【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下，光場梯度力（gradient force）會(huì)將其推動(dòng)到光強(qiáng)最強(qiáng)的地方（三維光學(xué)勢阱），如果移動(dòng)光場，那么微粒也會(huì)隨之移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對微粒的捕獲與操控。
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必會(huì)對捕獲的生物標(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，在不對或盡量少對目標(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)生極高的電場增強(qiáng)，從而降低了對激光強(qiáng)度的需求。利用被捕獲粒子對周圍局部場強(qiáng)的影響，研究人員實(shí)現(xiàn)了對直徑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，從而實(shí)現(xiàn)了對不同材料、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)”多場耦合的納米光鑷技術(shù)（opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers，OTET），在實(shí)現(xiàn)對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（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)對納米孔陣列繼續(xù)施加垂直的交流電場，陣列的形貌導(dǎo)致了電場的畸變，產(chǎn)生了法線和切線的電場分量。在納米孔陣列和流體界面處感應(yīng)的電雙層（electrical double layer, EDL）中,交流電場的切線分量對擴(kuò)散電荷產(chǎn)生了庫侖力。而這種由電場引起的擴(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的頻率對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)控電場頻率實(shí)現(xiàn)了對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單而高效的解決方案，對于單個(gè)外泌體分析和理解細(xì)胞異質(zhì)性對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。
