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新型热泳光镊:以千分之一的激光功率操控活体细胞

近年来纳米科学与技术的迅猛发展,已经在现代科技领域中占据举足轻重的位置。其中,光学微纳米操控技术作为纳米科技的一个前沿领域具有广泛的应用前景。尤其是在生命科学领域,光学微纳米操控技术可实现对活体细胞的高精度、多样性操作,从而在疾病预诊断、免疫功能研究以及组织工程等方向具有重要的应用。传统的光镊技术利用聚焦光子束产生的光学梯度力,可将微纳米颗粒束缚于激光束的焦点处,从而实现三维光学操控。然而,高强度的激光束对操控的材料本身可产生严重的辐照损伤,尤其是在活体细胞的操控中,聚焦激光束可在数秒内对活体细胞造成毁灭性的损伤。因此,能否有效降低光镊技术的工作激光功率,决定了光镊技术在生命科学中的应用前景。


在多元微流体系中,不同的离子、分子或微纳米颗粒沿着温度梯度场产生的定向迁移称为热泳运动。近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)的郑跃兵点击查看介绍研究团队热泳现象应用于光学操控中,发明了一种新型的热泳光镊,将传统光镊的工作激光功率降低2-3个量级,从而实现对活体细胞的无损操控


该热泳光镊技术巧妙利用了细胞膜带电磷脂层结构与水分子的相互作用及其在界面处形成的水分子双电层结构。细胞膜表面的负电荷产生静电场使吸附于细胞膜表面的水分子形成定向有序的排布。由于该有序水分子层在温度升高的时候趋向于无序排布,双电层具有和温度梯度方向一致的介电常数梯度,从而使活体细胞在低功率激光束的诱导下迁移并束缚于高温区域。


郑跃兵教授所带领的研究团队进一步将光学成像系统嵌入到热泳光镊中,实现了对不同活体细胞多样性的操作,包括对多个活体细胞单细胞精度的平行操控、组装及旋转等。鉴于热泳光镊具有低功率、低损耗、高精度、多功能操控等特点,该技术有望广泛应用于单细胞传感探测、细胞间交互作用等生命科学的研究。这一成果近期发表于ACS Nano 上,文章的第一作者是课题组成员林琳涵彭小磊

视频来源:UT Austin


该论文作者为:Linhan Lin, Xiaolei Peng, Xiaoling Wei, Zhangming Mao, Chong Xie, Yuebing Zheng

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Thermophoretic Tweezers for Low-Power and Versatile Manipulation of Biological Cells

ACS Nano, 2017, 11, 3147–3154, DOI: 10.1021/acsnano.7b00207


导师介绍

郑跃兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/38310


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