在溶液中对单个纳米级细胞外囊泡和纳米颗粒进行快速俘获和无标记光学表征

看见最微小的信使

我们的身体和环境中充满了用常规显微镜看不见的微小颗粒。其中一些，例如细胞释放的纳米级囊泡，携带着关于健康和疾病的重要信息。另一些则包括水和空气中的塑料碎片或工程化纳米颗粒。本文介绍了一种基于芯片的新工具，能够在数秒内在液体中捕获单个纳米颗粒，并在无需任何染料的情况下读取它们的尺寸和化学成分，为更快的医学检测和更清洁的环境监测打开了大门。

微小颗粒为何重要

细胞持续释放称为细胞外囊泡的纳米级包裹体及其它相关纳米颗粒。这些柔软、类似气泡的小囊可以携带蛋白质、脂类和遗传物质，揭示产生它们的细胞状态，并被探索作为药物递送的载体。与此同时，社会也在应对人为产生的纳米颗粒问题，从空气污染到海洋中的纳米塑料。要判断哪些颗粒是有益、 有害或只是彼此不同，科学家需要能够在溶液中观察单个颗粒、确定其尺寸、成分，以及样品的多样性。现有工具可以完成部分工作，但通常速度慢、一次只能处理一个颗粒，或需要将颗粒粘附到表面并用荧光标记，这可能改变它们的自然状态。

捕捉并悬浮纳米颗粒的新方法

作者提出了一种称为干涉电流体力学镊（IET）的平台，将电场、流体运动和先进的光散射技术集成到单个微加工芯片上。该芯片由非常薄的金膜组成，金膜上有规则排列的微小孔阵列，并通过一条狭窄的流道与透明电极隔开。当施加温和的交流电压时，会在金表面沿着表面产生漩涡流，将周围液体中的纳米颗粒吸引到孔之间的特定“停滞区”，这些区域的流速几乎变为零。在这些位置，流体阻力与颗粒与表面之间的电力之间达到平衡，使单个纳米颗粒在靠近金膜处被约束而不会被永久粘住。数千个此类俘获位点并行工作，即使在浓度很低时，也能在数秒内捕获许多颗粒。

用光读取尺寸与形状

一旦颗粒被捕获，IET芯片使用精心调谐的绿色激光从上方穿透薄金膜照射。光通过时，一小部分被每个颗粒散射，其余部分则继续穿过金膜。相机记录这两部分之间的干涉，产生明暗交替的图样，其对比度强烈依赖于颗粒的尺寸，并在一定程度上受形状影响。因为系统收集的是前向散射光，而前向散射光随颗粒尺寸在较宽范围内近似线性增长，所以对比信号为纳米颗粒定尺提供了实用的标度。团队使用已知尺寸的塑料微球对该关系进行了校准，甚至能从图像中不同的图样分辨出球形与拉长颗粒的差异。如果颗粒尺寸未知，可以短暂关闭电场，让颗粒自由扩散；通过追踪其随机的布朗运动，研究人员可独立估算其尺寸，然后将其与俘获期间测得的对比信号相关联。

无标记的化学成分指纹识别

除了尺寸之外，该平台还通过加入第二束聚焦到任意选定俘获位点的近红外激光来探测化学成分。这束光激发被俘颗粒分子中微弱的振动信号，这一现象称为拉曼散射。每种蛋白质、脂类和其它分子的组合都会在散射光中产生特征性的峰值图谱，类似于光谱指纹。在对塑料微球的测试中，系统快速恢复出苯乙烯（聚苯乙烯）的预期拉曼特征。更重要的是，当研究者从生物样本中俘获单个细胞外囊泡及被称为supermeres的相关纳米颗粒时，他们能够先测量其尺寸，然后记录显示蛋白质、脂质和核酸特征的拉曼光谱。不同囊泡表现出明显不同的光谱模式，凸显了这些生物信使的天然多样性。

对医学与环境的意义

通过在单一芯片上结合快速俘获、无标记成像和化学指纹识别，IET平台为研究自由漂浮于溶液中的纳米颗粒提供了一种强大的新方法。它即使在低浓度下也能捕获大量可用颗粒，以多种方式确定其尺寸，并在数秒内揭示其总体分子载荷，而不是数分钟。对于生物医学研究，这有助于区分哪些细胞外囊泡携带特定的遗传或蛋白质信息，或评估装载药物的囊泡制备质量。对于环境科学，类似的测量可以区分不同类型的纳米塑料或污染物。尽管目前系统最适合约50纳米以上的颗粒和低盐液体，作者也概述了提高灵敏度和扩展样品条件的途径。本质上，这项工作将一层微小的图案金属薄膜变成了用于单颗粒纳米颗粒的快速实验室，使对不可见世界的详细分析更接近常规应用。

引用: Hong, I., Hong, C., Anyika, T. et al. Rapid trapping and label-free optical characterization of single nanoscale extracellular vesicles and nanoparticles in solution. Light Sci Appl 15, 180 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02201-z

关键词: 细胞外囊泡, 纳米颗粒分析, 无标记光谱学, Raman镊子, 光流体俘获