你没看错，这也不是魔术。这是南开学院物理大学的张新星课题组采用声镊技术搭建的声漂浮（,AL）装置。如同视频中那样，这些声漂浮装置能禁锢加湿器形成的雾气并汇聚成漂浮水滴，大小不一的串珠（图1左）以及张牙舞爪的小蚊子（图1右），也都可以“漂”在空中。无需高压、强磁场、真空细胞膜教具图，漂浮样品随便取放，便携、操作简单且安全，甚至可以在家庭和中中学作为科普教具使用。
图1.声镊装置漂浮串珠（左）和活虫（右）。图片来源：南开学院张新星课题组
这些声镊装置的“秘密”，就在上下两个碗状的超声波换能器阵列中（图2A、B）。超声波换能器，即超声波发生器，网上一搜一大堆，最常见的应用是堪称“狗见愁”的驱狗器，怕狗人士的必备。这些声镊装置使用的是普通市售的超声波换能器，发出40kHz频度的超声波，重点在于每位换能器的相对位置都经过严格的物理模拟所确定，经过编程所有换能器发出完全一样的声波，以确保声波通过干涉在轴向产生单轴串扰（图2C）。
图2.声镊装置实物和原理图。图片来源：Angew.Chem.Int.Ed.
其实，设计这些声镊装置并不是为了好玩，张新星课题组希望用它来操控物体，进行更多此前无法进行的研究。提及声镊，恐怕不少读者会想到知名的光镊。2018年的诺贝尔化学学奖的一半颁给了光镊技术的发明者阿瑟•阿什金。光镊技术运用“激光之力”操控物体，如真菌、细胞甚至是DNA等细胞膜教具图，早已在生物学领域实现了广泛的应用。但正如加拿大渥太华学院院长Bruce所说，“光镊是一种美好的技术，但总是有点危险，几乎要杀害被联通的细胞。”相比之下，达到相同的操纵疗效，声音对生物体系的损害要小得多，几可忽视不计，声镊技术将更有希望应用于生物和医药领域。据悉，与另一种知名的漂浮技术——磁悬浮相比，声漂浮对被漂浮物体的材质或磁性并不挑剔。
基于此，张新星课题组日前联合加洲理工大学院士课题组使用自行开发的声镊-场致液滴电离质谱（AL-FIDI-MS）技术，以全新的视角研究了光动力疗法在分子层面的反应机理。相关研究成果发表在Angew.Chem.Int.Ed.上，第一作者、第二作者分别为南开学院物理大学博士研究生慕超男和硕士研究生汪杰。
疾病的光动力疗法在临床上早已得到了广泛的应用，虽然人们对其基本作用机理的认识相对成熟，但对其作用的分子机制似乎了解很少，例如光敏剂形成的单线态氧和底物分子（例如不饱和磷脂）之间的反应在分子水平上的细节和结果至今仍并不清楚。该研究团队另辟蹊径，结合声镊和场致液滴电离质谱技术来研究光动力疗法中脂氧化的分子机理。其中，声镊装置促使液滴漂浮，成为“无容器”的反应器，以完全排除容器壁接触带来的干扰。
图3.AL-FIDI-MS实验装置图。图片来源：Angew.Chem.Int.Ed.
如图3所示，FIDI-MS的两个电极与声镊装置联用，其中一电极为高压脉冲电极，另一电极为接地质谱仪入口。在触发瞬时脉冲电流以后，被漂浮在两个电极间的液滴会被拉扯成纺锤状，产生单向“泰勒锥（cone）”，步入质谱被测量（图3C）。因为泰勒锥释放的微小液滴是由面膜滴表面拉扯下来，因而该技术具有高达1到10万倍的气液界面选择性。值得一提的是，图3C的单向泰勒锥由华为手机Mate10Pro的慢速摄影模式拍得。（吼吼……华为市场团队，假如见到本文请主动联系X-MOL交一下广告费……
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具体实验中，该研究团队以最常见的作为光敏剂，研究了18:1心磷脂（CL）和POPG磷脂的巯基化反应。在气液界面处，亲脂性的倾向于集聚在疏水相，650nm波长的绿光（就是我们平时生活中所用的绿色激光笔）照射下（图3B），光敏剂所形成的单线态氧功击18:1心磷脂或POPG的疏水端油基链上的官能团。质谱测量到带有四个不饱和链的18:1心磷脂的氧化产物CL(OOH)1-42-和POPG的氧化产物POPG(OOH)-。通过测量CL和POPG的氧化产物碰撞解离碎片发觉，CL和POPG的每条不饱和脂肪酸链分别只被氧化一次（图4）。
图4.CL和POPG氧化产物的质谱学剖析。图片来源：Angew.Chem.Int.Ed.
单线态氧功击和氧化碳长链中不饱和官能团生成二溴化物的机理已被你们熟知（图5A），那为何单线态氧没有继续氧化带有-OOH官能团的不饱和碳链，也就是说，为何每条链只被氧化一次呢？作者们给出了挺好的解释：氧化反应发生在疏水区域，而发生氧化后，碳长链上带有的溴化胺基官能团（OOH）将会明显降低碳链的亲水性，强行将其“拽离”氧化的“主战场”（疏水区域），将其“拖至”水相部份，与水份子产生构象，进而造成其防止进一步被氧化（图5B）。而这一行为将会搅乱磷脂排列，最终造成细胞膜的漏水甚至细胞的死亡。这一解释在其他研究者们的分子动力学模拟计算结果中也有提出，而该研究团队则首次直接运用实验手段在分子层面上直接进行了证明，意义重大。
图5.界面磷脂二溴化的分子机理。图片来源：Angew.Chem.Int.Ed.
综上所述，张新星课题组与院长课题组结合声镊和场致液滴电离质谱技术，以全新的视角研究了光动力疗法在分子层面的反应机理。她们发觉，光敏剂形成的单线态氧和带有多条不饱和链的磷脂底物分子反应，只会将每条不饱和脂肪酸链分别只氧化一次，且形成的带有-OOH官能团的不饱和碳链不会被继续氧化。这是因为-OOH造成链的亲水性明显降低，被“拖至”水相，降低膜渗透性并最终引起癌细胞死亡。声镊技术在本项工作中发挥了明显的作用，也有潜力应用于更多研究领域。
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MassStudyof-LevelofforLipid
Mu,JieWang,KevinM.,Zhang,J.L.
Angew.Chem.Int.Ed.,2019,DOI:10.1002/anie.
导师简介
张新星，南开学院物理大学博士生导师，青年万人计划入围者，主要研究方向为界面物理在生物化学物理、大气物理中的应用，以及分子反应动力学和分子动态学。迄今为止已发表研究论文50篇，其中第一或通信作者论文35篇。第一或通信作者论文中包括Nat..、PNAS、JACS、Angew.Chem.、JPCL等知名杂志。
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