Nature Nanotech.：突破诺奖极限！抓住10nm以下的生物纳米粒子！

小奇

2020-09-09

首先，咱们来看看10 nm颗粒被抓住和被移动的动图。

2018年的诺贝尔物理学奖的一半授予了发明光镊技术的物理学家Arthur Ashkin，其获奖理由：光学镊子的开发及其在生物系统中的应用。Arthur Ashkin在20世纪60年代后期开始了用激光操纵微粒的工作，并最终于1986年公开了他的第一代光镊。他使用紧密聚焦的激光束来隔离和移动微米级的物体，而这些物体的大小有红细胞那么大。微米级光镊代表了生物学研究的重大进步，但其可操纵物体的大小使其发展受到了限制。

用作光学镊子的激光束只能将激光聚焦到直径约为激光波长一半的直径。例如，在波长为700 nm的红光的情况下，镊子可以使用低功率聚焦并仅操纵直径约为350 nm或更大的物体。尽管这算是比较小粒径了，但它对于例如100nm大小的病毒或小于10nm的DNA和蛋白质时却束手无策。

成果简介： 

近日，美国范德堡大学Justus Ndukaife等人开发出有史以来第一个光-热-电流体动力学镊子（OTET），一种能够在距离高强度激光焦点几微米的位置捕获和动态操纵纳米级物体的光学纳米镊子。而且在捕获位置，纳米级物体无需经历光热加热和光强度。OTET提供了一种方法，可以将单个10 nm以下的物体在溶液中保持几分钟，而无需进行物理束缚。成果以题为“Stand-off trapping and manipulation of sub-10nm objectsand biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers”发表于Nature Nanotechnology上。

相反微流形成捕获点

该工作利用了电热等离子体（ETP）捕集的最新进展，其中ETP流动用于启动向等离子体激元热点的快速颗粒传输，以便在热点处进行颗粒捕集。

具体而言，如图1所示，OTET平台由有限的等离子体纳米孔阵列和垂直施加的交流电场组成，分别在纳米孔阵列附近产生光诱导的热梯度和扭曲的交流电场线。纳米孔阵列与光的耦合导致高度局部化和增强的电磁热点，从而促进光吸收。增强的光吸收导致流体的温度升高和热梯度。

施加交流电场垂直于纳米孔阵列跨流体元件。纳米孔阵列的形貌导致施加的交流电场失真，从而引起法向和切向交流电场分量。电场引起的扩散电荷运动引起流体和悬浮颗粒的电渗透运动，其径向向外。ETP流也由等离子体纳米孔阵列附近流体的激光诱导加热和外加交流电场的作用而产生，并产生径向向内的流体漩涡。这两个相反的微流体流形成一个停滞区，流体速度变为零，该停滞区也就是粒子被捕获的位置。由于停滞区的位置距离激光束的位置较远，因此粒子被捕获的位置距离激光焦点有几微米远。

图|OTET系统的图解和理论分析

不破坏生物分子

利用该技术，研究人员成功地进行低功率捕获和操作10 nm以下的粒子和生物分子，该发现实现了捕获小于10nm的微粒（例如小蛋白分子）而没有光致损伤风险地重要任务，这代表了光学纳米操纵领域的重要发展。

实验表明，该系统可以进行：（1）使用激光和交流电场保持BSA分子被捕获；（2）通过关闭交流电场释放BSA蛋白；（3）通过移动激光束或平移显微镜载物台来动态操纵BSA蛋白。最后一个选项代表了OTET的另一个重要特征：能够动态操纵芯片上被捕获的10纳米以下的物体，这在常规的基于芯片的等离子阱和几何感应静电阱中是不可行的。

图|单个BSA蛋白分子的运输、捕获和释放以及粒子稳定性

位置可控

另外，还发现可以通过改变交流场频率来调整被捕获物体的位置与纳米孔阵列边缘之间的距离。结果表明，停滞区的位置（粒子地捕获位置）随着交流场频率的降低而增加。因此，通过调节所施加的交流电场的频率，可以根据需要控制陷阱的位置，使其远离纳米孔阵列的边缘。

图|捕获稳定性和捕获位置随交流频率变化的图示

分选纳米尺寸

使用OTET，研究人员还演示了在距激光照射几微米的捕获位置处，可以从包含20 nm和100 nm磁珠的溶液中选择性地捕获纳米级物体（例如20 nm电介质珠）。即一开始，使用2.5 kHz的交流场频，会同时捕获20 nm和100 nm的磁珠。当频率增加到4 kHz时，陷阱会释放100 nm的珠子，而20 nm的珠子会保留在原位。可以利用此功能对细胞外囊泡中大小在30nm至150 nm之间的外泌体进行分选，它代表了具有巨大潜力的OTET的重要应用。

图|逐帧显示使用OTET的基于尺寸的介电聚苯乙烯珠粒分选

下面可看看如何通过光镊分选出20nm大小的颗粒

通过更改交流频率，从100 nm和20 nm聚苯乙烯颗粒的混合物中分选20 nm聚苯乙烯颗粒

小结与展望：

OTET能够在几秒钟内捕获飞摩尔浓度的小生物分子的能力，以及基于大小的分选能力，使其成为一种用于对低含量分析物进行生物传感的有前途的工具。所提出的纳米处理技术能够立即实现多种激动人心的应用，其中包括：

1）以超低检测限进行生物传感；

2）单分子分析，以确定溶液中蛋白质的扩散系数和电动力学迁移率；

3）单分子Förster共振能量转移光谱法在观察区内的单分子稳定化；

4）基于大小的纳米级物体分选，例如来自细胞外囊泡异质群体的外泌体。

关于最后一点，OTET提供了一种简单而快速的芯片实验室解决方案，用于解决由生物细胞释放的细胞外囊泡群体捕获和分类外泌体的问题，这对于单一外泌体分析和了解细胞异质性对释放的外泌体的影响，以用于药物递送和诊断。

参考文献：

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