导读：
近日，星空网页版登录入口光电工程学院光子学研究中心在场控微操纵领域取得最新进展。该研究团队创新地提出了一种基于光热波导的热光镊技术，用于实现对多种类型粒子的精确捕获和微操纵。被捕获的粒子策略性地远离光热产生的高温区域，实现了真正的低损伤、非接触操纵。该方法采用激光自组装光热波导进行动态微粒操纵，作者证明了光热波导具有优越的光热转换和精确控制能力，可产生非等温温度场，热对流和热泳在该场内的相互作用实现了非接触和非破坏性的粒子操纵，为光热操纵微粒提供了新的技术手段。相关成果以“Thermo-optical tweezers based on photothermal waveguides”为题发表在Microsystems & Nanoengineering上（https://doi.org/10.1038/s41378-024-00757-7）。
图 1 热光镊对PS微粒的操纵示意图
研究背景
场控微操纵技术广泛应用于细胞迁移、药物递送、微组装及微纳米技术等领域，并提出了利用外部力场精确操纵微粒的方法。在这些应用中，尤其对以受控且非接触方式实现微粒迁移的需求日益增加。自Ashkin首次观察到通过外部光学力操纵微粒的现象以来，光镊作为一种无接触操纵技术取得了显著进展。此后，类似的技术相继出现，用于操纵胶体颗粒和生物物体，包括磁镊、光致冷镊以及声学流体和微流体技术。然而，这些技术常常受到特异性差、空间分辨率低以及潜在光热损伤的限制，给微粒的精确、无损操控带来了挑战。为克服这些局限性，一种被称为热光镊（Thermo-optical tweezers, TOT）的有效策略被提出。具体而言，光热材料（如金、银、铟锡氧化物及纳米阵列金膜）通过光热效应吸收热量，并在流体中生成非等温温度场，从而通过热对流和热泳效应实现对微粒的操纵。需要指出的是，与光镊相比，TOT提供了更大的可控范围、对粒子属性的要求更低并减少了光热降解，从而在低损伤和非接触操纵方面具有显著优势。近年来，研究人员探索了使用温度场替代强聚焦激光进行粒子操纵的方法。然而，这些方法在实现多路径操控微粒方面仍然存在局限性。
研究亮点
作者提出了一种基于新型激光诱导光热波导（PTW）自组装方法的TOT系统，该系统底部有各种图案的PTW，用于动态操纵微粒。当PTW吸收激光形成热点时，它诱导出一个非等温温度场，产生作用于粒子的热对流力和热泳力。在固定的激光下，最初位于不同位置的聚苯乙烯（PS）粒子表现出两种典型的动态迁移：向内和向外。然而，无论它们的初始位置如何，粒子最终都会被捕获在相同的环形捕获势阱（ATPW）区域。这一观察结果明显不同于光制冷镊系统。作者进一步提出了一个物理模型来定量研究颗粒迁移机制。结果表明，来自不同初始位置的粒子均朝捕获势阱中心汇聚，符合TOT系统的操纵机制。
图2TOT驱动下PS微粒的动态操纵
为了使单个粒子沿定向方向运动，采用了不同位置和光功率的单焦点和双焦点激光。实验研究了三种操纵途径：z形迁移、粒子振荡和定向输运。对于沿z形路径移动的粒子，在双轨PTW上交替单焦点激光。如果光功率比或双焦点激光的距离改变，粒子可以水平振荡。否则，如果单焦点激光沿单个或两个平行轨道向下移动，则粒子可以垂直传输。这表明通过设计光热波导的结构和热源的加载方式可以精确地控制粒子的运动轨迹。此外，TOT系统能够以非接触方式精确捕获负折射率和不规则形状的粒子。与以前的研究相比，本文的发现为精确的非接触操纵粒子提供了新颖的光热见解，并避免了光热损伤。
图 3TOT驱动下PS微粒的z形迁移特性
图 4TOT驱动下DFLs对PS微粒垂直迁移特性的影响
本文的发现增强了对非等温温度场中悬浮粒子的基本理解，并拓宽了涉及场控微操纵的生物应用范围。例如，该方法在单细胞拉曼检测中起着至关重要的作用，可以获得目标细胞丰富的内在信息。此外，该方法还可用于细胞的收集、细菌和细胞的分选、药物试剂的递送、肿瘤细胞凋亡过程的监测、肺癌细胞耐药的预测等，拓展了其在生物医学和生命科学领域的潜力。
总结与展望
作者提出了一种基于新型激光诱导光热波导自组装方法的热光镊系统，当光热波导吸收激光，在其周围液体环境中诱导出非等温温度场，并产生作用于粒子的热对流和热泳力，它们可实现对位于不同位置的PS粒子的两种典型的动态迁移能力：向内汇聚和向外扩散，最终粒子会被捕获在环形势阱区域。利用了不同类型的光热波导和激光加载模式，实现了对单个粒子的三种操纵方式：z形迁移、粒子振荡和定向输运。此外，该技术可以以非接触方式精确捕获光热波导附近具有负折射率和不规则形状的粒子。因此，作者的工作为非接触粒子精准操纵提供了可行的新方法，为细胞和生物分子的光热控制开辟了新的途径。
论文的第一作者为星空网页版登录入口光电工程学院的硕士研究生李福旺、魏剑、覃小梅，论文共同通讯作者为光电工程学院邓洪昌教授、机电工程学院陈雪教授。光电工程学院研究生陈大伟、光电工程学院张文涛教授、韩家广教授、苑立波教授亦为共同作者。以上成果受到了国家自然科学基金、广西自然科学基金、中国科技协会青年优秀科学家赞助计划、星空网页版登录入口研究生创新项目支持。
论文信息：
Fuwang Li, Jian Wei, Xiaomei Qin, Xue Chen*, Dawei Chen, Wentao Zhang, Jiaguang Han, Libo Yuan, Hongchang Deng*, Thermo-optical tweezers based on photothermal waveguides, Microsystems & Nanoengineeringn, 2024, 10(1): 123.
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00757-7
