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用聲音隔空取物!填補新科諾獎成果的缺陷

http://finance.sina.com   2019年01月08日 17:05   北京新浪網

利用聲鑷技術可以分離血細胞和腫瘤細胞。圖片來源:Tony Jun Huang, PhD, Pennsylvania State University利用聲鑷技術可以分離血細胞和腫瘤細胞。圖片來源:Tony Jun Huang, PhD, Pennsylvania State University

  來源:環球科學ScientificAmerican

  2018年的諾貝爾物理學獎頒給了光鑷技術,利用光鑷可以操控許多微小物體,但是光鑷卻有一個缺點,那就是仍然保留了光的性質不能穿過非透明物質。但是最新的研究——聲鑷技術,可以完全克服這一缺點,可以說是諾獎的2.0版本。

  2018年的諾貝爾獎頒發給了光鑷的發明者阿瑟•阿什金,光鑷利用“激光之力”(光壓,或稱輻射壓),能夠操控極微小的物體,細菌、細胞,甚至是DNA……微小的物體可以在不受擠壓的情況下“隔空”移動。光鑷技術現在已經在生物學研究領域有了很廣泛的應用。

  但是,還不夠。激光能穿透透明物質,一旦遇到非透明物質的阻隔,它就全無招架之力。因此,有科學家利用與光鑷相似的原理,設計出了聲鑷。利用“聲音的力量”,讓小到微米,大到釐米的物質,接受聲波的操縱。最近,英國和西班牙的科學家首次利用聲波,隔空讓微小物體或是懸浮在空中,或同時將多個物體向不同方向移動。超聲波在一定程度上能夠穿透非透明的阻隔,這讓科學家看到未來將聲鑷直接用於醫學領域的廣闊應用前景,比如隔空手術、將藥物運送到目標器官等等。

  激光之力

  要了解聲鑷的原理與作用,不得不先說說光鑷。從1960年代後期開始,科學家們開始研究如何使用激光操縱微觀粒子,阿瑟•阿什金就是其中之一。1970年,他經過估算,認爲聚焦的激光有可能推動微米大小的微粒,於是他使用1W連續波氬激光束照射於一個微米尺寸圓球,發現這些微粒沿着光軸被加速推離。

  到1986年,阿什金等人指出將單束激光高度聚焦,在激光束焦點處可以將微粒穩定地捕獲,這種技術被稱爲光鑷技術,它可以抓取直徑爲納米級至數十微米地粒子。1987年,阿什金首先將光鑷應用於生命科學領域,用於捕獲細菌、病毒。

一臺光鑷儀器。圖片來源:thorlabs一臺光鑷儀器。圖片來源:thorlabs

  由於光鑷可以實現遠距離非接觸式捕獲,並可以對活體樣品進行無損傷操縱,因此在生命科學等衆多領域得到了快速、大範圍的應用,也因爲此項研究,阿什金在90多歲高齡獲得了2018年諾貝爾物理學獎。

  激光之所以能夠如鑷子般“夾持”物體,主要是由於光輻射壓力。光是電磁波,它不僅攜帶能量,也攜帶動量。實際上,當我們感受着太陽光的熱時,實際上也有輻射壓力的作用,只不過這力太小了,人自然是感受不到的。據估算,當太陽垂直入射時,地球表面的光壓約爲0.5達因/平方米,也就是說每平方米所受光壓僅約爲0.5×10^-5牛頓。而激光與普通光源不同,它是高亮度、方向性極好的單色光源,激光輻射在空間方向上高度集中,使得在該方向上有很高的亮度,如果把一個微米量級的電介質小球置於10mW的氦氖激光器發射的光聚焦點處,這個小球將受到約10^6達因的輻射壓力,從而產生10^5g的加速度(g爲重力加速度),對於小球來說這樣的力已經很大了。

  全能聲鑷

  從原理上來看,光鑷與聲鑷多有相似。在聲鑷方面早期做出重要研究成果的科學家也主要借鑑了阿什金等人的成果。1991年,美國維蒙特大學教授吳君汝(Junru Wu)在學術期刊發表論文提出,利用兩束3.5兆赫茲的超聲波束,可以捕獲並操縱直徑270微米的乳膠粒子和青蛙卵簇。在這篇論文的參考文獻中,共列出5篇文獻,其中3篇文獻的作者爲阿什金等人,另外兩篇爲吳君汝團隊在1990年發表的相關論文。在論文中,作者寫道,聲鑷基於這樣一個概念:聚焦超聲波束的輻射壓力可以在物理焦點處產生穩定的力勢。這是一篇聲鑷領域的開創性研究,自此之後,聲鑷的研究如火如荼地發展起來。

  通過幾十年的發展,利用聲波與固體、液體及氣體的相互作用,使得聲鑷的能力從簡單的粒子捕獲擴展到細胞、生物體在三維空間中的精確旋轉和移動。

  當研究人員對聲鑷的生物相容性進行研究的時候,發現聲鑷能夠避免對細胞和小的動物模型產生損傷。比如,將紅細胞置於聲鑷儀器中30分鐘以上,細胞活力並沒有變化。將斑馬魚胚胎同樣放在聲鑷儀器中,也未表現出發育障礙或者死亡率的變化。

  研究人員認爲,聲鑷的多功能性和生物相容性應該能夠解決生物學和生物醫學領域的當前挑戰,例如分離和檢測用於癌症診斷的生物標記物。

  隔空操縱微小物體

  最近,英國與西班牙的科學家在美國《國家科學院學報》(PNAS)上發文指出,他們已經成功研發出能夠操縱微小物體的超聲波懸浮裝置,這一裝置可以同時將多個物體向不同方向移動。這一裝置包含彼此相對的兩面揚聲器陣列,每一面陣列由256個直徑僅1釐米的揚聲器組成,每一面陣列都與一臺計算機相連,每個揚聲器都可以被獨立控制,它們發出4萬赫茲頻率的聲波,可以形成錯綜複雜的聲場。

  通過控制這一個個揚聲器,置於聲場中的微小物體能夠完成多項任務。在試驗中,研究人員控制直徑1毫米到3毫米的聚苯乙烯球,完成“跳舞”,甚至可以“穿針引線”等高難度任務。

  在研究人員的演示中,小球可以在控制下單獨移動,並可以作爲一個整體“舞蹈”,像女團表演一樣變換着隊形。研究人員還可以將其它物體掛在小球上進行移動,比如,一根連接着兩對小球的線在控制下精準地穿過圓洞,讓它們完成穿針引線的工作肯定不在話下。

  “光鑷是一種奇妙的技術,但總是有點危險,幾乎要殺死被移動的細胞,利用聲音我們可以產生相似的力量,但是能量更低。”研究者之一,英國布里斯托大學教授Bruce Drinkwater說。“有太多需要進行細胞操控的地方了,聲學系統對它們來說是完美的。”

  由於超聲波可以在人體組織中傳播,因此,研究人員認爲,未來聲鑷將有能力將藥物輸送到指定器官,清除腎結石或者將可植入的醫療器械引導到身體中。

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