“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。
01 导读
在生物医学工程领域，对纳米颗粒的精准操控至关重要，然而传统光学方法受制于高功率激光和衍射极限。是否存在一种方法能够打破这些限制，实现对各类纳米颗粒的灵活操控呢?
答案是肯定的!来自深圳大学生物医学光子学研究中心的研究者通过对光学热响应金膜边界层中扩散光流和热渗透流的精确调控，成功设计出一款高度适应性的光热纳米镊(HAONT)。这一光热镊能够操控单个纳米颗粒，尺寸小至亚10 nm，相关研究成果已发表在Advanced Materials上。陈嘉杰特聘研究员为该论文的第一作者，并与屈军乐教授和邵永红教授为该论文的共同通讯作者，深圳大学为第一完成单位与通讯单位。
该光热镊的显著特点在于其广泛的应用范围，无论是有机、无机还是生物形式的纳米颗粒，均能轻松应对。同时，它提供多种功能模式，包括纳米颗粒的捕获、分类和组装，使操控变得更加多元化。这一创新性工具为生物医学光子学领域带来了全新的可能性，为纳米颗粒的精准操作开辟了崭新的前景。
2024 | 前沿进展
02 研究背景
在光学操控领域，研究人员开发了各种类型的光镊，例如表面等离子体纳米光镊，可以将生物纳米颗粒捕获到纳米结构周围的区域，突破了衍射极限。然而，通过等离子体光镊实现大规模的纳米颗粒运输和操作仍然具有挑战性。尽管如此，光热镊已经被开发出来(光学学报, 2023, 43(14): 1400001)，它采用光学诱导的热力学力来操作纳米颗粒，在亚波长精度下进行大规模操作。其所需的功率密度要求比传统光学镊子低三个数量级。
然而，这些方法仅限于捕获具有特定表面电位的纳米颗粒，或者利用离子表面活性剂辅助才能诱导颗粒的捕获，使它们聚集在激光加热中心。这限制了其在操纵生物纳米颗粒方面的更广泛应用。
目前，缺乏一种通用的光学热力捕获、分选和组装方法，可以适应不同材料、表面电荷、大小和形状的颗粒。通常，需要针对不同类型的颗粒(例如生物或金属纳米颗粒)设计特定的捕获策略。
03 研究创新点
为应对这些挑战，如图1所示，我们创新地将光热扩散流与热渗透流相结合，即利用边界层中过剩焓引起的与固体-液体界面平行的滑流，由非离子表面活性剂(聚乙二醇，PEG)诱导促进，成功开发了高度适应的光热纳米镊子(HAONT)。这一突破性的技术，无需对纳米颗粒表面进行任何修饰，即可实现精准的操作，捕获精度达到亚10 nm。
图1 HAONT工作原理
如图2所示，此技术可广泛应用于各种纳米颗粒，包括有机、无机和生物实体，例如聚苯乙烯球(PS)、介孔硅纳米颗粒(MSN)、量子点(QD)、金属纳米颗粒(范围从5nm到200nm)、外泌体、病毒(包括COVID-19)和细菌。HAONT方案不仅为纳米颗粒的捕获、分选和组装提供了多样化的能力，更为其他从事光热镊子领域的研究人员提供了有价值的研究参考。
图2 纳米颗粒捕获和组装的示意图。a，200 nm PS的动态捕获和释放，激光在3.1s关闭，视频由暗场显微镜记录。b，单次2019-nCoV假病毒捕获，激光在34.90 s开启后，病毒被捕获并朝向激光斑点中心移动。c，通过“PS门”捕获和操作大肠杆菌细胞，其中两个印刷PS(直径1 μm)位于金膜上作为参考。d，通过将较大的PS(1 μm)和较小的PS(500 nm)与相反的表面电荷结合来制造Nano PS-star。e，将AuNS-50 nm运输并固定到目标大肠杆菌细胞上。a、c、d和b中的PEG质量分数分别为5%和10%
我们还系统地研究了金属纳米颗粒尺寸对温度均质化效应的影响。这一研究为理解和优化光热镊子性能提供了重要的理论支撑。
此外，如图3所示，通过简单地增加激光功率，我们开创性地建立了一种新型的光热甜甜圈形涡旋(DSV)捕获策略。这种全新的策略为细胞和纳米颗粒之间开启了全新的物理相互作用模式，将操控变得更加灵活和精准。
图3 甜甜圈形涡旋(DSV)纳米颗粒操控及与大肠杆菌细胞相互作用。a，一个AuNS-50 nm簇的DSV捕获模式，内嵌图显示了x-z平面的净力分布和x-y平面的温度分布，激光功率为0.6 mW。b，不同激光功率下AuNS-50 nm簇的DSV捕获模式，甜甜圈形捕获区域的内径/外径与激光功率之间的关系。c，DSV捕获模式和介孔硅纳米颗粒(MSN)簇的运动。d，MSN簇在大肠杆菌细胞周围的DSV捕获过程。b-e中比例尺的长度为5 μm
因此，这种纳米镊子系统代表了一种高度通用的解决方案，它具有出色的生物相容性、精确的捕获能力和广泛的传输范围。
这些独特的优势使其在纳米技术和生物光子学领域的广泛应用中表现出巨大的潜力。通过这一技术，我们有望在未来的科研和实际应用中实现更多突破和创新。
04 总结与展望
HAONT主要依赖于颗粒与溶液之间的边界相互作用，但其捕获势阱刚度相对较低，且难以捕获具有柔软形态的非刚性纳米颗粒。此外，由于陷阱方案依赖于平面热响应基底，实现三维操纵是极为困难的。此外，针对生物样品的热影响，我们建议研究人员首先确定他们正在研究的特定样品的最大温度耐受性，再选用合适的功率以及温度进行操控。
尽管存在局限，HAONT已经展现出多种工作模式，即捕获、分类、组装、和DSV模式。对于无论是有机、无机、不同形状、不同电量、还是生物形式的纳米颗粒，具有极佳的适应性。通过进一步的技术改进，如集成环境温度控制技术或引入电场，HAONT方案的固有生物相容性和适应性将使其成为适合各种应用领域的通用纳米操纵工具。
我们相信，这款高适应性光热镊将成为合成生物学、光流体学、纳米光子学和胶体科学等领域的宝贵工具。它将为我们打开一扇全新的大门，让我们能够以前所未有的方式探索纳米世界。
项目支持：本工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金、广东省重大人才工程引进类项目、广东省教育厅重点专项、深圳市科技计划项目、深圳市光子学与生物光子学重点实验室、深圳大学医工交叉研究基金、深圳大学科研仪器研制培育项目的支持。
