生物分子富集是提升目标物浓度、保证下游分析灵敏度的关键预处理步骤。现有方法（如离心、亲和捕获、微流控及光热富集等）虽然各有优势，但是普遍存在操作繁琐、成本高昂、空间控制精度不足等问题。因此，需要开发一种通用、简便且能精确调控富集过程的方法，以促进复杂生物样本的高效分析。深圳大学物理与光电工程学院研究团队近日提出了一种创新的光热冰-水界面管理（Optothermal Ice–Water Interface Management, OIIM）技术。这一无标记、通用性强的方法通过光热效应引导结冰过程中冰-水界面的动态聚合与移动，在冰晶环境中构筑出可精确调控的“纳米容器”。该技术不仅能够高效富集从埃尺度染料小分子到微米级聚苯乙烯球的跨尺度颗粒，还能在低温条件下构建飞升级微反应器，为生物分子的富集与检测提供了全新途径。值得一提的是，OIIM有效解决了超短核酸分子难以被传统方法富集的难题，为分子诊断与冷冻生物学研究开辟了新的技术方向。
颗粒富集
图1. 实验装置示意图及冰水界面汇聚处颗粒富集机制。(a) 实验装置详细示意图。(b) 非等温冷冻过程示意图，重点展示聚苯乙烯颗粒在富集前后的动态分布。T0-T3对应0s-0.28s，T3-T5对应0.28s-11.1s。(c) 高速相机记录的颗粒富集过程连续快照，比例尺标定为40微米。所用颗粒为1微米聚苯乙烯颗粒。在20倍物镜（数值孔径NA=0.45）下激光功率为3.8毫瓦。激光定位点以红色十字准星标示，光斑直径为2.24微米。
实验在倒置显微镜下进行，样品置于底部镀金的微流控腔中。实验通过热电制冷平台控制温度，激光照射金膜产生局部热场，从而形成未被冻结的液体区域。从图1，我们可以看到在降温过程中，冰-水界面从腔体顶部向底部推进，随后界面收缩，最终将颗粒聚集在激光焦点区域。高速相机拍摄的过程显示，1 μm聚苯乙烯颗粒在界面推动下逐渐聚集，形成明显的富集区，展示了OIIM对微米尺度颗粒的富集。
富集机制
图2. 稳态温度模拟与耗尽区特性表征。(a) x-z平面模拟温度分布图。(b) x-y平面模拟温度分布图。a-b所示模拟均在3.8毫瓦激光功率下进行。(c) 模拟最大温度随激光功率变化关系。(d) 不同激光功率下冰水界面移动速度v（P1=1.72毫瓦；P2=3.43毫瓦；P3=5.16毫瓦；P4=6.88毫瓦）。圆圈标示耗尽区形成初期的临界速度v_c，误差棒基于三次独立测量计算得出。(e) 两种典型激光功率（1.9毫瓦，5.7毫瓦）下形成的无颗粒区光学图像，比例尺为40微米。(f) 无颗粒区半径（RDEP）随激光功率变化示意图，误差棒基于三次独立测量计算得出。
文章中通过数值模拟和实验验证了OIIM中的温度分布与耗尽区形成机制。根据图2显示的模拟结果，在3.8 mW激光功率下，富集区最高温度接近室温（~293 K），形成飞升级的液体微区。实验中可以观察到不同激光功率下冰-水界面速度变化，临界速度（v_c）基本保持不变，这一现象符合颗粒被推动而非被冰包裹的理论。这些结果说明了光热调控对界面动力学和颗粒富集行为的关键影响。
生物大分子富集
图3. 光热调控下抗人IgG与DNA的富集动力学分析。 (a-c) 抗人IgG荧光分析。(a) 显示富集进程的时序荧光图像，红色十字准星标注激光位置，后期可观察到耗尽区。(b) 沿(a)中白色虚线在不同时间点（20秒至120秒）记录的截面荧光强度分布。(c) 以激光光斑为中心的60×60像素区域内平均荧光强度随时间变化，揭示三个典型阶段：(i) 25°C至5°C冷却过程中的耗尽阶段；(ii) 5°C至–15°C光热驱动富集阶段；(iii) –15°C至–20°C因冰水界面推进产生的分子富集阶段。(d-f) 100核苷酸单链DNA荧光分析。(d) 展示DNA富集的时序荧光图像。(e) 沿(d)中虚线在不同时间（0秒至120秒）的截面荧光强度分布。(f) 100×100像素中心区域平均荧光强度变化，呈现两个阶段：(i) 耗尽阶段（25°C至–15°C）与(iii) 富集阶段（–15°C至–20°C）。(g-i) 23核苷酸单链DNA荧光分析。(g) 富集过程中荧光演变的时序图像。(h) 沿(g)中虚线从0秒至66.7秒的截面强度分布。(i) 60×60像素中心区域时序平均强度变化，呈现相似的两阶段模式：(i) 耗尽阶段与(iii) 富集阶段。实验参数：20倍物镜（NA=0.45）下使用3.8毫瓦激光功率，比例尺：20微米。
此外，文章中研究了蛋白质和短链ssDNA在OIIM中的富集行为。图3的抗人IgG在降温过程中会经历三个阶段：常温下因正热泳系数而耗尽（i），低温下转为负热泳系数而富集（ii），冻结时在冰-水界面推动下进一步富集（iii）。相比之下，短链ssDNA在无结冰前仅表现出耗尽行为，未出现低温聚集，说明其热泳行为与蛋白质不同。
