首先，咱們來看看10 nm顆粒被抓住和被移動的動圖。
2018年的諾貝爾物理學獎的一半授予了發(fā)明光鑷技術(shù)的物理學家Arthur Ashkin，其獲獎理由：光學鑷子的開發(fā)及其在生物系統(tǒng)中的應用。Arthur Ashkin在20世紀60年代后期開始了用激光操縱微粒的工作，并最終于1986年公開了他的第一代光鑷。他使用緊密聚焦的激光束來隔離和移動微米級的物體，而這些物體的大小有紅細胞那么大。微米級光鑷代表了生物學研究的重大進步，但其可操縱物體的大小使其發(fā)展受到了限制。
用作光學鑷子的激光束只能將激光聚焦到直徑約為激光波長一半的直徑。例如，在波長為700 nm的紅光的情況下，鑷子可以使用低功率聚焦并僅操縱直徑約為350 nm或更大的物體。盡管這算是比較小粒徑了，但它對于例如100nm大小的病毒或小于10nm的DNA和蛋白質(zhì)時卻束手無策。
成果簡介：
近日，美國范德堡大學Justus Ndukaife等人開發(fā)出有史以來第一個光-熱-電流體動力學鑷子（OTET），一種能夠在距離高強度激光焦點幾微米的位置捕獲和動態(tài)操縱納米級物體的光學納米鑷子。而且在捕獲位置，納米級物體無需經(jīng)歷光熱加熱和光強度。OTET提供了一種方法，可以將單個10 nm以下的物體在溶液中保持幾分鐘，而無需進行物理束縛。成果以題為“Stand-off trapping and manipulation of sub-10nm objectsand biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers”發(fā)表于Nature Nanotechnology上。
相反微流形成捕獲點
該工作利用了電熱等離子體（ETP）捕集的最新進展，其中ETP流動用于啟動向等離子體激元熱點的快速顆粒傳輸，以便在熱點處進行顆粒捕集。
具體而言，如圖1所示，OTET平臺由有限的等離子體納米孔陣列和垂直施加的交流電場組成，分別在納米孔陣列附近產(chǎn)生光誘導的熱梯度和扭曲的交流電場線。納米孔陣列與光的耦合導致高度局部化和增強的電磁熱點，從而促進光吸收。增強的光吸收導致流體的溫度升高和熱梯度。
施加交流電場垂直于納米孔陣列跨流體元件。納米孔陣列的形貌導致施加的交流電場失真，從而引起法向和切向交流電場分量。電場引起的擴散電荷運動引起流體和懸浮顆粒的電滲透運動，其徑向向外。ETP流也由等離子體納米孔陣列附近流體的激光誘導加熱和外加交流電場的作用而產(chǎn)生，并產(chǎn)生徑向向內(nèi)的流體漩渦。這兩個相反的微流體流形成一個停滯區(qū)，流體速度變?yōu)榱悖撏^(qū)也就是粒子被捕獲的位置。由于停滯區(qū)的位置距離激光束的位置較遠，因此粒子被捕獲的位置距離激光焦點有幾微米遠。
圖|OTET系統(tǒng)的圖解和理論分析
不破壞生物分子
利用該技術(shù)，研究人員成功地進行低功率捕獲和操作10 nm以下的粒子和生物分子，該發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了捕獲小于10nm的微粒（例如小蛋白分子）而沒有光致?lián)p傷風險地重要任務，這代表了光學納米操縱領(lǐng)域的重要發(fā)展。
實驗表明，該系統(tǒng)可以進行：（1）使用激光和交流電場保持BSA分子被捕獲；（2）通過關(guān)閉交流電場釋放BSA蛋白；（3）通過移動激光束或平移顯微鏡載物臺來動態(tài)操縱BSA蛋白。最后一個選項代表了OTET的另一個重要特征：能夠動態(tài)操縱芯片上被捕獲的10納米以下的物體，這在常規(guī)的基于芯片的等離子阱和幾何感應靜電阱中是不可行的。
圖|單個BSA蛋白分子的運輸、捕獲和釋放以及粒子穩(wěn)定性
位置可控
另外，還發(fā)現(xiàn)可以通過改變交流場頻率來調(diào)整被捕獲物體的位置與納米孔陣列邊緣之間的距離。結(jié)果表明，停滯區(qū)的位置（粒子地捕獲位置）隨著交流場頻率的降低而增加。因此，通過調(diào)節(jié)所施加的交流電場的頻率，可以根據(jù)需要控制陷阱的位置，使其遠離納米孔陣列的邊緣。
圖|捕獲穩(wěn)定性和捕獲位置隨交流頻率變化的圖示
分選納米尺寸
使用OTET，研究人員還演示了在距激光照射幾微米的捕獲位置處，可以從包含20 nm和100 nm磁珠的溶液中選擇性地捕獲納米級物體（例如20 nm電介質(zhì)珠）。即一開始，使用2.5 kHz的交流場頻，會同時捕獲20 nm和100 nm的磁珠。當頻率增加到4 kHz時，陷阱會釋放100 nm的珠子，而20 nm的珠子會保留在原位。可以利用此功能對細胞外囊泡中大小在30nm至150 nm之間的外泌體進行分選，它代表了具有巨大潛力的OTET的重要應用。
圖|逐幀顯示使用OTET的基于尺寸的介電聚苯乙烯珠粒分選
下面可看看如何通過光鑷分選出20nm大小的顆粒
通過更改交流頻率，從100 nm和20 nm聚苯乙烯顆粒的混合物中分選20 nm聚苯乙烯顆粒
小結(jié)與展望：
OTET能夠在幾秒鐘內(nèi)捕獲飛摩爾濃度的小生物分子的能力，以及基于大小的分選能力，使其成為一種用于對低含量分析物進行生物傳感的有前途的工具。所提出的納米處理技術(shù)能夠立即實現(xiàn)多種激動人心的應用，其中包括：
1）以超低檢測限進行生物傳感；
2）單分子分析，以確定溶液中蛋白質(zhì)的擴散系數(shù)和電動力學遷移率；
3）單分子F?rster共振能量轉(zhuǎn)移光譜法在觀察區(qū)內(nèi)的單分子穩(wěn)定化；
4）基于大小的納米級物體分選，例如來自細胞外囊泡異質(zhì)群體的外泌體。
關(guān)于最后一點，OTET提供了一種簡單而快速的芯片實驗室解決方案，用于解決由生物細胞釋放的細胞外囊泡群體捕獲和分類外泌體的問題，這對于單一外泌體分析和了解細胞異質(zhì)性對釋放的外泌體的影響，以用于藥物遞送和診斷。
參考文獻：
Hong,C., Yang, S. & Ndukaife, J.C. Stand-off trapping and manipulation of sub-10nm objectsand biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers. Nat.Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z
