諾獎技術再獲突破！可操控<10 nm物體和生物分子的光鑷技術

2020-09-04 研之成理


▲第一作者：Chuchuan Hong；通訊作者：Justus C. Ndukaife
通訊單位：Vanderbilt Institute of Nanoscale Science and Engineering, Vanderbilt University, Nashville, TN, USA；Department of Electrical Engineering and Computer Science, Vanderbilt University, Nashville, TN, USA

DOI: 10.1038/s41565-020-0760-z

背景介紹

光鑷已經成為非侵入性捕獲和操縱膠體粒子和生物細胞的強大工具。然而，衍射極限阻止了納米尺度物體的低功率俘獲，大幅度增加雷射功率可以提供足夠的捕獲勢深度來捕獲納米尺度的物體。但是，大量所需的光強會在捕獲的生物標本中造成光毒性和熱應力。由等離子體納米天線和光子晶體腔組成的低功率近場納米光鑷已被開發用於穩定的納米尺度物體跟蹤。然而，演示的方法仍然要求物體被困在高光強區域。

本文亮點

● 本文報導了一種新型的光控納米鑷子，稱為光-熱-電流體動力鑷子，它能夠在距離高強度雷射焦點數微米的位置捕獲和動態操縱納米級物體，在捕獲位置，納米級物體經歷的光熱加熱和光強度都可以忽略不計。

● 光-熱-電流體動力鑷子採用有限陣列的等離子體納米孔，在光和外加交流電場的照射下產生空間變化的電流體動力學勢，可根據需要快速捕獲飛摩爾濃度下的10 nm以下生物分子。

● 通過提供前所未有的對納米級物體（包括光敏生物分子）的控制，這種無創光學納米鑷子方法有望為納米科學和生命科學領域帶來新的機遇。

圖文解析

● 圖1 OTET系統的說明與理論分析

a、OTET系統的運行機制。通過在等離子體納米孔陣列上移動雷射，單個粒子（藍色球體）被困在遠離雷射的地方，並沿著圖形邊緣水平地跟隨雷射束的運動。插圖顯示了當雷射和交流電場作用於被困粒子上的力。ACEO，交流電滲流；FACEO，交流電滲流的阻力；FETP，來自ETP流的阻力；Fes，粒子表面相互作用力；b、雷射聚焦在納米孔陣列中心時的電場分布。在俘獲位置，來自光的電場很小，足以消除它對被俘獲粒子的影響。c、雷射聚焦在納米孔陣列中心時金膜表面的溫度分布。粒子俘獲發生在離最高溫度區幾微米遠的地方。d、 當雷射聚焦在納米孔陣列中心時，表面附近的徑向速度矢量圖。粒子捕獲位置被圈起來。虛線如圖4b-e所示，雷射聚焦偏離中心時，表面附近的徑向速度矢量圖。粒子俘獲位置隨雷射光斑的平移而改變。

● 圖2 演示單個BSA蛋白分子的轉運、捕獲和釋放，以及單個BSA分子的穩定性

a、當雷射和交流電場同時作用時，快速啟動和長期穩定陷阱的逐幀序列。紅點顯示雷射的位置，單個BSA分子（微小的亮點）以藍色矩形突出顯示。b、被捕獲單分子的橫向位置。如a所示，x位置是沿圖案s邊的位置，y位置是垂直於圖案s邊的位置。c、d，分別沿x和y方向的橫向位移直方圖。橙色曲線顯示高斯形狀擬合曲線。

● 圖3 一幀一幀的圖像顯示了單個BSA蛋白分子的動態操作

紅點表示雷射光斑的位置，單個分子（微小的亮點）在藍色矩形內突出顯示。黃色箭頭表示雷射運動的方向，藍色箭頭表示分子的運動。在t=0s，單個分子被困在圖案的邊緣附近，雷射開始相對於納米孔陣列移動。在雷射運動過程中（持續2.1s），單個分子跟隨雷射，同時保持一個距離雷射光斑數微米的捕獲位置。第二幀是在t=1.0s時捕捉到的典型時刻，在雷射停止運動的時刻，單分子繼續沿著原來的方向運動，最後在與雷射光斑處於同一水平時停止運動。這兩個步驟在第三和第四幀中演示。從t=3.1s開始，我們將雷射器朝相反的方向向下移動，單個分子跟隨雷射向下移動。

● 圖4 捕獲穩定性和捕獲位置與交流頻率的函數關係
a、逐幀演示不同交流頻率下被困分子的位置。在2khz交流頻率下，單分子被困在離圖案邊緣較遠的地方。當交流頻率調高，從2千赫調到5千赫時，陷波位置向內移動，更靠近圖案的邊緣。b、沿著垂直於圖案長度方向的不同交流頻率下的模擬徑向速度，在圖1d中的虛線之後。正徑向速度是指遠離納米孔陣列的速度，而負速度是指向內的速度。停滯區的位置（即速度為零的位置）取決於交流頻率。c、每個交流頻率下單個分子的平均距離。模式s邊定義為y位置=0，而x=0定義為單個分子的平均x位置。d、不同交流頻率下BSA分子位置的散點圖。結果表明，在較低的交流電場頻率下，捕獲穩定性較高。

● 圖5 一幀一幀的序列顯示了使用OTET的基於尺寸的聚苯乙烯顆粒的分類


20nm聚苯乙烯珠（PS）以藍色矩形突出顯示，而100nm的珠子位於黃色圓圈內，亮度更高。最初，交流頻率設置為2.5kHz，20納米和100納米聚苯乙烯小球都被困在納米孔陣列的邊緣附近。3秒後，交流頻率調到3.5千赫，這樣所有珠子都會移近圖案。當交流頻率增加到4kHz時，100nm磁珠變得不穩定並被分選，而20nm磁珠仍被捕獲。前四個幀按時間順序演示排序過程。為了確保20納米珠子被穩定地捕獲，交流頻率再次調低到3.5千赫茲，並且它們仍然被捕獲。


原文連結：https://www.nature.com/articles/s41565-020-0760-z.pdf

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