你沒看錯，這也不是魔術。這是南開學院物理大學的張新星課題組采用聲鑷技術搭建的聲漂?。?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。無需高壓、強磁場、真空細胞膜教具圖，漂浮樣品隨便取放，便攜、操作簡單且安全，甚至可以在家庭和中中學作為科普教具使用。
圖1.聲鑷裝置漂浮串珠（左）和活蟲（右）。圖片來源：南開學院張新星課題組
這些聲鑷裝置的“秘密”，就在上下兩個碗狀的超聲波換能器陣列中（圖2A、B）。超聲波換能器，即超聲波發生器，網上一搜一大堆，最常見的應用是堪稱“狗見愁”的驅狗器，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，發出40kHz頻度的超聲波，重點在于每位換能器的相對位置都經過嚴格的物理模擬所確定，經過編程所有換能器發出完全一樣的聲波，以確保聲波通過干涉在軸向產生單軸串擾（圖2C）。
圖2.聲鑷裝置實物和原理圖。圖片來源：Angew.Chem.Int.Ed.
其實，設計這些聲鑷裝置并不是為了好玩，張新星課題組希望用它來操控物體，進行更多此前無法進行的研究。提及聲鑷，恐怕不少讀者會想到知名的光鑷。2018年的諾貝爾化學學獎的一半頒給了光鑷技術的發明者阿瑟?阿什金。光鑷技術運用“激光之力”操控物體，如真菌、細胞甚至是DNA等細胞膜教具圖，早已在生物學領域實現了廣泛的應用。但正如加拿大渥太華學院院長Bruce所說，“光鑷是一種美好的技術，但總是有點危險，幾乎要殺害被聯通的細胞。”相比之下，達到相同的操縱療效，聲音對生物體系的損害要小得多，幾可忽視不計，聲鑷技術將更有希望應用于生物和醫藥領域。據悉，與另一種知名的漂浮技術——磁懸浮相比，聲漂浮對被漂浮物體的材質或磁性并不挑剔。
基于此，張新星課題組日前聯合加洲理工大學院士課題組使用自行開發的聲鑷-場致液滴電離質譜（AL-FIDI-MS）技術，以全新的視角研究了光動力療法在分子層面的反應機理。相關研究成果發表在Angew.Chem.Int.Ed.上，第一作者、第二作者分別為南開學院物理大學博士研究生慕超男和碩士研究生汪杰。
疾病的光動力療法在臨床上早已得到了廣泛的應用，雖然人們對其基本作用機理的認識相對成熟，但對其作用的分子機制似乎了解很少，例如光敏劑形成的單線態氧和底物分子（例如不飽和磷脂）之間的反應在分子水平上的細節和結果至今仍并不清楚。該研究團隊另辟蹊徑，結合聲鑷和場致液滴電離質譜技術來研究光動力療法中脂氧化的分子機理。其中，聲鑷裝置促使液滴漂浮，成為“無容器”的反應器，以完全排除容器壁接觸帶來的干擾。
圖3.AL-FIDI-MS實驗裝置圖。圖片來源：Angew.Chem.Int.Ed.
如圖3所示，FIDI-MS的兩個電極與聲鑷裝置聯用，其中一電極為高壓脈沖電極，另一電極為接地質譜儀入口。在觸發瞬時脈沖電流以后，被漂浮在兩個電極間的液滴會被拉扯成紡錘狀，產生單向“泰勒錐（cone）”，步入質譜被測量（圖3C）。因為泰勒錐釋放的微小液滴是由面膜滴表面拉扯下來，因而該技術具有高達1到10萬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Mate10Pro的慢速攝影模式拍得。（吼吼……華為市場團隊，假如見到本文請主動聯系X-MOL交一下廣告費……
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具體實驗中，該研究團隊以最常見的作為光敏劑，研究了18:1心磷脂（CL）和POPG磷脂的巰基化反應。在氣液界面處，親脂性的傾向于集聚在疏水相，650nm波長的綠光（就是我們平時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氧功擊18:1心磷脂或POPG的疏水端油基鏈上的官能團。質譜測量到帶有四個不飽和鏈的18:1心磷脂的氧化產物CL(OOH)1-42-和POPG的氧化產物POPG(OOH)-。通過測量CL和POPG的氧化產物碰撞解離碎片發覺，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氧化產物的質譜學剖析。圖片來源：Angew.Chem.Int.Ed.
單線態氧功擊和氧化碳長鏈中不飽和官能團生成二溴化物的機理已被你們熟知（圖5A），那為何單線態氧沒有繼續氧化帶有-OOH官能團的不飽和碳鏈，也就是說，為何每條鏈只被氧化一次呢？作者們給出了挺好的解釋：氧化反應發生在疏水區域，而發生氧化后，碳長鏈上帶有的溴化胺基官能團（OOH）將會明顯降低碳鏈的親水性，強行將其“拽離”氧化的“主戰場”（疏水區域），將其“拖至”水相部份，與水份子產生構象，進而造成其防止進一步被氧化（圖5B）。而這一行為將會攪亂磷脂排列，最終造成細胞膜的漏水甚至細胞的死亡。這一解釋在其他研究者們的分子動力學模擬計算結果中也有提出，而該研究團隊則首次直接運用實驗手段在分子層面上直接進行了證明，意義重大。
圖5.界面磷脂二溴化的分子機理。圖片來源：Angew.Chem.Int.Ed.
綜上所述，張新星課題組與院長課題組結合聲鑷和場致液滴電離質譜技術，以全新的視角研究了光動力療法在分子層面的反應機理。她們發覺，光敏劑形成的單線態氧和帶有多條不飽和鏈的磷脂底物分子反應，只會將每條不飽和脂肪酸鏈分別只氧化一次，且形成的帶有-OOH官能團的不飽和碳鏈不會被繼續氧化。這是因為-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胞死亡。聲鑷技術在本項工作中發揮了明顯的作用，也有潛力應用于更多研究領域。
原文（掃描或長按二維碼，辨識后直達原文頁面）：
MassStudyof-LevelofforLipid
Mu,JieWang,KevinM.,Zhang,J.L.
Angew.Chem.Int.Ed.,2019,DOI:10.1002/anie.
導師簡介
張新星，南開學院物理大學博士生導師，青年萬人計劃入圍者，主要研究方向為界面物理在生物化學物理、大氣物理中的應用，以及分子反應動力學和分子動態學。迄今為止已發表研究論文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。
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