光镊技术以其精密的力操控与测量性能，在生物大分子力与构象动力学研究中大放异彩，如核酸和蛋白质的折叠动力学研究。常规的光镊力谱测量方法主要采用三维平动方式拉伸耦合生物大分子样品的微球，但平动测试无法测量单个生物大分子在生命活动中肩负重要作用的旋转运动，如DNA自身的螺旋结构及其在很多重要生命过程中展现的转动特性。角旋转光镊技术被认为是解决这一难题的有效方法，是光镊技术研究的重要方向。

近日，本实验室提出了一种基于人工化学合成的异质两面神（Janus）微球的光镊可控旋转新方法，为光镊多自由度操控微结构体提供了新的思路。该研究首先发展了光阱环境微结构体受力的最低能量法仿真方法，快速分析出Janus微球在线性偏振光阱中的稳定捕获位置与姿态，确定了此类微球在光学特性上与双折射材料的等效性。随后，在自主开发的光镊系统上，实现PMMA/PS型Janus微球的可控旋转，详细分析了微球在不同旋转角度的位姿、稳定性、响应速度以及自旋过程中旋转中心与微球几何中心的空间关系，多角度展现了该方法灵活的可控性，实时的可视性，以及在已有光镊系统上的易拓展性。结合人工合成Janus微球的多样性和技术的成熟性，该方法有望显著拓宽光镊旋转技术在生物物理领域的应用前景，为在单分子水平精细研究生命结构的多维度力学特性提供了可能。

图1 PMMA与PS组成的Janus微球以及基于最低能量法则仿真的微球稳定捕获位置与姿态

图2 Janus微球的可控旋转

该成果于2020年9月13日以“Angular Trapping of Spherical Janus Particles”为题在线发表在Wiley期刊Small Methods上（影响因子12.13），实验室博士生高晓晴为第一作者，胡春光副教授和加拿大不列颠哥伦比亚大学李宏斌教授为共同通讯作者。天津大学何学浩教授团队和华中科技大学朱锦涛教授团队为研究工作提供了高质量的Janus微球。该研究得到国家自然科学基金（61927808），111计划（B0714）和国家留学基金委（CSC201706250048）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202000565