原創(chuàng) 返樸 返樸

撰文 | 姜全博（法國國家研究中心菲涅爾研究所助理研究員）

著名科幻作家劉慈欣先生有一部讓人印象深刻的科幻小說《微紀(jì)元》，講述了未來人類通過基因改造和納米技術(shù)變成了微人類。所謂“微人類”就是和細(xì)菌一樣大小的人種，它們能看到我們（在小說中要被稱為是“宏人”了）現(xiàn)在肉眼看不到的顯微鏡下的世界，它們可以直接抵御細(xì)菌、病毒做到百毒不侵，同時(shí)也可以隨時(shí)檢測自己的基因復(fù)制，支配蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)。

微人類的幻想對(duì)于人類的現(xiàn)實(shí)來說自然是遙不可及的，不過我們?cè)谖⑿〉某叨壬蠈?shí)現(xiàn)對(duì)原子、分子的操縱，正是著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）當(dāng)年的大膽暢想，也恰是當(dāng)今我們稱之為單分子科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的主要內(nèi)容。

話說回來，要操縱分子尺度的東西，就要?jiǎng)佑酶涑叽缦喈?dāng)?shù)募一?，光學(xué)鑷子（optical tweezers）是一個(gè)能讓人想到的實(shí)現(xiàn)此目的的利器。感興趣的讀者可能知道，傳統(tǒng)光鑷是利用激光的力學(xué)效應(yīng)（精度可達(dá)皮牛pN（10-12 N）到飛牛fN（10-15 N）的數(shù)量級(jí)），對(duì)需要研究的微粒進(jìn)行非接觸、無損傷觀察或者操縱，一旦微粒落入光學(xué)梯度力勢(shì)阱（optical gradient potential wells），就很難從中心逃脫，為很多活體實(shí)驗(yàn)提供了便利，從而在生命科學(xué)等領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用。因此2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半授予了對(duì)光鑷做出杰出貢獻(xiàn)的阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）。

傳統(tǒng)光鑷操控微米尺度的東西可以說是毫不費(fèi)力了（不過跟下面要說的操縱分子尺度的東西所使的力比起來，其實(shí)花的力氣不?。敲词遣皇蔷涂梢砸粍谟酪莸啬盟鼇頁芘〉姆肿?、原子了呢？（畢竟殺雞用牛刀也不是不可以。）遺憾的是，這個(gè)問題的答案是No。要操縱分子，傳統(tǒng)光鑷會(huì)冒出一系列紛繁復(fù)雜的問題：首先我們知道光產(chǎn)生的梯度力與微粒尺寸的立方以及勢(shì)阱的深度成正比，那么當(dāng)我們需要研究的微粒到達(dá)亞波長（sub-wavelength）尺度的時(shí)候（如單個(gè)DNA和蛋白質(zhì)的大小都在幾納米到幾十納米的量級(jí)），傳統(tǒng)光鑷產(chǎn)生的力就不足以滿足穩(wěn)定捕獲（stable trapping）的條件，除非不斷增加激光的強(qiáng)度來增加勢(shì)阱深度，但當(dāng)光鑷激光能量達(dá)到很高的時(shí)候，往往帶來熱效應(yīng)或者光毒性，這會(huì)摧毀需要觀察或者操縱的單分子樣品[1, 2]。另外，如果想精準(zhǔn)操控納米尺度的微粒，還需要更窄的勢(shì)阱，但是光存在衍射極限（diffraction limit），一般估計(jì)為半波長，假如用對(duì)樣品傷害比較小的近紅外激光（near infrared）來作光鑷，那么勢(shì)阱最窄只能達(dá)到400-500 nm左右。這時(shí)如果需要觀察和操縱的微粒是10 nm，那么我們就只有1/40的準(zhǔn)確度，這就好比給你一個(gè)大鏟子，讓你去找到米缸里特定的一粒米，難度不言而喻。

因細(xì)小，而激蕩

那么有沒有辦法既利用較低的激光強(qiáng)度同時(shí)還能捕獲更小的微粒呢？貪心雖不易得，兩全可成其美，主角閃亮登場：2018年諾貝爾獎(jiǎng)得主阿瑟·阿什金提出了傳統(tǒng)光鑷的改進(jìn)加強(qiáng)版——納米光鑷（nano-optical tweezers），又稱表面等離子體光鑷（plasmonic optical tweezers）。

