你沒(méi)看錯(cuò)，這也不是魔術(shù)。這是南開(kāi)學(xué)院物理大學(xué)的張新星課題組采用聲鑷技術(shù)搭建的聲漂浮（,AL）裝置。如同視頻中那樣，這些聲漂浮裝置能禁錮加濕器形成的霧氣并匯聚成漂浮水滴，大小不一的串珠（圖1左）以及張牙舞爪的小蚊子（圖1右），也都可以“漂”在空中。無(wú)需高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、真空細(xì)胞膜教具圖，漂浮樣品隨便取放，便攜、操作簡(jiǎn)單且安全，甚至可以在家庭和中中學(xué)作為科普教具使用。
圖1.聲鑷裝置漂浮串珠（左）和活蟲(chóng)（右）。圖片來(lái)源：南開(kāi)學(xué)院張新星課題組
這些聲鑷裝置的“秘密”，就在上下兩個(gè)碗狀的超聲波換能器陣列中（圖2A、B）。超聲波換能器，即超聲波發(fā)生器，網(wǎng)上一搜一大堆，最常見(jiàn)的應(yīng)用是堪稱(chēng)“狗見(jiàn)愁”的驅(qū)狗器，怕狗人士的必備。這些聲鑷裝置使用的是普通市售的超聲波換能器，發(fā)出40kHz頻度的超聲波，重點(diǎn)在于每位換能器的相對(duì)位置都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的物理模擬所確定，經(jīng)過(guò)編程所有換能器發(fā)出完全一樣的聲波，以確保聲波通過(guò)干涉在軸向產(chǎn)生單軸串?dāng)_（圖2C）。
圖2.聲鑷裝置實(shí)物和原理圖。圖片來(lái)源：Angew.Chem.Int.Ed.
其實(shí)，設(shè)計(jì)這些聲鑷裝置并不是為了好玩，張新星課題組希望用它來(lái)操控物體，進(jìn)行更多此前無(wú)法進(jìn)行的研究。提及聲鑷，恐怕不少讀者會(huì)想到知名的光鑷。2018年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)的一半頒給了光鑷技術(shù)的發(fā)明者阿瑟?阿什金。光鑷技術(shù)運(yùn)用“激光之力”操控物體，如真菌、細(xì)胞甚至是DNA等細(xì)胞膜教具圖，早已在生物學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。但正如加拿大渥太華學(xué)院院長(zhǎng)Bruce所說(shuō)，“光鑷是一種美好的技術(shù)，但總是有點(diǎn)危險(xiǎn)，幾乎要?dú)⒑Ρ宦?lián)通的細(xì)胞。”相比之下，達(dá)到相同的操縱療效，聲音對(duì)生物體系的損害要小得多，幾可忽視不計(jì)，聲鑷技術(shù)將更有希望應(yīng)用于生物和醫(yī)藥領(lǐng)域。據(jù)悉，與另一種知名的漂浮技術(shù)——磁懸浮相比，聲漂浮對(duì)被漂浮物體的材質(zhì)或磁性并不挑剔。
基于此，張新星課題組日前聯(lián)合加洲理工大學(xué)院士課題組使用自行開(kāi)發(fā)的聲鑷-場(chǎng)致液滴電離質(zhì)譜（AL-FIDI-MS）技術(shù)，以全新的視角研究了光動(dòng)力療法在分子層面的反應(yīng)機(jī)理。相關(guān)研究成果發(fā)表在Angew.Chem.Int.Ed.上，第一作者、第二作者分別為南開(kāi)學(xué)院物理大學(xué)博士研究生慕超男和碩士研究生汪杰。
疾病的光動(dòng)力療法在臨床上早已得到了廣泛的應(yīng)用，雖然人們對(duì)其基本作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)相對(duì)成熟，但對(duì)其作用的分子機(jī)制似乎了解很少，例如光敏劑形成的單線態(tài)氧和底物分子（例如不飽和磷脂）之間的反應(yīng)在分子水平上的細(xì)節(jié)和結(jié)果至今仍并不清楚。該研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，結(jié)合聲鑷和場(chǎng)致液滴電離質(zhì)譜技術(shù)來(lái)研究光動(dòng)力療法中脂氧化的分子機(jī)理。其中，聲鑷裝置促使液滴漂浮，成為“無(wú)容器”的反應(yīng)器，以完全排除容器壁接觸帶來(lái)的干擾。
圖3.AL-FIDI-MS實(shí)驗(yàn)裝置圖。圖片來(lái)源：Angew.Chem.Int.Ed.
