原創 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《微紀元》，講述了未來人類通過基因改造和納米技術變成了微人類。所謂“微人類”就是和細菌一樣大小的人種，它們能看到我們（在小說中要被稱為是“宏人”了）現在肉眼看不到的顯微鏡下的世界，它們可以直接抵御細菌、病毒做到百毒不侵，同時也可以隨時檢測自己的基因復制，支配蛋白質運轉。

微人類的幻想對于人類的現實來說自然是遙不可及的，不過我們在微小的尺度上實現對原子、分子的操縱，正是著名物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）當年的大膽暢想，也恰是當今我們稱之為單分子科學領域關注的主要內容。

話說回來，要操縱分子尺度的東西，就要動用跟其尺寸相當的家伙，光學鑷子（optical tweezers）是一個能讓人想到的實現此目的的利器。感興趣的讀者可能知道，傳統光鑷是利用激光的力學效應（精度可達皮牛pN（10-12 N）到飛牛fN（10-15 N）的數量級），對需要研究的微粒進行非接觸、無損傷觀察或者操縱，一旦微粒落入光學梯度力勢阱（optical gradient potential wells），就很難從中心逃脫，為很多活體實驗提供了便利，從而在生命科學等領域取得了非常廣泛的應用。因此2018年諾貝爾物理學獎的一半授予了對光鑷做出杰出貢獻的阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）。

傳統光鑷操控微米尺度的東西可以說是毫不費力了（不過跟下面要說的操縱分子尺度的東西所使的力比起來，其實花的力氣不小），那么是不是就可以一勞永逸地拿它來撥弄更小的分子、原子了呢？（畢竟殺雞用牛刀也不是不可以。）遺憾的是，這個問題的答案是No。要操縱分子，傳統光鑷會冒出一系列紛繁復雜的問題：首先我們知道光產生的梯度力與微粒尺寸的立方以及勢阱的深度成正比，那么當我們需要研究的微粒到達亞波長（sub-wavelength）尺度的時候（如單個DNA和蛋白質的大小都在幾納米到幾十納米的量級），傳統光鑷產生的力就不足以滿足穩定捕獲（stable trapping）的條件，除非不斷增加激光的強度來增加勢阱深度，但當光鑷激光能量達到很高的時候，往往帶來熱效應或者光毒性，這會摧毀需要觀察或者操縱的單分子樣品[1, 2]。另外，如果想精準操控納米尺度的微粒，還需要更窄的勢阱，但是光存在衍射極限（diffraction limit），一般估計為半波長，假如用對樣品傷害比較小的近紅外激光（near infrared）來作光鑷，那么勢阱最窄只能達到400-500 nm左右。這時如果需要觀察和操縱的微粒是10 nm，那么我們就只有1/40的準確度，這就好比給你一個大鏟子，讓你去找到米缸里特定的一粒米，難度不言而喻。

因細小，而激蕩

那么有沒有辦法既利用較低的激光強度同時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年諾貝爾獎得主阿瑟·阿什金提出了傳統光鑷的改進加強版——納米光鑷（nano-optical tweezers），又稱表面等離子體光鑷（plasmonic optical tweezers）。

可能大家對表面等離子體（plasmonics）這個詞相對比較陌生，我們稍后提到原理的時候再細說。這一加強版本與傳統光鑷相比有何不同呢？簡單來說它就只是在傳統光鑷的襯底上鍍了一層貴金屬薄膜，比如金、銀或者鋁（今時今日鋁不貴重了哈），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構，此時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在金屬表面的小孔就能實現捕獲更小尺度的微粒，我們就不得不提表面等離子體了。其實人類早在中世紀就可能是無意識地在利用表面等離子體的一些性質了，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出了不同的顏色（當然要在光照下），也只是在近幾十年來人們才逐漸認識到背后是表面等離子體在炫技，于是就有意識地讓它在越來越多的領域里（例如光信息技術、生物傳感、顯微鏡成像和光子學器件）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有不同的顏色。我們知道愛因斯坦的諾獎工作是關于光電效應的：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，整體不能構成導體，當被光照射的時候，顆粒之中只能產生電子振蕩（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存起來，在玻璃的另一邊看，只能看見大多數沒有被吸收的紅光。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的交界面傳播，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。這個很好理解，不同金屬顆粒，不同大小都會對不同顏色的光敏感，這個優勢已經應用在傳感器的領域。第二、電磁波的亞波長束縛。這個也不難理解，當光子能量與表面等離子體耦合，相當于能量儲存成為了表面等離子體，并且限域于納米結構表面，從而突破了光學的衍射極限（diffraction limit），此優勢多應用于激光聚焦或者光子通信等等。最后，局域電場增強。當金屬中電子集體共振接近納米結構（納米小孔或者是納米顆粒）和電介質邊界的時候，會產生一個巨大的電場增加，當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），此優勢多運用于表面增強光譜或者表面等離子體光鑷等。

誰動了你的基因？

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、領結孔等[3, 4, 5]，但其實原理都大同小異。當我們想要鑷取的納米微粒或者是一段DNA、蛋白質等落入納米小孔中間的時候，在一束激光的照射下，小孔附近就會出現高達一百倍的電場增強，因此表面等離子體光鑷就只需要用比傳統光鑷小一百倍的激光強度[6]，就可以將這些小東西擒拿。同時，借住熒光或者透射等光學細微變化，可以確定是否成功捕獲了需要鑷取的物體。當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，不然會導致進入多個需要鑷取的物體。（這里需要強調的是，通常這些納米微粒DNA或者蛋白質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分子。）當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大大降低。其次需要通過大量數值模擬和實驗，找到最大的電場增強以及最大的透射強度，這時的透射最大強度是根據需要鑷取物體介于孔隙之間找到的，這時納米光鑷能達到最佳效果，我們稱之為自誘導背作用光鑷（self-induced back-action，簡稱SIBA trapping）[7]，也是當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。

在這樣一個精確工具的幫助下，人類對DNA和蛋白質的研究將會變得更加容易：首先，納米光鑷捕獲的DNA不僅可以用來測序而且還可以對需要的部分進行基因修飾，正所謂檢測加改造一次性完成。在DNA折紙技術（DNA Origami）中，納米光鑷同樣可以強制把短DNA片段根據需要拼接在一起，填補化學自組裝中一些難以實現的問題。其次，納米光鑷通過長時間捕獲蛋白質，同時借助熒光共振能量轉移（fluorescence resonance energy transfer）可以做到實時監控蛋白質的結構動力學，幫助人們了解蛋白質到底是如何作為納米機器人在人體內運轉，如何折疊成復雜的多維結構等。同時，借助納米光鑷產生的熱量（因為是納米尺度，所以熱量可以做到在一個很小的范圍內，這樣不會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蛋白質結構的影響以及一些需要熱量的化學反應。最后，納米光鑷對于病毒的分析可以直接進入RNA層面，通過影響蛋白質的功能，甚至可以影響病毒的寄生機理。相信在不久的將來，科幻中的場景也許就會實現，我們可以更直觀地了解DNA是如何轉錄，蛋白質是如何運轉如何折疊，病毒細菌或者癌細胞也會被我們用納米光鑷清掃干凈…...

參考文獻

[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 ‘antenna-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).

原標題：《誰能操控你的基因》

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