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神操作!一把“镊子”,皆是顶刊!诺奖之后,又有新突破!-岩拓气凝胶

神操作!一把“镊子”,皆是顶刊!诺奖之后,又有新突破!

【传统光镊技术】虽然如今众所周知,但是当年(2018)获得诺贝尔物理学奖时,光镊(optical tweezer)可算是一匹“黑马”。

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因光镊技术获得2018年诺贝尔物理学奖的三位科学家

 

早在1987年,Arthur Ashikin教授就在顶级期刊Science上发表了题为“Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria”的论文,公开了他研究的第一代光镊技术,用激光束来隔离和移动微米级的物体(红血球的大小)。

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那么,什么是光镊呢?简单来讲,光镊其实就是利用“光的力”(photon force/radiation pressure)来移动物体的一把镊子。原理就是微粒在不均匀光场下,光场梯度力(gradient force)会将其推动到光强最强的地方(三维光学势阱),如果移动光场,那么微粒也会随之移动,从而实现对微粒的捕获与操控。

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光镊技术原理

 

目前,光镊已经成为了非侵入性捕获和操纵胶体粒子和生物细胞的强大工具,其产生的皮牛(pN)数量级的力十分适用于生物细胞、亚细胞以及原子物理方向上的研究。然而,光是有衍射极限的,要想实现对纳米尺度目标物体的捕获,就需要大幅度的增加激光功率,来提高足够的捕获深度。而激光功率的提高势必会对捕获的生物标本造成光毒性和热应力。因此,研究人员开始尝试用不同的方法,在不对或尽量少对目标物体造成损伤的情况下,实现目标物体的捕获。

【电场辅助光镊技术】

2009年,西班牙光子科学研究所的Romain Quidant等人提出来利用自诱导反向作用(self-induced back-action)来捕获目标物体。在该工作中,研究人员利用孔径接近截止共振的金属薄膜制备了一个SIBA光阱(optical trap),在激光照射下,小孔附近会产生极高的电场增强,从而降低了对激光强度的需求。利用被捕获粒子对周围局部场强的影响,研究人员实现了对直径100 nm和50 nm的聚苯乙烯微球的捕获,而入射功率仅为0.7mW和1.9mW。与传统光镊相比,SIBA不仅大大降低了最小入射光强,还将阱内的局部场强降低了一个数量级。

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利用金属薄膜的纳米孔径制备SIBA光阱

 

【热辅助光镊技术】

除了利用电场来辅助捕获粒子之外,2018年,德克萨斯大学的郑跃兵课题组在Nature Photonics上发文,利用热来协助捕获纳米微粒。

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要知道,在传统的光镊技术中,因光子-声子转换而产生的光热效应普遍被视为一种负面因素,严重的降低了光学操纵的稳定性。因此,限制材料的光学响应一直是传统光学操控技术的关键问题。而郑跃兵教授另辟蹊径,通过对热等离子体基底进行光学加热,激光光斑内溶解的离子的空间分离可以产生定向的热电电场,从而实现了对不同材料、大小和形状的金属纳米离子的低功率操纵(比传统光镊低3个量级)。

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光-热电纳米镊的工作原理

 

【多场耦合光镊技术】

然而上述技术仍然要求目标物体被限制在高光强的区域,不可避免对目标物体(尤其是光敏感物体)产生影响。近日,范德堡大学的Justus C.Ndukaife课题组发展了一种新型的“光-热-电流体动力学”多场耦合的纳米光镊技术(opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers,OTET),在实现对纳米微粒的捕获和动态操纵的同时,还使得目标纳米微粒偏离了最高光场强区域几个微米。在这个位置上,目标物体所受的光强和光热效应几乎可以忽略不计。该技术可以根据需要在极低浓度下(飞摩尔)迅速捕获低于10 nm的生物分子。这种损伤极低的非侵入性光镊技术有望在纳米科学和生命科学领域开创新的机遇,并以题为“Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects andbiomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers”的论文发表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

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【工作原理】

图1为OTET系统的工作原理。OTET平台由等离子体纳米孔阵列和垂直施加的交流电场组成。通过将激光移动到等离子体纳米孔洞阵列上,在纳米孔附近产生了光致热梯度和扭曲的交流电场(图1a)。纳米孔阵列与光的耦合产生了高度增强且局域化的电磁热点(图1b),进一步促进了光的吸收,导致了流体中的温度升高和热梯度。当对纳米孔阵列继续施加垂直的交流电场,阵列的形貌导致了电场的畸变,产生了法线和切线的电场分量。在纳米孔阵列和流体界面处感应的电双层(electrical double layer, EDL)中,交流电场的切线分量对扩散电荷产生了库仑力。而这种由电场引起的扩散电荷的运动导致了流体的电渗透运动,悬浮粒子呈径向向外(图1d,e中的蓝色球),而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,也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(图1d,e)。这两种相反的微流体流动形成了一个流体速度为0的停滞区,也就是纳米微粒被捕获的区域。由于停滞区的位置离激光束的位置较远,被捕获的纳米离子就偏离了光强最强区域几微米。

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图1.OTET系统的工作原理

 

基于这项技术,作者实现了单个牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)分子的捕获、动态移动与释放(图2,3)。单个BSA的直径仅为3.4 nm!

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图2. BSA分子捕获、移动与释放

 

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图3. 对BSA分子动态操纵的逐帧图像

 

同时,作者还研究了施加的交流电场的频率对OTET系统捕获纳米微粒的稳定性和捕获区域的影响。结果显示,频率越高,捕获区域离纳米孔洞阵列越近,且捕获稳定性越差。

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图4.交流电场频率对纳米微粒捕获稳定性和区域的影响

 

最后,作者调控电场频率实现了对在含有不同大小的聚苯乙烯微粒溶液中(分别为20 nm和100 nm的微米)对20 nm的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。从而实现了对不同大小纳米微粒的选择性捕获与分离。

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图5.利用OTET系统实现纳米微粒的大小分类

 

总结:作者发展了一种基于光-热-电流体力学的多场耦合OTET技术,能够在不伤害生物分子的前提下,实现对低浓度下小生物分子的迅速捕获。该技术为从生物细胞释放的胞外囊泡中捕获和分类外泌体这一难题提供了简单而高效的解决方案,对于单个外泌体分析和理解细胞异质性对释放外泌体的在药物传递和诊断应用中的影响至关重要,大大推动了光镊技术在纳米科学和生命科学领域的发展。

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