在化学、生物和分子操控等领域，科学家们常常用到光镊这种工具，其主要利用光的动量改变，实现对微纳米颗粒和生物细胞的捕获与操纵。不过，由于传统光镊技术存在诸多瓶颈，比如需要较高的激光功率，而这会导致光热损伤的产生，从而限制其在生物领域的进一步应用。
近年来，全世界相关领域的科学家们，已经发展了许多降低光镊高功率的方法，例如，开发光热镊，利用光的热效应所产生的温度场梯度，来捕获颗粒。该方法虽然能在一定程度上解决上述问题，但因为其必须要升温到 40 度以上，所以会给这些生物粒子的无损操控带来不利影响。
近期，为了降低光热镊的生物影响，提高其生物相容性，来自深圳大学的研究团队开发了一种新型的低温光热纳米镊技术，能够在 0-4 摄氏度的低温环境，以及不用表面活性剂的条件下，能够以较低激光功率实现控制单个纳米颗粒。
图丨相关论文（来源：Nano Research）
2023 年 4 月 13 日，相关论文以《低温光热纳米镊》（Low-temperature optothermal nanotweezers）为题在 Nano Research 上发表[1]。深圳大学硕士研究生周健行为该论文的第一作者，陈嘉杰担任论文的通讯作者。
图丨团队合照（来源：陈嘉杰）
在该研究中，实现在 0-4 摄氏度的低温环境下工作，和无需在溶液中添加额外的表面活性剂，是该研究的两个关键创新点所在。
首先，这种低温优势得益于水具有反常膨胀的特性。初中物理告诉我们，一般的物体遵循热胀冷缩的原理，也就是说，物体的体积会随着温度的升高而增大。但对于水来说并非完全如此，在 4 摄氏度以上时，水的体积会随着温度的升高而增大；但在 0-4 摄氏度之间，其体积会随着温度的升高而减小。
因此，水的反膨胀特性在 0-4 摄氏度之间发挥作用，而水的密度最高点则是 4 摄氏度。该团队利用这种反常膨胀特性，能让溶液中的颗粒球被推到光强或温度最高的地方，进而实现对生物粒子的捕获。
其次，此前报道的同类光热镊，都需要加入额外的表面活性剂，才能促使颗粒球顺利捕获到光强中心，而该研究的先进之处在于，即便不采用表面活性剂，也能实现粒子向高温处的聚集和捕获。
图丨低温光热纳米镊子示意图（来源：Nano Research）
另外，从应用上看，该低温光热镊技术主要有以下三方面的应用前景。
第一，该技术作为一个理论上的新发现，本身具有独特的优势，可以在冰箱冷藏温度附近捕获纳米颗粒。
第二，也可以用于其他诸多生物和生命科学的研究中，例如，对单个生物分子的群体聚集或单个分子的力学效应和特征展开研究。
第三，还有利于推动基于温度场的生物分子聚集的研究，能为生物科学和生物光子学领域提供一个新的研究平台。
“这个热效应在地球诞生之前就已经存在，而生命的起源又与热效应息息相关。目前已经有研究表明，热温度梯度的存在会促使一些 DNA 分子或蛋白质分子实现聚集，进而推动进化的产生，最终实现物种的多样性。”深圳大学助理教授、特聘研究员陈嘉杰解释道。
据了解，目前该团队正在基于上述技术，尝试对其他的生物分子进行捕获，比如核酸分子，以及包括牛血清蛋白、Cas 蛋白、猴痘病毒在内的其他生物分子等。
另外，陈嘉杰也表示：“我们除了继续发展低温光镊技术之外，也在探索其他不同的光热镊系统。”
对此，他们不仅从水的反常膨胀特性出发进行研究，还会选取一些生物相容性较好的表面活性剂进行切入，希望能基于另外一种技术路线，探索生物粒子捕获技术。并且，其还将光热镊技术和生物传感技术进行结合，例如 SPR 或 CRISPR 生物传感技术。未来，该团队希望能将这项技术用于生物传感领域，比如，核酸检测或一些癌症肿瘤标志物的检测中。
“通过光热镊捕捉一些生物分子的负极，能够帮助我们在低浓度的状态下，检测抗原和肿瘤标志物，进而为生物检测提供一种更好的手段。光热镊不但是一个用来操控的工具，能把粒子捕获到光强最高的地方，而且能在粒子较多的条件下，实现粒子在微小区域内的富集，这样有利于应用到更多生物传感增强的系统中。”陈嘉杰表示。
参考资料：
1. Zhou, J., Dai, X., Peng, Y. et al. Low-temperature optothermal nanotweezers. Nano Research. 16, 7710–7715 (2023). https://doi.org/10.1007/s12274-023-5659-1
