原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#光鑷3個
撰稿 | 鮮輝 （中科院物構所，博士生）
一束光同時具有熱效應和輻射效應，當其與物質相互作用時便會產生相應的力學效應。普通光源由熱效應所產生的熱壓力比由單純動量交換產生的輻射壓力大幾個數量級，因此很難獲得足夠的輻射壓力。雷射的出現改變了這一狀況，使光的輻射壓力（通常約為皮牛頓pN）得到充分體現。
光學鑷子（Optical Tweezer 以下簡稱光鑷）就是建立在光輻射壓原理上的，它是利用雷射與物質間進行動量傳遞時產生力學效應形成的一種三維光學勢阱亦稱單光束粒子阱。當一束雷射作用於透明粒子時，如果粒子的折射率大於周圍介質的折射率，梯度力會把粒子推向光場的最強處(軸心)，從而實現對目標物的捕獲。
圖源：the royal Swedish academy of sciences
1969年，貝爾實驗室的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年他們採用一束高斯雷射成功地在垂直於光的傳播方向上束縛了懸浮在水中的聚苯乙烯微粒，這一實驗將光輻射壓的應用從原子量級擴展到了微米範圍，奠定了光鑷技術的研究基礎。
1986年，他把單束雷射引入高數值孔徑物鏡形成了三維光學勢阱，證明了光學勢阱可以無損傷地操縱活體物質，這標誌著光鑷技術的誕生。
光鑷對粒子無損傷、非接觸性、作用力均勻、微米量級的精確定位、可選擇特定個體、並可在生命狀態下進行操作等特點，特別適用於對細胞和亞細胞層次上活體的研究。如對細胞或細胞器的捕獲、分選與操縱、彎曲細胞骨架、克服布朗運動所引起的細菌旋轉等。這也正是光鑷技術得以在生物醫學領域被廣泛應用並顯示出強大生命力和廣闊應用前景的原因之一。
2018年諾貝爾物理學獎表彰在「雷射物理學領域的開創性發明」方面作出了突出貢獻的科學家中，Arthur Ashkin因發明了用雷射來操縱微粒的光鑷技術，革命性地實現了「光學鑷子及其在生物系統中的應用」而獲得2018年的諾貝爾物理學獎並獲得了一半的獎金。
圖源：the royal Swedish academy of sciences
近年來，這項技術取得了巨大的成功，對世界產生了重大的影響，特別是在生物學和微加工研究方面。正如其發明者Arthur Ashkin所說，光鑷「將細胞從它們的正常位置移去的能力，為我們打開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胞中分類健康細胞，可以識別可能是癌症的細胞。可以用來測量被捕捉分子的微小運動和類似的微小應力。
光鑷技術使生物學界能夠研究負責生物運動的各個分子馬達的工作原理，這種生物馬達在分子內運輸化學物質，並允許細胞遊動，當它們共同工作時，並允許整個生物移動。顯然，光鑷技術在生物學的功用十分巨大，它讓我們更加了解我們自己。
圖源：網絡
顯然光鑷已成為一種強大的無創捕獲和操縱微顆粒和細胞的工具。然而，由於光學衍射極限的原因限制了光鑷對納米級目標的低功率捕獲。雖然增加雷射功率可提供足夠的俘獲電位深度以俘獲納米級物體。但不幸的是，巨大的光強度會在捕獲的生物樣本中引起光毒性和熱應力特別是在捕獲位置——軸心處。雖然目前已經開發了包括等離激元納米天線和光子晶體腔的低功率近場納米光鑷以穩定地捕獲納米級物體。但是這些方法仍會將捕獲的物體暴露在高光強度區域即軸心處進而不可避免地引起熱效應和光毒性特別是對活細胞等光敏性目標。
圖源：Anal. Chem. 2020, 92, 9, 6288–6296
近日，範德比爾特大學的Justus C. Ndukaife（
）教授團隊開發了一種新型納米光鑷技術——光-熱-電多場耦合鑷子（opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers, 以下簡稱OTET）精確操縱sub-10nm物體和光敏生物分子。其在電場作用下通過產生空間變化的電動勢可以按需迅速地捕獲飛摩爾濃度下10nm以下的生物分子。通過提供前所未有的對納米級物體（包括光敏生物分子）的控制，作者實現了對單個直徑僅為3.4 nm牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）分子的捕獲、動態移動與釋放。
該項有望為納米科學和生命科學領域的研究帶來新機遇的無創納米光鑷技術以「Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects and biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers」為題發表在Nature Nanotechnology。
圖源：Nature Photonics (2019) 13, 402–405
如圖1所示，研究團隊搭建了一種利用雷射照射下並加載有交流電的等離子體納米孔陣列對目標物進行捕獲及操縱的光-熱-電多場耦合鑷子（OTET）系統平臺。
首先，他們通過將雷射移動到等離子體納米孔陣列上，納米孔陣列與光耦合產生了高度增強且局域化的電磁熱點，進一步促進了光的吸收，導致了流體中的溫度升高並產生熱梯度。
隨後，施加垂直的交流電場與納米孔陣列相互作用使得電場發生畸變從而產生了呈徑向向外的電滲透微流體運動（a.c. electro-osmotic flow, ACEO flow）。
與此同時，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，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。
最後，見證奇蹟的時刻就發生了：這兩種運動方向相反的微流體流動恰好形成了一個流速為零的停滯區，也即納米微粒被捕獲的區域。由於該區離雷射束的位置較遠，使得被捕獲的納米微粒偏離了軸心幾微米，此時目標物體所承受的光熱加熱和光強度都可以忽略不計從而避免了目標受光毒性和熱效應的影響。
圖1 OTET系統平臺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)
進一步地，為了驗證該OTET系統平臺對納米級生物小分子的實際捕獲和動態操縱實驗效果，研究團隊通過調控不同的交流電頻率實現了對單個直徑僅為3.4 nm的牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）分子的捕獲、動態移動與釋放等操作（圖2）。
圖2 OTET系統平臺操縱單個BSA分子實驗
圖源：Nat. Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z. ( Fig.2, Fig. 3)
最後，作者還研究了交流電場的頻率對OTET系統捕獲納米微粒的穩定性和捕獲區域的影響。實驗結果表明，頻率越高，捕獲區域離納米孔陣列越近，且捕獲穩定性越差。通過調控電場頻率實現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。從而實現了對不同尺寸納米微粒的選擇性捕獲與分離（圖3）。
圖3 OTET系統平臺目標捕獲穩定性和尺寸依賴分選實驗
圖源：Nat. Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z. ( Fig.4, Fig. 5)
上述這些結果證實了：這種新型的光-熱-電多場耦合納米光鑷技術具備在幾秒鐘內穩定捕獲飛摩爾濃度生物小分子和目標尺寸依賴分選的能力，是一種具有前途的用於低含量分析物生物傳感工具。
該納米光鑷能夠立即實現多種激動人心的應用，其中包括：
（1）超低檢測限生物傳感；
（2）單分子分析確定溶液中蛋白質的擴散係數和電動遷移率；
（3）穩定觀測體積內單分子測量Förste共振能量轉移光譜；
（4）尺寸依賴的納米級物體分選，例如來自細胞外囊泡異質群體的外泌體。這為解決由生物細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單高效的解決方案。這對於單一外泌體分析、了解細胞異質性對釋放的外泌體的影響、藥物遞送和臨床診斷等應用至關重要，進一步推動了光鑷技術在納米科學和生命科學領域的發展。
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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原標題：《傳送門：納米光鑷隔空取物》
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