可编程电镊子:浙大团队发表Science子刊

过去数十年，光镊、磁镊等单微观目标操控技术已在原子、分子、细胞研究中取得显著成功，推动了量子模拟、生物动力学等领域的基础探索。这些技术的核心是利用电磁场与单目标的相互作用实现操控，但现有方法存在明显局限：光镊和磁镊的控制维度有限，功能灵活性不足；光电镊子虽能实现复杂操控，但电场强度和空间分辨率受限，难以满足从微米到纳米跨尺度的按需功能操控需求。

单目标的按需功能操控需要对电磁场进行高自由度的局部控制，这一核心挑战促使研究者探索新的操控范式。不同于传统技术依赖单一电磁场控制原理，本研究提出通过多电极系统编程电磁场，融合多种电动力学机制，实现功能可编程的单目标操控，突破传统技术的 “尺度锁定” 和功能固定瓶颈。

单目标捕获与精准操控

研究者首先验证了 PET 的捕获功能，在低离子强度溶液中利用保罗阱配置，成功捕获并释放 1μm 聚苯乙烯（PS）微球，该过程可重复多次，证明了 PET 的稳定性和可重复性。通过拟合捕获微球的横向位置分布，计算出捕获刚度，发现其随电压增大而增强，在固定电压下随频率呈非单调变化，表明可通过调节电压和频率优化捕获稳定性。

PET 的空间定位能力同样出色，研究者操控 1μm PS 微球以 0.96μm/s 的速度和 38nm 的精度，成功绘制出 “ZJU” 轨迹，展现了纳米级的移动控制精度。此外，通过缩小电极间隙至纳米级，PET 利用 DEP 原理实现了单牛血清白蛋白（BSA）分子、单核酸和 100nm 纳米颗粒的捕获，微尺度 PET 的捕获产率超过 75%，纳米尺度超过 50%，确立了从单细胞到单分子的跨尺度操控能力。

单目标特性测量

PET 不仅能实现操控，还能基于捕获稳定性进行单目标固有特性测量。在保罗阱配置下，利用马蒂厄方程的解，通过调节直流电压（Udc）和交流电压（Vac）寻找捕获稳定边界，研究者成功测量出 PS 微球的有效电荷质量比，为溶液中的单分子质谱分析提供了可能。

在电旋转功能验证中，研究者通过实时编程电极电压相位，实现了部分固定的大肠杆菌细胞的精准逆时针旋转，角速度达 18Hz，最高转速可达约 5000rpm，估算扭矩量级为 10⁵-10⁶pN・nm。通过研究不同电压和频率下的旋转特性，发现角速度与电压平方呈线性相关，且频率变化可导致旋转方向反转，这一特性符合电旋转原理。利用旋转光谱，研究者还测量出大肠杆菌的细胞质电导率和外膜电导率，与已知值一致；对于革兰氏阳性菌双歧杆菌，由于其细胞壁结构不同，未观察到旋转反转，成功区分了不同细菌的 dielectric 特性，为细菌原位识别提供了新途径。

DNA 超螺旋松弛的多步操控观测

为验证 PET 的多步功能编程能力，研究者将其应用于 DNA 超螺旋松弛过程的观测。DNA 超螺旋在复制和转录中起关键作用，其松弛过程复杂且瞬时，传统技术难以实现多步机械加载和快速功能重构，无法精准模拟这一过程。

研究者设计了 “捕获 - 旋转 + 捕获 - 再捕获” 的多步操控序列：将 1μm 微球连接到固定在盖玻片上的 13kbp 扭转受限双链 DNA，通过 PET 的电场梯度产生约 0.1pN 的拉伸力，叠加电旋转信号诱导 DNA 形成负超螺旋；移除旋转信号后，观测到微球的快速顺时针旋转和 Z 轴位置上升，对应 DNA 超螺旋的自发松弛过程（持续约 80-100 秒）。

实验中首次观测到松弛过程中的明显停顿阶段，表明 DNA 超螺旋自发松弛存在能量壁垒。初始阶段 DNA 弹性势能足以驱动快速松弛，无明显停顿；随着超螺旋松弛，弹性势能降低，需要热力学涨落辅助克服壁垒，导致最终阶段出现停顿。这一观测结果补充了低力下 DNA 超螺旋松弛的能量景观细节，验证了 PET 在研究瞬态、多步生物物理动力学中的独特价值。

PET 的核心优势源于其多比特电极架构的设计：电极与毛细管探针的集成实现了复杂环境中的空间选择性操控，为细胞内操控提供了可能；可调电极间隙突破了传统技术的尺度限制，覆盖从蛋白质到细菌的广泛目标；独立电信号编程支持时空可编程操控，实现多步功能切换。

与传统技术相比，PET 虽在单一参数上未必超越专用设备，但胜在多功能集成能力，可按需切换操控模式，无需更换设备即可完成捕获、旋转、测量等一系列操作。通过增加电极数量，其操控功能可呈指数级扩展，未来有望实现更复杂的按需操控。

该技术已在单分子生物物理研究中展现出强大潜力，除 DNA 超螺旋研究外，还可应用于单分子质谱分析、细菌特性识别、纳米颗粒操控等领域，为物理科学和生命科学中涉及单目标操控的研究提供了全新工具，推动从功能固定操控向功能按需操控的转型。

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