【傳統(tǒng)光鑷技術(shù)】雖然如今眾所周知，但是當(dāng)年（2018）獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，光鑷（optical tweezer）可算是一匹“黑馬”。
早在1987年，Arthur Ashikin教授就在頂級(jí)期刊Science上發(fā)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(shù)，用激光束來隔離和移動(dòng)微米級(jí)的物體（紅血球的大小）。
那么，什么是光鑷呢？簡(jiǎn)單來講，光鑷其實(shí)就是利用“光的力”（photon force/radiation pressure）來移動(dòng)物體的一把鑷子。原理就是微粒在不均勻光場(chǎng)下，光場(chǎng)梯度力（gradient force）會(huì)將其推動(dòng)到光強(qiáng)最強(qiáng)的地方（三維光學(xué)勢(shì)阱），如果移動(dòng)光場(chǎng)，那么微粒也會(huì)隨之移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲與操控。
目前，光鑷已經(jīng)成為了非侵入性捕獲和操縱膠體粒子和生物細(xì)胞的強(qiáng)大工具，其產(chǎn)生的皮牛（pN）數(shù)量級(jí)的力十分適用于生物細(xì)胞、亞細(xì)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(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺度目標(biāo)物體的捕獲，就需要大幅度的增加激光功率，來提高足夠的捕獲深度。而激光功率的提高勢(shì)必會(huì)對(duì)捕獲的生物標(biāo)本造成光毒性和熱應(yīng)力。因此，研究人員開始嘗試用不同的方法，在不對(duì)或盡量少對(duì)目標(biāo)物體造成損傷的情況下，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的捕獲。
【電場(chǎng)輔助光鑷技術(shù)】
2009年，西班牙光子科學(xué)研究所的Romain Quidant等人提出來利用自誘導(dǎo)反向作用（self-induced back-action）來捕獲目標(biāo)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制備了一個(gè)SIBA光阱（optical trap），在激光照射下，小孔附近會(huì)產(chǎn)生極高的電場(chǎng)增強(qiáng)，從而降低了對(duì)激光強(qiáng)度的需求。利用被捕獲粒子對(duì)周圍局部場(chǎng)強(qiáng)的影響，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(tǒng)光鑷相比，SIBA不僅大大降低了最小入射光強(qiáng)，還將阱內(nèi)的局部場(chǎng)強(qiáng)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
【熱輔助光鑷技術(shù)】
除了利用電場(chǎng)來輔助捕獲粒子之外，2018年，德克薩斯大學(xué)的鄭躍兵課題組在Nature Photonics上發(fā)文，利用熱來協(xié)助捕獲納米微粒。
要知道，在傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)中，因光子-聲子轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的光熱效應(yīng)普遍被視為一種負(fù)面因素，嚴(yán)重的降低了光學(xué)操縱的穩(wěn)定性。因此，限制材料的光學(xué)響應(yīng)一直是傳統(tǒng)光學(xué)操控技術(shù)的關(guān)鍵問題。而鄭躍兵教授另辟蹊徑，通過對(duì)熱等離子體基底進(jìn)行光學(xué)加熱，激光光斑內(nèi)溶解的離子的空間分離可以產(chǎn)生定向的熱電電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(tǒng)光鑷低3個(gè)量級(jí)）。
【多場(chǎng)耦合光鑷技術(shù)】
