激光之力可隔空取物 填补新科诺奖成果的缺陷

利用声镊技术可以分离血细胞和肿瘤细胞。图片来源:Tony Jun Huang, PhD, Pennsylvania State University

利用声镊技术可以分离血细胞和肿瘤细胞。图片来源:Tony Jun Huang, PhD, Pennsylvania State University

2018年的诺贝尔物理学奖颁给了光镊技术,利用光镊可以操控许多微小物体,但是光镊却有一个缺点,那就是仍然保留了光的性质不能穿过非透明物质。但是最新的研究——声镊技术,可以完全克服这一缺点,可以说是诺奖的2.0版本。

2018年的诺贝尔奖颁发给了光镊的发明者阿瑟•阿什金,光镊利用“激光之力”(光压,或称辐射压),能够操控极微小的物体,细菌、细胞,甚至是DNA……微小的物体可以在不受挤压的情况下“隔空”移动。光镊技术现在已经在生物学研究领域有了很广泛的应用。

但是,还不够。激光能穿透透明物质,一旦遇到非透明物质的阻隔,它就全无招架之力。因此,有科学家利用与光镊相似的原理,设计出了声镊。利用“声音的力量”,让小到微米,大到厘米的物质,接受声波的操纵。最近,英国和西班牙的科学家首次利用声波,隔空让微小物体或是悬浮在空中,或同时将多个物体向不同方向移动。超声波在一定程度上能够穿透非透明的阻隔,这让科学家看到未来将声镊直接用于医学领域的广阔应用前景,比如隔空手术、将药物运送到目标器官等等。

激光之力

要了解声镊的原理与作用,不得不先说说光镊。从1960年代后期开始,科学家们开始研究如何使用激光操纵微观粒子,阿瑟•阿什金就是其中之一。1970年,他经过估算,认为聚焦的激光有可能推动微米大小的微粒,于是他使用1W连续波氩激光束照射于一个微米尺寸圆球,发现这些微粒沿着光轴被加速推离。

到1986年,阿什金等人指出将单束激光高度聚焦,在激光束焦点处可以将微粒稳定地捕获,这种技术被称为光镊技术,它可以抓取直径为纳米级至数十微米地粒子。1987年,阿什金首先将光镊应用于生命科学领域,用于捕获细菌、病毒。

一台光镊仪器。图片来源:thorlabs

一台光镊仪器。图片来源:thorlabs

由于光镊可以实现远距离非接触式捕获,并可以对活体样品进行无损伤操纵,因此在生命科学等众多领域得到了快速、大范围的应用,也因为此项研究,阿什金在90多岁高龄获得了2018年诺贝尔物理学奖。

激光之所以能够如镊子般“夹持”物体,主要是由于光辐射压力。光是电磁波,它不仅携带能量,也携带动量。实际上,当我们感受着太阳光的热时,实际上也有辐射压力的作用,只不过这力太小了,人自然是感受不到的。据估算,当太阳垂直入射时,地球表面的光压约为0.5达因/平方米,也就是说每平方米所受光压仅约为0.5×10^-5牛顿。而激光与普通光源不同,它是高亮度、方向性极好的单色光源,激光辐射在空间方向上高度集中,使得在该方向上有很高的亮度,如果把一个微米量级的电介质小球置于10mW的氦氖激光器发射的光聚焦点处,这个小球将受到约10^6达因的辐射压力,从而产生10^5g的加速度(g为重力加速度),对于小球来说这样的力已经很大了。

全能声镊

从原理上来看,光镊与声镊多有相似。在声镊方面早期做出重要研究成果的科学家也主要借鉴了阿什金等人的成果。1991年,美国维蒙特大学教授吴君汝(Junru Wu)在学术期刊发表论文提出,利用两束3.5兆赫兹的超声波束,可以捕获并操纵直径270微米的乳胶粒子和青蛙卵簇。在这篇论文的参考文献中,共列出5篇文献,其中3篇文献的作者为阿什金等人,另外两篇为吴君汝团队在1990年发表的相关论文。在论文中,作者写道,声镊基于这样一个概念:聚焦超声波束的辐射压力可以在物理焦点处产生稳定的力势。这是一篇声镊领域的开创性研究,自此之后,声镊的研究如火如荼地发展起来。

通过几十年的发展,利用声波与固体、液体及气体的相互作用,使得声镊的能力从简单的粒子捕获扩展到细胞、生物体在三维空间中的精确旋转和移动。

当研究人员对声镊的生物相容性进行研究的时候,发现声镊能够避免对细胞和小的动物模型产生损伤。比如,将红细胞置于声镊仪器中30分钟以上,细胞活力并没有变化。将斑马鱼胚胎同样放在声镊仪器中,也未表现出发育障碍或者死亡率的变化。

研究人员认为,声镊的多功能性和生物相容性应该能够解决生物学和生物医学领域的当前挑战,例如分离和检测用于癌症诊断的生物标记物。

隔空操纵微小物体

最近,英国与西班牙的科学家在美国《国家科学院学报》(PNAS)上发文指出,他们已经成功研发出能够操纵微小物体的超声波悬浮装置,这一装置可以同时将多个物体向不同方向移动。这一装置包含彼此相对的两面扬声器阵列,每一面阵列由256个直径仅1厘米的扬声器组成,每一面阵列都与一台计算机相连,每个扬声器都可以被独立控制,它们发出4万赫兹频率的声波,可以形成错综复杂的声场。

通过控制这一个个扬声器,置于声场中的微小物体能够完成多项任务。在试验中,研究人员控制直径1毫米到3毫米的聚苯乙烯球,完成“跳舞”,甚至可以“穿针引线”等高难度任务。

在研究人员的演示中,小球可以在控制下单独移动,并可以作为一个整体“舞蹈”,像女团表演一样变换着队形。研究人员还可以将其它物体挂在小球上进行移动,比如,一根连接着两对小球的线在控制下精准地穿过圆洞,让它们完成穿针引线的工作肯定不在话下。

“光镊是一种奇妙的技术,但总是有点危险,几乎要杀死被移动的细胞,利用声音我们可以产生相似的力量,但是能量更低。”研究者之一,英国布里斯托大学教授Bruce Drinkwater说。“有太多需要进行细胞操控的地方了,声学系统对它们来说是完美的。”

由于超声波可以在人体组织中传播,因此,研究人员认为,未来声镊将有能力将药物输送到指定器官,清除肾结石或者将可植入的医疗器械引导到身体中。

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