导读

在生物医学、疾病诊断以及环境监测等研究领域，纳米尺度下的生物颗粒在多种生理与病理过程中发挥着重要作用，因此单颗粒层面的精准表征技术对于研究这些生物颗粒具有关键意义。然而，在不引入荧光标记、不破坏颗粒天然状态的前提下，实现对单个纳米颗粒的快速捕获与综合光学表征，仍然是该领域面临的重要技术挑战。针对这一问题，美国范德堡大学的Justus C. Ndukaife团队提出了一种新型干涉电流体镊（Interferometric Electrohydrodynamic Tweezers, IET）平台，实现了对单个纳米颗粒在溶液中的快速俘获、无标记干涉成像以及拉曼分子指纹分析等过程的高度集成。该平台能够在数秒内并行俘获大量纳米颗粒，并同步获取其尺寸、形貌与化学组成信息，显著突破了传统光镊技术和拉曼光谱技术在通量、速度与稳定性方面的限制。相关研究成果以“Rapid Trapping and Label-free Optical Characterization of Single Nanoscale Extracellular Vesicles and Nanoparticles in Solution”，为题发表于《Light: Science & Applications》，范德堡大学的Ikjun Hong为论文第一作者，Justus C. Ndukaife为通讯作者。

研究背景

纳米尺度生物颗粒在多种生理与病理过程中发挥着重要作用。以细胞外囊泡（extracellular vesicles）为代表的纳米颗粒携带着蛋白质、脂质和核酸等多种生物分子，是细胞间信息传递、疾病诊断和药物递送的重要载体。然而，这类颗粒通常呈现高度异质性，其尺寸和分子组成在不同来源、不同功能状态下存在显著差异，这使得单颗粒层面的精确表征与分析技术尤为必要。

针对这一问题，现有的单颗粒操控与表征技术仍存在明显不足。一方面，抗布朗电动捕获（anti-Brownian electrokinetic trapping）、等离激元纳米镊（plasmonic nanotweezers）和光热电镊（optothermoelectric tweezer）等方法虽可实现纳米颗粒的捕获，但往往存在通量低、捕获时间长或系统复杂等问题；另一方面，干涉散射成像（interferometric scattering）等无标记成像手段虽然能够实现高时间分辨率观测，但通常会使颗粒不可逆地吸附在基底表面，限制了对颗粒样品的重复使用以及对颗粒真实动力学的研究。此外，激光捕获拉曼光谱（laser trapping Raman spectroscopy）技术虽可提供化学成分信息，但其加载和测量过程往往需要数分钟，也难以满足高效率单颗粒分析需求。

因此，亟需一种能够在溶液环境中实现快速、可逆、并行捕获，同时兼具无标记成像与分子组成分析能力的集成化平台，以推动纳米生物颗粒异质性研究和实际应用的发展。

研究亮点

针对上述挑战，研究团队创新性地提出并实现了干涉电流体镊平台。该系统基于微结构金膜阵列与交流电场驱动的电流体动力学效应，在芯片表面形成大量稳定的流体停滞区，从而在数秒内将溶液中的纳米颗粒快速输运并捕获至指定位置。与传统光学镊不同，IET依赖电流体驱动而非强光梯度力，使其在低光功率条件下即可实现对纳米颗粒的高效并行捕获（如图1所示）。

图1：干涉电流体镊（IET）系统的工作原理。(a) IET 系统的示意图，该系统能够实现多颗粒的快速并行捕获以及无标记干涉成像。(b) IET 系统工作原理及实验装置示意图。纳米颗粒在平面内交流电渗（AC electro-osmotic，ACEO）流的作用下被快速输运，并捕获于最近的流体停滞区。作用在颗粒上的力包括：交流电渗力FACEO，由ACEO流产生的阻力，以及颗粒—表面相互作用力Fs。所涉及的光学信号包括：来自颗粒的散射电场Escat，来自颗粒的拉曼信号ERaman，以及透过薄金膜后的透射光Etrans。图中光学元件分别为：二向色镜（DM），带通滤波器（BPF），长通滤波器（LPF）。

在表征手段上，该平台将透射式干涉散射成像与拉曼光谱检测有机结合。通过分析透射光与颗粒前向散射光的干涉信号，研究人员实现了对单颗粒的无标记成像，并建立了干涉对比度与颗粒尺寸之间的准线性关系。同时，通过在选定的捕获位点引入拉曼激发光，系统可在不干扰其他捕获颗粒的情况下，获取单颗粒的拉曼指纹信息，从而实现对其化学组成的精准识别。

如图2，3所示，实验结果表明，该平台不仅能够区分不同尺寸的聚苯乙烯纳米颗粒，还成功实现了对细胞外囊泡和外泌超小体（supermeres）的无标记捕获与表征。通过结合布朗运动分析与干涉对比度标定，研究人员对囊泡尺寸进行了独立验证；而拉曼光谱结果则清晰揭示了不同囊泡在蛋白质、脂质和核酸成分上的差异，充分体现了IET平台在单颗粒多维信息获取方面的独特优势。

图2：利用IET实现介电纳米颗粒的快速并行捕获与无标记成像。逐帧图像展示了 300 nm 聚苯乙烯微球在数秒内被并行捕获并同时进行无标记成像的过程。IET 所获得的无标记干涉成像结果与荧光成像结果具有良好的一致性。

图3：细胞外囊泡及外泌超小体的无标记成像与尺寸估算。(a) 逐帧图像展示了细胞外囊泡在捕获模式与扩散模式下的捕获与释放过程。(b) 沿图中黑色虚线方向的亮度强度分布图，显示了被捕获细胞外囊泡与外泌超小体的相对强度差异。(c–e) 基于布朗运动动力学的均方位移计算结果，红线表示线性回归拟合。(f) 有效对比度的三次方根与细胞外囊泡及外泌超小体的颗粒尺寸呈现准线性关系。(g, h) 经基线校正后，被捕获的1号和2号细胞外囊泡的拉曼响应表现出明显不同的拉曼峰特征。

总结与展望

这项研究提出的干涉电流体镊技术平台，实现了纳米颗粒在溶液环境中的快速并行捕获，并在单一系统内集成了无标记干涉成像与拉曼分子分析功能，显著提升了单颗粒表征的效率和信息维度。该方法避免了荧光标记和表面固定带来的潜在伪影，为真实反映纳米生物颗粒的物理与化学特性提供了可靠手段。

从应用前景来看，该技术有望在细胞外囊泡异质性研究、纳米药物递送体系评估、纳米塑料检测以及环境颗粒分析等多个方向发挥重要作用。未来工作可进一步提升系统灵敏度以拓展至更小尺寸颗粒的检测，同时结合微流控分选和智能算法，实现高通量、自动化的单颗粒分析平台，为纳米尺度医学研究提供强有力的技术支撑。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息 ：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02201-z