可调控的电控镊子

过去几十年，光镊、磁镊等单微观物体操控技术在原子、分子、细胞定位控制方面取得成功，推动了从量子模拟到生物动力学等基础物理现象的研究。单物体操控（如捕获、旋转）基于物体与环境电磁场的相互作用，因此电磁场的高自由度控制是实现按需功能单物体操控的核心。现有磁镊、光镊等技术受控制维度限制，灵活性不足；而通过控制电极电势可精确操控局域电场，为电动单物体操控奠定基础，但现有系统在电场强度和空间分辨率上存在局限，尤其对跨尺度（微米到纳米）目标的按需功能操控仍具挑战。

本文提出基于多独立微电极可编程电场控制的“可编程单物体操控”概念，可实现高精度、高灵活性的局域电磁场模式生成，满足多尺度单物体（至纳米级）的按需操控需求。类比计算中的位控制，“电极位”指独立寻址电极，电极施加的电压对应位编码信息。

基于此概念，研究团队开发了可编程电动镊子（PET）。PET由四个独立控制的微电极构成，通过时空编程局域电场模式，利用多种电动机制实现精确操控。这种时空编程能力使PET能选择性操控微米或纳米级的多尺度单物体，实现捕获、定位、旋转及基于这些功能的原位测量。同一PET装置可按需实现多种功能，推动单固定功能操控向多按需功能操控转变。研究还展示了叠加捕获与旋转功能，观测到完整DNA超螺旋的自发松弛过程，揭示了单分子水平的复杂DNA力学特性。

PET的核心优势在于多电极架构结合带来的三大特性：一是电极集成在毛细管探针上，为复杂环境中特定物体的空间选择性操控（如溶液中细菌的原位旋转）提供器件基础，有望用于细胞内操控；二是电极间隙可调，实现从单细菌（>1μm）到纳米颗粒再到单蛋白（<10nm）的多尺度物体操控，克服传统捕获技术的尺度限制；三是各电极独立施加电信号，实现时空可编程操控，支持连续多步功能切换操控，为瞬态生物过程提供独特观测窗口。

在验证实验中，PET成功捕获并释放1μm聚苯乙烯珠，展示出高重复性和稳定性；通过调节电压和频率可调整捕获刚度，实现纳米级精度的目标移动。将电极间隙缩小至纳米级，可捕获单蛋白、核酸和100nm纳米颗粒，突破“尺度锁定”限制。PET还实现了单细菌的电旋转，通过分析旋转速度与电压、频率的关系，获取了细菌的细胞质和外膜电导率等物理特性，可用于细菌种类的原位区分。

利用PET的多步操控功能，研究团队编程了“捕获-捕获加旋转-再捕获”序列来研究DNA超螺旋松弛。通过观察连接在玻璃表面的13kbp扭转受限双链DNA的磁珠运动，发现DNA超螺旋松弛过程中存在明显停顿，暗示完整DNA超螺旋自发松弛存在能垒。这一观察补充了低力下DNA超螺旋松弛的能量 landscape 细节，展示了PET在单分子水平研究瞬态、多步生物物理动力学的优势。