可能大家對(duì)表面等離子體（plasmonics）這個(gè)詞相對(duì)比較陌生，我們稍后提到原理的時(shí)候再細(xì)說。這一加強(qiáng)版本與傳統(tǒng)光鑷相比有何不同呢？簡單來說它就只是在傳統(tǒng)光鑷的襯底上鍍了一層貴金屬薄膜，比如金、銀或者鋁（今時(shí)今日鋁不貴重了哈），之后再用聚焦離子束（FIB）在金屬表面刻蝕出納米尺度的小孔或者其他結(jié)構(gòu)，此時(shí)如果需要觀察或者操縱的微粒落入此小孔中，表面等離子體光鑷就可以施展拳腳了。

想明白為什么加了一個(gè)在金屬表面的小孔就能實(shí)現(xiàn)捕獲更小尺度的微粒，我們就不得不提表面等離子體了。其實(shí)人類早在中世紀(jì)就可能是無意識(shí)地在利用表面等離子體的一些性質(zhì)了，如下圖這些色彩斑斕的馬賽克玻璃（拍攝于巴黎的Sainte-Chapelle教堂），只是通過摻雜了不同的金屬顆粒就呈現(xiàn)出了不同的顏色（當(dāng)然要在光照下），也只是在近幾十年來人們才逐漸認(rèn)識(shí)到背后是表面等離子體在炫技，于是就有意識(shí)地讓它在越來越多的領(lǐng)域里（例如光信息技術(shù)、生物傳感、顯微鏡成像和光子學(xué)器件）大放異彩。此處我們略去繁瑣的公式，單純從科普的角度來講講表面等離子體何以有如此威力。

首先，我們來解答為何玻璃會(huì)有不同的顏色。我們知道愛因斯坦的諾獎(jiǎng)工作是關(guān)于光電效應(yīng)的：光或者光子（photons）是攜帶能量的，如果光子照射到一層金屬表面，一定條件之下金屬表面可以出射電子。但彩色玻璃里面僅僅是摻雜了一些金屬顆粒，整體不能構(gòu)成導(dǎo)體，當(dāng)被光照射的時(shí)候，顆粒之中只能產(chǎn)生電子振蕩（如下圖）。我們以金（Au）來舉例，玻璃里摻雜金的小顆粒很喜歡綠色，一旦看見（吸收）綠光，其中的電子就開始激動(dòng)不已，然后一起搖擺起來，自然光中綠色波長的能量就被金粒子吸收儲(chǔ)存起來，在玻璃的另一邊看，只能看見大多數(shù)沒有被吸收的紅光。那些一起搖擺的金顆粒中的電子，我們就稱之為表面等離子體（surface plasmons），當(dāng)然如果是一層金屬膜，電子集體振蕩相互影響也可看成一種波在金屬和電介質(zhì)的交界面?zhèn)鞑?，我們又稱之為傳播表面等離子體（propagating surface plasmons）。

大致了解了主角的來路，我們進(jìn)一步概述一下表面等離子體的新奇作用：首先，選擇性吸收和散射。這個(gè)很好理解，不同金屬顆粒，不同大小都會(huì)對(duì)不同顏色的光敏感，這個(gè)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)應(yīng)用在傳感器的領(lǐng)域。第二、電磁波的亞波長束縛。這個(gè)也不難理解，當(dāng)光子能量與表面等離子體耦合，相當(dāng)于能量儲(chǔ)存成為了表面等離子體，并且限域于納米結(jié)構(gòu)表面，從而突破了光學(xué)的衍射極限（diffraction limit），此優(yōu)勢(shì)多應(yīng)用于激光聚焦或者光子通信等等。最后，局域電場增強(qiáng)。當(dāng)金屬中電子集體共振接近納米結(jié)構(gòu)（納米小孔或者是納米顆粒）和電介質(zhì)邊界的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的電場增加，當(dāng)然這種電場增加只是局域性的，也就是通常金屬表面幾十到幾百納米的距離（一般稱之為近場，near field），此優(yōu)勢(shì)多運(yùn)用于表面增強(qiáng)光譜或者表面等離子體光鑷等。

