BSA分子實(shí)驗(yàn)

圖源：Nat. Nanotechnol. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z. ( Fig.2, Fig. 3)

最后，作者還研究了交流電場(chǎng)的頻率對(duì)OTET系統(tǒng)捕獲納米微粒的穩(wěn)定性和捕獲區(qū)域的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頻率越高，捕獲區(qū)域離納米孔陣列越近，且捕獲穩(wěn)定性越差。通過(guò)調(diào)控電場(chǎng)頻率實(shí)現(xiàn)了在含有不同尺寸的聚苯乙烯微粒溶液中（分別為20 nm和100 nm）對(duì)20 nm聚苯乙烯微粒的選擇性捕獲。在2.5 kHz 的頻率下，所有的微粒（包括20 nm和100 nm的微粒）都被捕獲。頻率繼續(xù)增加至3.5 kHz，所有的微粒向圖案中心移動(dòng)，當(dāng)頻率增加到4 kHz時(shí)，100 nm的微粒被釋放，而20 nm的微粒仍然被捕獲著。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同尺寸納米微粒的選擇性捕獲與分離（圖3）。

圖3 OTET系統(tǒng)平臺(tái)目標(biāo)捕獲穩(wěn)定性和尺寸依賴分選實(shí)驗(yàn)

圖源：Nat. Nanotechnol. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z. ( Fig.4, Fig. 5)

上述這些結(jié)果證實(shí)了：這種新型的光-熱-電多場(chǎng)耦合納米光鑷技術(shù)具備在幾秒鐘內(nèi)穩(wěn)定捕獲飛摩爾濃度生物小分子和目標(biāo)尺寸依賴分選的能力，是一種具有前途的用于低含量分析物生物傳感工具。

該納米光鑷能夠立即實(shí)現(xiàn)多種激動(dòng)人心的應(yīng)用，其中包括：

（1）超低檢測(cè)限生物傳感；

（2）單分子分析確定溶液中蛋白質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)和電動(dòng)遷移率；

（3）穩(wěn)定觀測(cè)體積內(nèi)單分子測(cè)量F?rste共振能量轉(zhuǎn)移光譜；

（4）尺寸依賴的納米級(jí)物體分選，例如來(lái)自細(xì)胞外囊泡異質(zhì)群體的外泌體。這為解決由生物細(xì)胞釋放的胞外囊泡中捕獲和分選外泌體這一難題提供了簡(jiǎn)單高效的解決方案。這對(duì)于單一外泌體分析、了解細(xì)胞異質(zhì)性對(duì)釋放的外泌體的影響、藥物遞送和臨床診斷等應(yīng)用至關(guān)重要，進(jìn)一步推動(dòng)了光鑷技術(shù)在納米科學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

文章信息

Hong, C., Yang, S. & Ndukaife, J.C. Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects and biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers. Nat. Nanotechnol. (2020).

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z

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原標(biāo)題：《傳送門：納米光鑷隔空取物》

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