近日，深圳大学物理与光电工程学院及生物医学光子学研究中心在国际顶级学术期刊《Advanced Materials》（JCR一区TOP期刊，影响因子：32.086）发表题为“Highly-adaptable optothermal nanotweezers for trapping, sorting, and assembling across diverse nanoparticles”的研究论文，发展了一种超强适应性光热镊，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，都可以进行捕获，具有极佳的适应性，并可实现捕获、分类、组装、和DSV多模态捕获形式。物理与光电工程学院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。
导读
在纳米材料科学与生物医学领域，有效操控纳米颗粒一直是一个关键问题。科学家们致力于开发多种类型的光镊，其中包括表面等离子体纳米光镊，这种光镊能够将生物纳米颗粒精准地捕获到纳米结构周围，成功地突破了衍射极限。然而，实现对大规模纳米颗粒的运输和操作仍然是一个具有挑战性的任务。尽管如此，一种新型光镊，即“光热镊”已经被研发出来，它利用光学诱导的热力学力来操控纳米颗粒，实现了在亚波长尺度下的大规模操作，而且其所需的功率密度远低于传统光镊，降低了对激光能量的需求（光学学报, 2023, 43(14): 1400001）。
这些方法仍然存在一些限制，主要表现在只能捕获具有特定表面电位的纳米颗粒，或者需要借助离子表面活性剂来辅助颗粒的捕获，使它们聚集在激光加热中心。这些限制大大降低了这些方法在操纵生物纳米颗粒方面的广泛应用。
目前，光学热力捕获、分选和组装颗粒的通用方法尚未普及，因此缺乏一种可以适应不同材料、表面电荷、大小和形状颗粒的全面解决方案。通常，为了针对不同类型的颗粒（如生物或金属纳米颗粒），需要设计特定的捕获策略。因此，发展一种更具通用性的光学操控技术，能够灵活应对不同种类纳米颗粒的需求，是当前研究的一个关键方向。
图1. HAONT工作机理以及捕获示意图 图源：Advanced Materials
研究内容
为了突破这些限制，陈嘉杰研究员与合作团队通过精确调控光学热响应金膜边界层中的扩散光流和热渗透流，成功设计出了一款高度适应性的光热纳米镊（HAONT）。这款光热纳米镊具有广泛的应用范围，可以灵活操控小至亚10 nm的单个纳米颗粒，包括有机、无机和生物形式的颗粒。
与传统方法相比，该光热纳米镊的优势在于提供了多种功能模式，如纳米颗粒的捕获、分类和组装，使得操控变得更加多元化。
图2. 多种纳米颗粒（2019-nCoV假病毒、大肠杆菌、PS球等）捕获和组装的示意图。
工作特点
1.利用边界层过剩焓引起的滑流的调控促进捕获：通过利用温度场所致的固体-液体界面的滑流，我们成功地实现了纳米颗粒的精准操作，而无需对其表面进行任何修饰，捕获精度达到亚10nm。
2.广泛适用于各种纳米颗粒：HAONT技术可广泛应用于各种纳米颗粒，包括聚苯乙烯球（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，为纳米颗粒的捕获、分选和组装提供了多样化的能力。
3.金属纳米颗粒尺寸对温度均质化效应的系统研究：我们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，为理解和优化光热镊性能提供了重要的理论支撑。
4.新型光热甜甜圈形涡旋捕获策略：如图3所示，通过简单增加激光功率，我们创造性地提出了一种新型的光热甜甜圈形涡旋（DSV）捕获策略，为细胞和纳米颗粒之间开启了全新的物理相互作用模式，使操控变得更加灵活和精准。
这种纳米光镊系统具有高度通用的解决方案，具备生物相容性、精确的捕获能力和广泛的传输范围等独特优势。这使其在纳米技术和生物光子学领域展现出巨大的潜力，为未来的科研和实际应用中带来更多突破和创新。
图3. 甜甜圈形涡旋(DSV)介孔硅纳米颗粒(MSN) 颗粒操控及与大肠杆菌细胞相互作用。
未来展望
HAONT已经展示出多种工作模式，包括捕获、分类、组装以及DSV模式，使其在纳米操纵领域具备了卓越的灵活性和多功能性。这一技术的突出优点在于：
1.广泛适用性：HAONT在处理纳米颗粒时展现出卓越的适应性，无论是有机还是无机，不同形状、电量，甚至生物形式的纳米颗粒，都能够得到高效操控。这种广泛适用性使其在纳米科学中具有广泛的应用前景。
2.多工作模式：HAONT不仅能够捕获纳米颗粒，还能够对其进行分类、组装，以及通过DSV模式展现出全新的操纵策略。这使其成为一种多功能、多模式的纳米操纵工具。
3.技术改进潜力：通过未来的技术改进，例如集成环境温度控制技术或电场引入，HAONT方案的固有生物相容性和适应性将进一步提升。这将使其成为适用于生物学、光流体学、纳米光子学和胶体科学等各种领域的通用纳米操纵工具。
本中心所发展的这种高适应性的光热镊技术将成为合成生物学、光流体学、纳米光子学和胶体科学等领域的宝贵工具。它不仅是一种工具，更是一扇开启纳米世界新探索的大门，为生物医学光子学研究带来更多的可能性。
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。
论文原文链接
https://doi.org/10.1002/adma.202309143
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