▲第一作者：Chuchuan Hong；通讯作者：Justus C. Ndukaife
通讯单位：Vanderbilt Institute of Nanoscale Science and Engineering, Vanderbilt University, Nashville, TN, USA；Department of Electrical Engineering and ComputerScience, Vanderbilt University, Nashville, TN, USADOI: 10.1038/s41565-020-0760-z
背景介绍
光镊已经成为非侵入性捕获和操纵胶体粒子和生物细胞的强大工具。然而，衍射极限阻止了纳米尺度物体的低功率俘获，大幅度增加激光功率可以提供足够的捕获势深度来捕获纳米尺度的物体。但是，大量所需的光强会在捕获的生物标本中造成光毒性和热应力。由等离子体纳米天线和光子晶体腔组成的低功率近场纳米光镊已被开发用于稳定的纳米尺度物体跟踪。然而，演示的方法仍然要求物体被困在高光强区域。
本文亮点
● 本文报道了一种新型的光控纳米镊子，称为光-热-电流体动力镊子，它能够在距离高强度激光焦点数微米的位置捕获和动态操纵纳米级物体，在捕获位置，纳米级物体经历的光热加热和光强度都可以忽略不计。● 光-热-电流体动力镊子采用有限阵列的等离子体纳米孔，在光和外加交流电场的照射下产生空间变化的电流体动力学势，可根据需要快速捕获飞摩尔浓度下的10 nm以下生物分子。● 通过提供前所未有的对纳米级物体（包括光敏生物分子）的控制，这种无创光学纳米镊子方法有望为纳米科学和生命科学领域带来新的机遇。
图文解析
● 图1 OTET系统的说明与理论分析
a、OTET系统的运行机制。通过在等离子体纳米孔阵列上移动激光，单个粒子（蓝色球体）被困在远离激光的地方，并沿着图形边缘水平地跟随激光束的运动。插图显示了当激光和交流电场作用于被困粒子上的力。ACEO，交流电渗流；FACEO，交流电渗流的阻力；FETP，来自ETP流的阻力；Fes，粒子表面相互作用力；b、激光聚焦在纳米孔阵列中心时的电场分布。在俘获位置，来自光的电场很小，足以消除它对被俘获粒子的影响。c、激光聚焦在纳米孔阵列中心时金膜表面的温度分布。粒子俘获发生在离最高温度区几微米远的地方。d、 当激光聚焦在纳米孔阵列中心时，表面附近的径向速度矢量图。粒子捕获位置被圈起来。虚线如图4b-e所示，激光聚焦偏离中心时，表面附近的径向速度矢量图。粒子俘获位置随激光光斑的平移而改变。
● 图2 演示单个BSA蛋白分子的转运、捕获和释放，以及单个BSA分子的稳定性
a、当激光和交流电场同时作用时，快速启动和长期稳定陷阱的逐帧序列。红点显示激光的位置，单个BSA分子（微小的亮点）以蓝色矩形突出显示。b、被捕获单分子的横向位置。如a所示，x位置是沿图案s边的位置，y位置是垂直于图案s边的位置。c、d，分别沿x和y方向的横向位移直方图。橙色曲线显示高斯形状拟合曲线。
● 图3 一帧一帧的图像显示了单个BSA蛋白分子的动态操作
红点表示激光光斑的位置，单个分子（微小的亮点）在蓝色矩形内突出显示。黄色箭头表示激光运动的方向，蓝色箭头表示分子的运动。在t=0s，单个分子被困在图案的边缘附近，激光开始相对于纳米孔阵列移动。在激光运动过程中（持续2.1s），单个分子跟随激光，同时保持一个距离激光光斑数微米的捕获位置。第二帧是在t=1.0s时捕捉到的典型时刻，在激光停止运动的时刻，单分子继续沿着原来的方向运动，最后在与激光光斑处于同一水平时停止运动。这两个步骤在第三和第四帧中演示。从t=3.1s开始，我们将激光器朝相反的方向向下移动，单个分子跟随激光向下移动。
● 图4 捕获稳定性和捕获位置与交流频率的函数关系
a、逐帧演示不同交流频率下被困分子的位置。在2khz交流频率下，单分子被困在离图案边缘较远的地方。当交流频率调高，从2千赫调到5千赫时，陷波位置向内移动，更靠近图案的边缘。b、沿着垂直于图案长度方向的不同交流频率下的模拟径向速度，在图1d中的虚线之后。正径向速度是指远离纳米孔阵列的速度，而负速度是指向内的速度。停滞区的位置（即速度为零的位置）取决于交流频率。c、每个交流频率下单个分子的平均距离。模式s边定义为y位置=0，而x=0定义为单个分子的平均x位置。d、不同交流频率下BSA分子位置的散点图。结果表明，在较低的交流电场频率下，捕获稳定性较高。
● 图5 一帧一帧的序列显示了使用OTET的基于尺寸的聚苯乙烯颗粒的分类
20nm聚苯乙烯珠（PS）以蓝色矩形突出显示，而100nm的珠子位于黄色圆圈内，亮度更高。最初，交流频率设置为2.5kHz，20纳米和100纳米聚苯乙烯小球都被困在纳米孔阵列的边缘附近。3秒后，交流频率调到3.5千赫，这样所有珠子都会移近图案。当交流频率增加到4kHz时，100nm磁珠变得不稳定并被分选，而20nm磁珠仍被捕获。前四个帧按时间顺序演示排序过程。为了确保20纳米珠子被稳定地捕获，交流频率再次调低到3.5千赫兹，并且它们仍然被捕获。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-020-0760-z.pdf
研之成理
