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传送门：纳米光镊隔空取物
原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#光镊3个
撰稿 | 鲜辉 （中科院物构所，博士生）
一束光同时具有热效应和辐射效应，当其与物质相互作用时便会产生相应的力学效应。普通光源由热效应所产生的热压力比由单纯动量交换产生的辐射压力大几个数量级，因此很难获得足够的辐射压力。激光的出现改变了这一状况，使光的辐射压力（通常约为皮牛顿pN）得到充分体现。
光学镊子（Optical Tweezer 以下简称光镊）就是建立在光辐射压原理上的，它是利用激光与物质间进行动量传递时产生力学效应形成的一种三维光学势阱亦称单光束粒子阱。当一束激光作用于透明粒子时，如果粒子的折射率大于周围介质的折射率，梯度力会把粒子推向光场的最强处(轴心)，从而实现对目标物的捕获。
1969年，贝尔实验室的Arthur Ashkin教授等首先提出能利用光压(optical pressure)操纵微小粒子的概念。1970年他们采用一束高斯激光成功地在垂直于光的传播方向上束缚了悬浮在水中的聚苯乙烯微粒，这一实验将光辐射压的应用从原子量级扩展到了微米范围，奠定了光镊技术的研究基础。
1986年，他把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，证明了光学势阱可以无损伤地操纵活体物质，这标志着光镊技术的诞生。
光镊对粒子无损伤、非接触性、作用力均匀、微米量级的精确定位、可选择特定个体、并可在生命状态下进行操作等特点，特别适用于对细胞和亚细胞层次上活体的研究。如对细胞或细胞器的捕获、分选与操纵、弯曲细胞骨架、克服布朗运动所引起的细菌旋转等。这也正是光镊技术得以在生物医学领域被广泛应用并显示出强大生命力和广阔应用前景的原因之一。
2018年诺贝尔物理学奖表彰在“激光物理学领域的开创性发明”方面作出了突出贡献的科学家中，Arthur Ashkin因发明了用激光来操纵微粒的光镊技术，革命性地实现了“光学镊子及其在生物系统中的应用”而获得2018年的诺贝尔物理学奖并获得了一半的奖金。
近年来，这项技术取得了巨大的成功，对世界产生了重大的影响，特别是在生物学和微加工研究方面。正如其发明者Arthur Ashkin所说，光镊“将细胞从它们的正常位置移去的能力，为我们打开了精确研究其功能的大门”。
利用它可以从受感染的细胞中分类健康细胞，可以识别可能是癌症的细胞。可以用来测量被捕捉分子的微小运动和类似的微小应力。
光镊技术使生物学界能够研究负责生物运动的各个分子马达的工作原理，这种生物马达在分子内运输化学物质，并允许细胞游动，当它们共同工作时，并允许整个生物移动。显然，光镊技术在生物学的功用十分巨大，它让我们更加了解我们自己。
显然光镊已成为一种强大的无创捕获和操纵微颗粒和细胞的工具。然而，由于光学衍射极限的原因限制了光镊对纳米级目标的低功率捕获。虽然增加激光功率可提供足够的俘获电位深度以俘获纳米级物体。但不幸的是，巨大的光强度会在捕获的生物样本中引起光毒性和热应力特别是在捕获位置——轴心处。虽然目前已经开发了包括等离激元纳米天线和光子晶体腔的低功率近场纳米光镊以稳定地捕获纳米级物体。但是这些方法仍会将捕获的物体暴露在高光强度区域即轴心处进而不可避免地引起热效应和光毒性特别是对活细胞等光敏性目标。
近日，范德比尔特大学的Justus C. Ndukaife（
）教授团队开发了一种新型纳米光镊技术——光-热-电多场耦合镊子（opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers, 以下简称OTET）精确操纵sub-10nm物体和光敏生物分子。其在电场作用下通过产生空间变化的电动势可以按需迅速地捕获飞摩尔浓度下10nm以下的生物分子。通过提供前所未有的对纳米级物体（包括光敏生物分子）的控制，作者实现了对单个直径仅为3.4 nm牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）分子的捕获、动态移动与释放。
该项有望为纳米科学和生命科学领域的研究带来新机遇的无创纳米光镊技术以“Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects and biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers”为题发表在Nature Nanotechnology。
如图1所示，研究团队搭建了一种利用激光照射下并加载有交流电的等离子体纳米孔阵列对目标物进行捕获及操纵的光-热-电多场耦合镊子（OTET）系统平台。
首先，他们通过将激光移动到等离子体纳米孔阵列上，纳米孔阵列与光耦合产生了高度增强且局域化的电磁热点，进一步促进了光的吸收，导致了流体中的温度升高并产生热梯度。
随后，施加垂直的交流电场与纳米孔阵列相互作用使得电场发生畸变从而产生了呈径向向外的电渗透微流体运动（a.c. electro-osmotic flow, ACEO flow）。
与此同时，等离子体纳米孔阵列附近的流体在激光诱导加热和外加交流电场的作用下，产生了电热等离子体流动（electro-thermoplasmonic flow, ETP flow），并产生了径向向内的流体涡。
最后，见证奇迹的时刻就发生了：这两种运动方向相反的微流体流动恰好形成了一个流速为零的停滞区，也即纳米微粒被捕获的区域。由于该区离激光束的位置较远，使得被捕获的纳米微粒偏离了轴心几微米，此时目标物体所承受的光热加热和光强度都可以忽略不计从而避免了目标受光毒性和热效应的影响。
图源：Nat. Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z. ( Fig.1)
进一步地，为了验证该OTET系统平台对纳米级生物小分子的实际捕获和动态操纵实验效果，研究团队通过调控不同的交流电频率实现了对单个直径仅为3.4 nm的牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）分子的捕获、动态移动与释放等操作（图2）。
图源：Nat. Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z. ( Fig.2, Fig. 3)
最后，作者还研究了交流电场的频率对OTET系统捕获纳米微粒的稳定性和捕获区域的影响。实验结果表明，频率越高，捕获区域离纳米孔阵列越近，且捕获稳定性越差。通过调控电场频率实现了在含有不同尺寸的聚苯乙烯微粒溶液中（分别为20 nm和100 nm）对20 nm聚苯乙烯微粒的选择性捕获。在2.5 kHz 的频率下，所有的微粒（包括20 nm和100 nm的微粒）都被捕获。频率继续增加至3.5 kHz，所有的微粒向图案中心移动，当频率增加到4 kHz时，100 nm的微粒被释放，而20 nm的微粒仍然被捕获着。从而实现了对不同尺寸纳米微粒的选择性捕获与分离（图3）。
图源：Nat. Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z. ( Fig.4, Fig. 5)
上述这些结果证实了：这种新型的光-热-电多场耦合纳米光镊技术具备在几秒钟内稳定捕获飞摩尔浓度生物小分子和目标尺寸依赖分选的能力，是一种具有前途的用于低含量分析物生物传感工具。
该纳米光镊能够立即实现多种激动人心的应用，其中包括：
（1）超低检测限生物传感；
（2）单分子分析确定溶液中蛋白质的扩散系数和电动迁移率；
（3）稳定观测体积内单分子测量Förste共振能量转移光谱；
（4）尺寸依赖的纳米级物体分选，例如来自细胞外囊泡异质群体的外泌体。这为解决由生物细胞释放的胞外囊泡中捕获和分选外泌体这一难题提供了简单高效的解决方案。这对于单一外泌体分析、了解细胞异质性对释放的外泌体的影响、药物递送和临床诊断等应用至关重要，进一步推动了光镊技术在纳米科学和生命科学领域的发展。
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).
论文地址
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z
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