誰動(dòng)了你的基因？

表面等離子體光鑷存在幾種不同的納米孔隙（nano-apertures），像單孔、雙孔、領(lǐng)結(jié)孔等[3, 4, 5]，但其實(shí)原理都大同小異。當(dāng)我們想要鑷取的納米微粒或者是一段DNA、蛋白質(zhì)等落入納米小孔中間的時(shí)候，在一束激光的照射下，小孔附近就會(huì)出現(xiàn)高達(dá)一百倍的電場增強(qiáng)，因此表面等離子體光鑷就只需要用比傳統(tǒng)光鑷小一百倍的激光強(qiáng)度[6]，就可以將這些小東西擒拿。同時(shí)，借住熒光或者透射等光學(xué)細(xì)微變化，可以確定是否成功捕獲了需要鑷取的物體。當(dāng)然孔隙的大小不是一拍腦袋就想出來的。首先，孔隙不能太大，不然會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入多個(gè)需要鑷取的物體。（這里需要強(qiáng)調(diào)的是，通常這些納米微粒DNA或者蛋白質(zhì)都是以高濃度的形式存在在生理鹽水或者一些生物緩沖劑中，所以此時(shí)納米光鑷的好處又多了一條，我們不用借助低濃度的液體來鑷取單個(gè)分子。）當(dāng)然也不能小于需要鑷取物體的大小，不然鑷取成功的幾率會(huì)大大降低。其次需要通過大量數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，找到最大的電場增強(qiáng)以及最大的透射強(qiáng)度，這時(shí)的透射最大強(qiáng)度是根據(jù)需要鑷取物體介于孔隙之間找到的，這時(shí)納米光鑷能達(dá)到最佳效果，我們稱之為自誘導(dǎo)背作用光鑷（self-induced back-action，簡稱SIBA trapping）[7]，也是當(dāng)下用最小激光能量鑷取最小微粒的納米光鑷，此類納米光鑷可以鑷取最小2 nm的微粒。

在這樣一個(gè)精確工具的幫助下，人類對(duì)DNA和蛋白質(zhì)的研究將會(huì)變得更加容易：首先，納米光鑷捕獲的DNA不僅可以用來測序而且還可以對(duì)需要的部分進(jìn)行基因修飾，正所謂檢測加改造一次性完成。在DNA折紙技術(shù)（DNA Origami）中，納米光鑷同樣可以強(qiáng)制把短DNA片段根據(jù)需要拼接在一起，填補(bǔ)化學(xué)自組裝中一些難以實(shí)現(xiàn)的問題。其次，納米光鑷通過長時(shí)間捕獲蛋白質(zhì)，同時(shí)借助熒光共振能量轉(zhuǎn)移（fluorescence resonance energy transfer）可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，幫助人們了解蛋白質(zhì)到底是如何作為納米機(jī)器人在人體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，如何折疊成復(fù)雜的多維結(jié)構(gòu)等。同時(shí)，借助納米光鑷產(chǎn)生的熱量（因?yàn)槭羌{米尺度，所以熱量可以做到在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，這樣不會(huì)影響到周圍其他不需要研究的分子），還可以觀察溫度的變化對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響以及一些需要熱量的化學(xué)反應(yīng)。最后，納米光鑷對(duì)于病毒的分析可以直接進(jìn)入RNA層面，通過影響蛋白質(zhì)的功能，甚至可以影響病毒的寄生機(jī)理。相信在不久的將來，科幻中的場景也許就會(huì)實(shí)現(xiàn)，我們可以更直觀地了解DNA是如何轉(zhuǎn)錄，蛋白質(zhì)是如何運(yùn)轉(zhuǎn)如何折疊，病毒細(xì)菌或者癌細(xì)胞也會(huì)被我們用納米光鑷清掃干凈…...

參考文獻(xiàn)

[1] Crozier, K.B. Quo vadis, plasmonic optical tweezers?. Light Sci Appl 8, 35 (2019).

[2] Q. Jiang et al. Temperature measurement in plasmonic nanoapertures used for optical trapping. ACS photonics, 6, 1763-1733 (2019).

[3] M. L. Juan et al. Plasmon nano-optical tweezers. Nature Photon 5, 349–356 (2011).

[4] A. Kotnala et al. Quantification of High-Efficiency Trapping of Nanoparticles in a Double Nanohole Optical Tweezer. Nano Lett. 14, 2, 853-856 (2014).

[5] D. Punj et al. A plasmonic ‘a(chǎn)ntenna-in-box’ platform for enhanced single-molecule analysis at micromolar concentrations. Nature Nanotech 8, 512–516 (2013).

[6] E. S. Kwak et al. Optical trapping with integrated near-field apertures. J. Phys. Chem. B 108, 13607–13612 (2004).

[7] M. L. Juan et al. Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles. Nature Phys 5, 915–919 (2009).

原標(biāo)題：《誰能操控你的基因》

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