然而上述技術(shù)仍然要求目標(biāo)物體被限制在高光強(qiáng)的區(qū)域，不可避免對(duì)目標(biāo)物體（尤其是光敏感物體）產(chǎn)生影響。近日，范德堡大學(xué)的Justus C.Ndukaife課題組發(fā)展了一種新型的“光-熱-電流體動(dòng)力學(xué)”多場(chǎng)耦合的納米光鑷技術(shù)（opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers，OTET），在實(shí)現(xiàn)對(duì)納米微粒的捕獲和動(dòng)態(tài)操縱的同時(shí)，還使得目標(biāo)納米微粒偏離了最高光場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域幾個(gè)微米。在這個(gè)位置上，目標(biāo)物體所受的光強(qiáng)和光熱效應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)。該技術(shù)可以根據(jù)需要在極低濃度下（飛摩爾）迅速捕獲低于10 nm的生物分子。這種損傷極低的非侵入性光鑷技術(shù)有望在納米科學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域開創(chuàng)新的機(jī)遇，并以題為“Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects andbiomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。
【工作原理】
圖1為OTET系統(tǒng)的工作原理。OTET平臺(tái)由等離子體納米孔陣列和垂直施加的交流電場(chǎng)組成。通過將激光移動(dòng)到等離子體納米孔洞陣列上，在納米孔附近產(chǎn)生了光致熱梯度和扭曲的交流電場(chǎng)（圖1a）。納米孔陣列與光的耦合產(chǎn)生了高度增強(qiáng)且局域化的電磁熱點(diǎn)（圖1b），進(jìn)一步促進(jìn)了光的吸收，導(dǎo)致了流體中的溫度升高和熱梯度。當(dāng)對(duì)納米孔陣列繼續(xù)施加垂直的交流電場(chǎng)，陣列的形貌導(dǎo)致了電場(chǎng)的畸變，產(chǎn)生了法線和切線的電場(chǎng)分量。在納米孔陣列和流體界面處感應(yīng)的電雙層（electrical double layer, EDL）中,交流電場(chǎng)的切線分量對(duì)擴(kuò)散電荷產(chǎn)生了庫侖力。而這種由電場(chǎng)引起的擴(kuò)散電荷的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了流體的電滲透運(yùn)動(dòng)，懸浮粒子呈徑向向外（圖1d,e中的藍(lán)色球），而等離子體納米孔陣列附近的流體在激光誘導(dǎo)加熱和外加交流電場(chǎng)的作用下，也產(chǎn)生了電熱等離子體流動(dòng)（electro-thermoplasmonic flow, ETP flow），并產(chǎn)生了徑向向內(nèi)的流體渦（圖1d,e）。這兩種相反的微流體流動(dòng)形成了一個(gè)流體速度為0的停滯區(qū)，也就是納米微粒被捕獲的區(qū)域。由于停滯區(qū)的位置離激光束的位置較遠(yuǎn)，被捕獲的納米離子就偏離了光強(qiáng)最強(qiáng)區(qū)域幾微米。
基于這項(xiàng)技術(shù)，作者實(shí)現(xiàn)了單個(gè)牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）分子的捕獲、動(dòng)態(tài)移動(dòng)與釋放（圖2,3）。單個(gè)BSA的直徑僅為3.4 nm!
同時(shí)，作者還研究了施加的交流電場(chǎng)的頻率對(duì)OTET系統(tǒng)捕獲納米微粒的穩(wěn)定性和捕獲區(qū)域的影響。結(jié)果顯示，頻率越高，捕獲區(qū)域離納米孔洞陣列越近，且捕獲穩(wěn)定性越差。
最后，作者調(diào)控電場(chǎng)頻率實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(xù)增加至3.5 kHz，所有的微粒向圖案中心移動(dòng)，當(dāng)頻率增加到4 kHz時(shí)，100 nm的微粒被釋放，而20 nm的微粒仍然被捕獲著。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同大小納米微粒的選擇性捕獲與分離。
總結(jié)：作者發(fā)展了一種基于光-熱-電流體力學(xué)的多場(chǎng)耦合OTET技術(shù)，能夠在不傷害生物分子的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度下小生物分子的迅速捕獲。該技術(shù)為從生物細(xì)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(jiǎn)單而高效的解決方案，對(duì)于單個(gè)外泌體分析和理解細(xì)胞異質(zhì)性對(duì)釋放外泌體的在藥物傳遞和診斷應(yīng)用中的影響至關(guān)重要，大大推動(dòng)了光鑷技術(shù)在納米科學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
