在化學、生物和分子操控等領域，科學家們常常用到光鑷這種工具，其主要利用光的動量改變，實現對微納米顆粒和生物細胞的捕獲與操縱。不過，由於傳統光鑷技術存在諸多瓶頸，比如需要較高的激光功率，而這會導致光熱損傷的產生，從而限制其在生物領域的進一步應用。
近年來，全世界相關領域的科學家們，已經發展了許多降低光鑷高功率的方法，例如，開發光熱鑷，利用光的熱效應所產生的溫度場梯度，來捕獲顆粒。該方法雖然能在一定程度上解決上述問題，但因為其必須要升溫到 40 度以上，所以會給這些生物粒子的無損操控帶來不利影響。
近期，為了降低光熱鑷的生物影響，提高其生物相容性，來自深圳大學的研究團隊開發了一種新型的低溫光熱納米鑷技術，能夠在 0-4 攝氏度的低溫環境，以及不用表面活性劑的條件下，能夠以較低激光功率實現控制單個納米顆粒。
圖丨相關論文（來源：Nano Research）
2023 年 4 月 13 日，相關論文以《低溫光熱納米鑷》（Low-temperature optothermal nanotweezers）為題在 Nano Research 上發表[1]。深圳大學碩士研究生周健行為該論文的第一作者，陳嘉傑擔任論文的通訊作者。
圖丨團隊合照（來源：陳嘉傑）
在該研究中，實現在 0-4 攝氏度的低溫環境下工作，和無需在溶液中添加額外的表面活性劑，是該研究的兩個關鍵創新點所在。
首先，這種低溫優勢得益於水具有反常膨脹的特性。初中物理告訴我們，一般的物體遵循熱脹冷縮的原理，也就是說，物體的體積會隨着溫度的升高而增大。但對於水來說並非完全如此，在 4 攝氏度以上時，水的體積會隨着溫度的升高而增大；但在 0-4 攝氏度之間，其體積會隨着溫度的升高而減小。
因此，水的反膨脹特性在 0-4 攝氏度之間發揮作用，而水的密度最高點則是 4 攝氏度。該團隊利用這種反常膨脹特性，能讓溶液中的顆粒球被推到光強或溫度最高的地方，進而實現對生物粒子的捕獲。
其次，此前報道的同類光熱鑷，都需要加入額外的表面活性劑，才能促使顆粒球順利捕獲到光強中心，而該研究的先進之處在於，即便不採用表面活性劑，也能實現粒子向高溫處的聚集和捕獲。
圖丨低溫光熱納米鑷子示意圖（來源：Nano Research）
另外，從應用上看，該低溫光熱鑷技術主要有以下三方面的應用前景。
第一，該技術作為一個理論上的新發現，本身具有獨特的優勢，可以在冰箱冷藏溫度附近捕獲納米顆粒。
第二，也可以用於其他諸多生物和生命科學的研究中，例如，對單個生物分子的群體聚集或單個分子的力學效應和特徵展開研究。
第三，還有利於推動基於溫度場的生物分子聚集的研究，能為生物科學和生物光子學領域提供一個新的研究平台。
“這個熱效應在地球誕生之前就已經存在，而生命的起源又與熱效應息息相關。目前已經有研究表明，熱溫度梯度的存在會促使一些 DNA 分子或蛋白質分子實現聚集，進而推動進化的產生，最終實現物種的多樣性。”深圳大學助理教授、特聘研究員陳嘉傑解釋道。
據了解，目前該團隊正在基於上述技術，嘗試對其他的生物分子進行捕獲，比如核酸分子，以及包括牛血清蛋白、Cas 蛋白、猴痘病毒在內的其他生物分子等。
另外，陳嘉傑也表示：“我們除了繼續發展低溫光鑷技術之外，也在探索其他不同的光熱鑷系統。”
對此，他們不僅從水的反常膨脹特性出發進行研究，還會選取一些生物相容性較好的表面活性劑進行切入，希望能基於另外一種技術路線，探索生物粒子捕獲技術。並且，其還將光熱鑷技術和生物傳感技術進行結合，例如 SPR 或 CRISPR 生物傳感技術。未來，該團隊希望能將這項技術用於生物傳感領域，比如，核酸檢測或一些癌症腫瘤標誌物的檢測中。
“通過光熱鑷捕捉一些生物分子的負極，能夠幫助我們在低濃度的狀態下，檢測抗原和腫瘤標誌物，進而為生物檢測提供一種更好的手段。光熱鑷不但是一個用來操控的工具，能把粒子捕獲到光強最高的地方，而且能在粒子較多的條件下，實現粒子在微小區域內的富集，這樣有利於應用到更多生物傳感增強的系統中。”陳嘉傑表示。
參考資料：
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
