神操作！一把「鑷子」，皆是頂刊！諾獎之後，又有新突破

【傳統光鑷技術】

雖然如今眾所周知，但是當年（2018）獲得諾貝爾物理學獎時，光鑷（optical tweezer）可算是一匹「黑馬」。

因光鑷技術獲得2018年諾貝爾物理學獎的三位科學家

早在1987年，Arthur Ashikin教授就在頂級期刊Science上發表了題為「Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria」的論文，公開了他研究的第一代光鑷技術，用雷射束來隔離和移動微米級的物體（紅血球的大小）。

那麼，什麼是光鑷呢？簡單來講，光鑷其實就是利用「光的力」（photon force/radiation pressure）來移動物體的一把鑷子。原理就是微粒在不均勻光場下，光場梯度力（gradient force）會將其推動到光強最強的地方（三維光學勢阱），如果移動光場，那麼微粒也會隨之移動，從而實現對微粒的捕獲與操控。

光鑷技術原理

目前，光鑷已經成為了非侵入性捕獲和操縱膠體粒子和生物細胞的強大工具，其產生的皮牛（pN）數量級的力十分適用於生物細胞、亞細胞以及原子物理方向上的研究。然而，光是有衍射極限的，要想實現對納米尺度目標物體的捕獲，就需要大幅度的增加雷射功率，來提高足夠的捕獲深度。而雷射功率的提高勢必會對捕獲的生物標本造成光毒性和熱應力。因此，研究人員開始嘗試用不同的方法，在不對或儘量少對目標物體造成損傷的情況下，實現目標物體的捕獲。

【電場輔助光鑷技術】

2009年，西班牙光子科學研究所的Romain Quidant等人提出來利用自誘導反向作用（self-induced back-action）來捕獲目標物體。在該工作中，研究人員利用孔徑接近截止共振的金屬薄膜製備了一個SIBA光阱（optical trap），在雷射照射下，小孔附近會產生極高的電場增強，從而降低了對雷射強度的需求。利用被捕獲粒子對周圍局部場強的影響，研究人員實現了對直徑100 nm和50 nm的聚苯乙烯微球的捕獲，而入射功率僅為0.7mW和1.9mW。與傳統光鑷相比，SIBA不僅大大降低了最小入射光強，還將阱內的局部場強降低了一個數量級。

利用金屬薄膜的納米孔徑製備SIBA光阱

【熱輔助光鑷技術】

除了利用電場來輔助捕獲粒子之外，2018年，德克薩斯大學的鄭躍兵課題組在Nature Photonics上發文，利用熱來協助捕獲納米微粒。

要知道，在傳統的光鑷技術中，因光子-聲子轉換而產生的光熱效應普遍被視為一種負面因素，嚴重的降低了光學操縱的穩定性。因此，限制材料的光學響應一直是傳統光學操控技術的關鍵問題。而鄭躍兵教授另闢蹊徑，通過對熱等離子體基底進行光學加熱，雷射光斑內溶解的離子的空間分離可以產生定向的熱電電場，從而實現了對不同材料、大小和形狀的金屬納米離子的低功率操縱（比傳統光鑷低3個量級）。

光-熱電納米鑷的工作原理

【多場耦合光鑷技術】

然而上述技術仍然要求目標物體被限制在高光強的區域，不可避免對目標物體（尤其是光敏感物體）產生影響。近日，範德堡大學的Justus C.Ndukaife課題組發展了一種新型的「光-熱-電流體動力學」多場耦合的納米光鑷技術（opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers，OTET），在實現對納米微粒的捕獲和動態操縱的同時，還使得目標納米微粒偏離了最高光場強區域幾個微米。在這個位置上，目標物體所受的光強和光熱效應幾乎可以忽略不計。該技術可以根據需要在極低濃度下（飛摩爾）迅速捕獲低於10 nm的生物分子。這種損傷極低的非侵入性光鑷技術有望在納米科學和生命科學領域開創新的機遇，並以題為「Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects andbiomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers」的論文發表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

【工作原理】

圖1為OTET系統的工作原理。OTET平臺由等離子體納米孔陣列和垂直施加的交流電場組成。通過將雷射移動到等離子體納米孔洞陣列上，在納米孔附近產生了光致熱梯度和扭曲的交流電場（圖1a）。納米孔陣列與光的耦合產生了高度增強且局域化的電磁熱點（圖1b），進一步促進了光的吸收，導致了流體中的溫度升高和熱梯度。當對納米孔陣列繼續施加垂直的交流電場，陣列的形貌導致了電場的畸變，產生了法線和切線的電場分量。在納米孔陣列和流體界面處感應的電雙層（electrical double layer, EDL）中,交流電場的切線分量對擴散電荷產生了庫侖力。而這種由電場引起的擴散電荷的運動導致了流體的電滲透運動，懸浮粒子呈徑向向外（圖1d,e中的藍色球），而等離子體納米孔陣列附近的流體在雷射誘導加熱和外加交流電場的作用下，也產生了電熱等離子體流動（electro-thermoplasmonic flow, ETP flow），並產生了徑向向內的流體渦（圖1d,e）。這兩種相反的微流體流動形成了一個流體速度為0的停滯區，也就是納米微粒被捕獲的區域。由於停滯區的位置離雷射束的位置較遠，被捕獲的納米離子就偏離了光強最強區域幾微米。

圖1.OTET系統的工作原理

基於這項技術，作者實現了單個牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）分子的捕獲、動態移動與釋放（圖2,3）。單個BSA的直徑僅為3.4 nm!

圖2. BSA分子捕獲、移動與釋放

圖3. 對BSA分子動態操縱的逐幀圖像

同時，作者還研究了施加的交流電場的頻率對OTET系統捕獲納米微粒的穩定性和捕獲區域的影響。結果顯示，頻率越高，捕獲區域離納米孔洞陣列越近，且捕獲穩定性越差。

圖4.交流電場頻率對納米微粒捕獲穩定性和區域的影響

最後，作者調控電場頻率實現了對在含有不同大小的聚苯乙烯微粒溶液中（分別為20 nm和100 nm的微米）對20 nm的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。頻率繼續增加至3.5 kHz，所有的微粒向圖案中心移動，當頻率增加到4 kHz時，100 nm的微粒被釋放，而20 nm的微粒仍然被捕獲著。從而實現了對不同大小納米微粒的選擇性捕獲與分離。

圖5.利用OTET系統實現納米微粒的大小分類

總結：作者發展了一種基於光-熱-電流體力學的多場耦合OTET技術，能夠在不傷害生物分子的前提下，實現對低濃度下小生物分子的迅速捕獲。該技術為從生物細胞釋放的胞外囊泡中捕獲和分類外泌體這一難題提供了簡單而高效的解決方案，對於單個外泌體分析和理解細胞異質性對釋放外泌體的在藥物傳遞和診斷應用中的影響至關重要，大大推動了光鑷技術在納米科學和生命科學領域的發展。

來源：高分子科學前沿

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