比翱观察丨纳米镊子：使用来自声波的电场来操纵生物分子

通过使用由压电换能器驱动的声波并产生电场，研究人员开发了另一种类型的纳米镊子，用于精确操纵生物粒子。

 

你会了解到：

- 如何使用压电材料来创建定义的声场。

- 反过来，该场如何用于开发调制电场。

- 声学和电场的组合如何作为纳米镊子来操作DNA等生物粒子。

您可能熟悉使用聚焦激光束和梯度透镜移动和操纵DNA链等微小分子的光镊（请参阅下面的参考资料）。20世纪80年代，由贝尔实验室的Arthur Ashkin领导的团队构思、分析、构建和测试了这些光学镊子— — 正式称为光学“捕获”的过程。他的工作导致他获得了2018年的诺贝尔物理学奖（延迟的原因是个谜）。自开发以来，它们经过改进和增强，现已成为不可或缺的工具，对分子马达、DNA和其他生物分子的科学和研究产生重大影响。然而，这种基于激光的工具不适合的情况会出现。替代方法包括使用脉冲压电材料来产生将粒子捕获在声压节点或波腹中的声辐射力。然而，这种方法受到“声流”的限制，这是一种抵消声辐射力的波传播不可避免的特性。这种流动会阻止稳定的捕获和“模式化”（受控运动），尤其是当粒径缩小到100 nm以下时。结果是，包括声学纳米捕获和操纵在内的各种光镊替代方案，在不增加过多背景噪声和干扰的情况下，无法为精确的纳米操纵提供足够的力。当尝试对尺寸小于100 nm且面积较大的粒子进行此操作时，情况尤其如此。声电纳米镊子为了克服这些障碍，杜克大学的一个由机械工程和材料科学的William Bevan特聘教授Tony Jun Huang领导的团队设计了一种使用声诱导电场的新方法，他们称之为“声电子纳米镊子”（简称AENT））。项目团队的研究生Joseph Rufo指出，“虽然我们仍然从根本上使用声音，但我们的声电子纳米镊子使用的机制与这些以前的技术截然不同。现在我们不仅利用声波，而且利用具有声波特性的电场。”他们的方法使用一个装满液体的小室。四个叉指式换能器（IDT）制作在压电基板上，并与腔室的侧面对齐（图1）。激励这些换能器将声波发送到压电基板中，这些声波又会产生局部弹性变形。变形作为声波沿表面传播并相互干扰和边界。由于声波在压电基板内产生应力，它们也会产生电场并最终建立可以被操纵和移动的驻波电场。

声电纳米镊子的工作原理：(a)声电子场是通过动态声波相互作用产生的。这些声波在流体中具有最小的平面外振动和相关的声学衰减损失。F是表面电势。(b)相对于介质具有不同极化率的粒子的电场分布和俘获位置的示意性侧视图（红色球体：高极化率；绿色球体：低极化率）。(c) AENT通过调整声波的相位和振幅来操纵具有比3D空间中的介质更低或更高极化率的纳米粒子的示意图机制。Δφ₁表示叉指式换能器IDT₁的相位变化。ΔA1₂表示IDT₁和IDT₂的幅度变化。(d) 基于AENT的九种潜在单晶压电材料的候选激发配置。κ_AET为声电子效率，定义为驻波模式下换能器表面电位与激励电压之比；u_fluid是在不同晶体上一致激发振幅下的声流速度。(e)由AENT制造的具有预先设计的纳米纹理的宏观材料。插图显示了含有排列的碳纳米管和100 nm聚苯乙烯(PS)珠的PDMS薄膜的显微图像，以及含有纹理蛋白质（66 kDa和3 kDa；kDa是千道尔顿，蛋白质质量的度量）的PEG水凝胶。比例尺：60 μm。

甚至压电材料的选择也会影响性能，评估材料也是该项目的一部分。原因是表面声电子效率和声流扰动是决定AENT性能的关键因素。更高的声电子效率可实现更高效的电操纵，而较低的声流势能减少流体动力干扰（噪声）并提高操纵能力的稳定性。为了量化这些选项，他们测试了九种不同的单晶压电材料，这些材料具有产生面内振动的良好潜力，以表征与这两个考虑因素相关的频域。作为这些测试的结果，他们选择了LiNbO₃的特定晶体版本作为主要压电材料。测试和结果为了验证他们构建的东西是否真的按预期运行，他们首先对100纳米聚苯乙烯颗粒以及更大或更小的珠子进行了一维测试。在成功验证后，他们继续进行二维实验并改变（或调整）参数，包括压电驱动频率、振幅、相位、位置和时间，以合成捕获粒子的复杂声电子场。通过调整这些参数，他们能够移动场，从而也移动粒子，将单个粒子移动到所需位置以形成更大模式（图 2）。

AENT能够以单粒子精度进行纳米操作：(a)2D晶格在几个捕获孔中包含单个400-nm聚苯乙烯珠。(b)通过调整正交驻波的相位进行2D纳米操作的原理。(c)堆叠荧光图像显示400 nm 聚苯乙烯颗粒可以沿复杂路径平移为字母“D”、“U”、“K”和“E”。(d, e)使用2D电场的单个400-nm珠子的可逆配对。(f) 随着驻波振幅的增加，单个400 nm珠的示意性力分析和悬浮。F_AENT = 声电子力；F_Buoy = 浮力； F_Grav = 重力； F_Brow= 布朗力； DA = 位移波腹。带有双向箭头的标签“s”表示驻波的方向。(g, h)使用窄声电子波束在连续流动中偏转单个纳米粒子。(g)在分叉通道中偏转400 nm粒子。默认情况下，单个400 nm粒子流向下部出口（AENT关闭，红色伪色），或者当AENT开启时（绿色伪色）可以偏转到上部通道。灰色阴影：PDMS墙。(h) 单个110 nm聚苯乙烯珠粒和单个外泌体颗粒在连续流动中的偏转。时间流逝轨迹绘制在合成图像上，其中色阶指示流逝的时间。时间间隔：100 ms。比例尺：a：60 μm；c-f：15 μm；g、h：20 μm。 
作者得出结论，他们的AENT方法结合了可重构声波和耦合电场，同时最小化了声流，可以在纳米粒子上实现大驱动力（在这种情况下，“大”是指飞牛顿到皮牛顿的数量级）不引入显著的水动力扰动。更进一步，基于声电子场的动态、可重构性质，演示了模式平移、旋转、变换、互连、粒子配对、悬浮、集中和排序等其他功能。该研究得到了美国国立卫生研究院、美国陆军医学研究采购活动和国家科学基金会的支持）。该项目在他们发表在Nature Communications上的论文“Acoustoelectronic nanotweezers enable dynamic and large scalecontrol of nanomaterials”中进行了详细描述（可通过阅读原文查看），以及全面的补充材料，其中讨论了不同压电材料的设置、测试和评估，包括项目的其他方面。参考文献EE World, “Optical tweezers movenano-objects, Part 3: The system.” (Has links to Parts 1 and 2.)

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