图4. 基于OIIM方案的单链DNA富集分子动力学模拟及实验验证。(a) 分子动力学模拟快照，展示不同长度（23 nt、12 nt和6 nt）单链DNA与前进冰-水界面的相互作用。模拟表明，无论DNA长度如何，冰锋均不会吞噬单链DNA，而是将其向前推斥。DNA链在界面附近还表现出卷曲行为。以纯水体系作为对照。有序结构区域代表冰，无序（非晶）排列区域代表水。(b) 23 nt单链DNA及周围水分子的x轴密度分布，证实DNA在空间上被排除于冰区之外。(c) 不同核酸长度下单链DNA（1 μM）的聚集速率。如红色和绿色虚线所示，2 μM Cy3和FITC的聚集速率分别为1.25和0.05。
文章通过分子动力学模拟与实验来研究不同长度ssDNA在冰-水界面处的行为。图4的模拟显示，冰前沿不吞噬ssDNA，而是将其推向前方，且ssDNA在界面处发生卷曲。实验中，不同长度ssDNA的聚集率存在差异，短链ssDNA因与金膜吸附更强而聚集率较低。此外，荧光染料Cy3和FITC的聚集行为也因其与金表面的亲和力不同而有所区别。这些发现不仅验证了OIIM对ssDNA的操控能力，也为理解ssDNA在冰态环境中的行为提供了新视角。
多位点富集和微反应器
图5. OIIM技术实现的多位点富集及微反应器介导的酶级联反应。(a) 基于空间光调制器(SLM)产生并控制多光热区域的OIIM多位点富集示意图。独立激光束首先定向至预设位置（上图），随后汇聚于单一焦点（下图），实现富集生物分子的空间整合。(b) FITC标记99核苷酸单链DNA(20 μM)的多位点富集与动态光束控制时序光学图像。红色虚线圆标示激光位置。初始分散的DNA分子先在各光点处富集，随后融合汇聚。富集后观察到的黄绿色为FITC染料自身特征颜色。(c) OIIM富集区域促进两步酶级联反应示意图。葡萄糖经葡萄糖氧化酶(GOx)氧化生成葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)和H₂O₂，产生的H₂O₂随后在辣根过氧化物酶(HRP)催化下与Amplex Red反应，生成荧光产物试卤灵。(d) OIIM微反应器内试卤灵快速生成的时序荧光图像。冰水界面限域的富集区域作为飞升级微米容器，显著加速级联反应并实现分子过程的实时、无标记监测。(e) 激光光斑中心60×60像素区域内试卤灵平均荧光强度随时间变化曲线。实验参数：20倍物镜(NA=0.45)下使用18毫瓦激光功率。
图5展示了OIIM在多点富集与微反应器构建方面的应用。通过空间光调制器生成多个光热区域，分别富集FITC标记的ssDNA后，将各光束合并至同一焦点，实现空间集中与信号增强。此外，OIIM形成的液体微区作为飞升级微反应器，用于葡萄糖氧化酶-辣根过氧化物酶级联反应，显著加速荧光产物resorufin的生成。该实验证明了OIIM在多重样品处理与低温生物传感中的实用性与高效性。
此文章提出的光热冰-水界面管理（OIIM），其利用低功率激光调控冰-水相变界面，实现了从埃级颗粒（染料）到微米级颗粒及多种生物分子（如核酸、蛋白质）的通用、高效富集。该技术不仅能构建飞升级微反应器以加速酶催化反应，还解决了传统方法难以捕获超短核酸（如23nt ssDNA）的难题，并支持多位点操作。
展望未来，OIIM在分子诊断、环境监测及冷冻生物学领域具有广泛应用潜力。后续研究将聚焦于结合微流控优化流程、开发抗高盐策略、实现高通量并行处理，以及构建温度响应型可控反应体系，推动该技术成为生化分析与冷冻生物技术中的重要工具。
该论文以《Optothermal Ice–Water Interface Management for Cross-Scale Enrichment and Molecular Sensing》为题发表在国际著名期刊美国化学纳米期刊ACS NANO（ACS Nano 2025, 19, 45, 39281–39291）上，本研究由彭宇航（深圳大学物理与光电工程学院）和 周健行（同）共同担任第一作者，主要负责实验方案设计、技术实施以及跨尺度颗粒富集验证；通讯作者分别为陈嘉杰副教授（深圳大学）—统筹项目策划与国内研究框架搭建，以及 Yuebing Zheng教授（美国德克萨斯大学奥斯汀分校）—从光热操控与纳米光子学视角提供理论引导与关键技术支持。此外，来自法国特鲁瓦技术大学的 Shuwen Zeng 教授与 Quanbo Jiang 教授，德国德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所的 Libo Ma 教授，以及德国开姆尼茨工业大学的 Oliver G. Schmidt 院士，以及深圳大学屈军乐教授和邵永红教授也分别在界面机制解析、材料集成设计和检测技术适配等关键环节做出了重要贡献。研究工作得到国家自然科学基金、广东省科学技术厅、深圳市科技研发创新基金、深圳大学医学工程交叉学科研究基金项目的支持。
撰稿|课题组