如圖3所示，F(xiàn)IDI-MS的兩個(gè)電極與聲鑷裝置聯(lián)用，其中一電極為高壓脈沖電極，另一電極為接地質(zhì)譜儀入口。在觸發(fā)瞬時(shí)脈沖電流以后，被漂浮在兩個(gè)電極間的液滴會(huì)被拉扯成紡錘狀，產(chǎn)生單向“泰勒錐（cone）”，步入質(zhì)譜被測(cè)量（圖3C）。因?yàn)樘├斟F釋放的微小液滴是由面膜滴表面拉扯下來(lái)，因而該技術(shù)具有高達(dá)1到10萬(wàn)倍的氣液界面選擇性。值得一提的是，圖3C的單向泰勒錐由華為手機(jī)Mate10Pro的慢速攝影模式拍得。（吼吼……華為市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)，假如見(jiàn)到本文請(qǐng)主動(dòng)聯(lián)系X-MOL交一下廣告費(fèi)……
）
具體實(shí)驗(yàn)中，該研究團(tuán)隊(duì)以最常見(jiàn)的作為光敏劑，研究了18:1心磷脂（CL）和POPG磷脂的巰基化反應(yīng)。在氣液界面處，親脂性的傾向于集聚在疏水相，650nm波長(zhǎng)的綠光（就是我們平時(shí)生活中所用的綠色激光筆）照射下（圖3B），光敏劑所形成的單線態(tài)氧功擊18:1心磷脂或POPG的疏水端油基鏈上的官能團(tuán)。質(zhì)譜測(cè)量到帶有四個(gè)不飽和鏈的18:1心磷脂的氧化產(chǎn)物CL(OOH)1-42-和POPG的氧化產(chǎn)物POPG(OOH)-。通過(guò)測(cè)量CL和POPG的氧化產(chǎn)物碰撞解離碎片發(fā)覺(jué)，CL和POPG的每條不飽和脂肪酸鏈分別只被氧化一次（圖4）。
圖4.CL和POPG氧化產(chǎn)物的質(zhì)譜學(xué)剖析。圖片來(lái)源：Angew.Chem.Int.Ed.
單線態(tài)氧功擊和氧化碳長(zhǎng)鏈中不飽和官能團(tuán)生成二溴化物的機(jī)理已被你們熟知（圖5A），那為何單線態(tài)氧沒(méi)有繼續(xù)氧化帶有-OOH官能團(tuán)的不飽和碳鏈，也就是說(shuō)，為何每條鏈只被氧化一次呢？作者們給出了挺好的解釋?zhuān)貉趸磻?yīng)發(fā)生在疏水區(qū)域，而發(fā)生氧化后，碳長(zhǎng)鏈上帶有的溴化胺基官能團(tuán)（OOH）將會(huì)明顯降低碳鏈的親水性，強(qiáng)行將其“拽離”氧化的“主戰(zhàn)場(chǎng)”（疏水區(qū)域），將其“拖至”水相部份，與水份子產(chǎn)生構(gòu)象，進(jìn)而造成其防止進(jìn)一步被氧化（圖5B）。而這一行為將會(huì)攪亂磷脂排列，最終造成細(xì)胞膜的漏水甚至細(xì)胞的死亡。這一解釋在其他研究者們的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果中也有提出，而該研究團(tuán)隊(duì)則首次直接運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段在分子層面上直接進(jìn)行了證明，意義重大。
圖5.界面磷脂二溴化的分子機(jī)理。圖片來(lái)源：Angew.Chem.Int.Ed.
綜上所述，張新星課題組與院長(zhǎng)課題組結(jié)合聲鑷和場(chǎng)致液滴電離質(zhì)譜技術(shù)，以全新的視角研究了光動(dòng)力療法在分子層面的反應(yīng)機(jī)理。她們發(fā)覺(jué)，光敏劑形成的單線態(tài)氧和帶有多條不飽和鏈的磷脂底物分子反應(yīng)，只會(huì)將每條不飽和脂肪酸鏈分別只氧化一次，且形成的帶有-OOH官能團(tuán)的不飽和碳鏈不會(huì)被繼續(xù)氧化。這是因?yàn)?OOH造成鏈的親水性明顯降低，被“拖至”水相，降低膜滲透性并最終引起癌細(xì)胞死亡。聲鑷技術(shù)在本項(xiàng)工作中發(fā)揮了明顯的作用，也有潛力應(yīng)用于更多研究領(lǐng)域。
原文（掃描或長(zhǎng)按二維碼，辨識(shí)后直達(dá)原文頁(yè)面）：
MassStudyof-LevelofforLipid
Mu,JieWang,KevinM.,Zhang,J.L.
Angew.Chem.Int.Ed.,2019,DOI:10.1002/anie.
導(dǎo)師簡(jiǎn)介
張新星，南開(kāi)學(xué)院物理大學(xué)博士生導(dǎo)師，青年萬(wàn)人計(jì)劃入圍者，主要研究方向?yàn)榻缑嫖锢碓谏锘瘜W(xué)物理、大氣物理中的應(yīng)用，以及分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和分子動(dòng)態(tài)學(xué)。迄今為止已發(fā)表研究論文50篇，其中第一或通信作者論文35篇。第一或通信作者論文中包括Nat..、PNAS、JACS、Angew.Chem.、JPCL等知名雜志。
本文版權(quán)屬于X-MOL（），未經(jīng)許可謝絕轉(zhuǎn)載！歡迎讀者同學(xué)們分享到同學(xué)圈or微博！