封面 | 微观生物粒子的新型“捕手”：光致温度场光镊
封面解析
封面形象地展示了光致温度场光镊对多种生物粒子的操控过程。光致温度场光镊使用激光照射在衬底上产生温度场，进而产生多种微纳尺度的热动力学现象，实现低功率微粒捕获和操控的效果。图中的红色光束照射到衬底上产生温度场，其中红、蓝两种颜色流体表示光热与光制冷两种温度场产生的多种热动力学现象的作用，可对多种生物纳米颗粒（PS颗粒、金纳米颗粒、病毒、细菌等）进行捕获与操控。
导读
光致温度场光镊（OTFT）作为微粒操控的高效工具，具有无接触、高精度、低功率和低损伤等优点，已被广泛应用于生物医学和生命科学研究领域。本文围绕OTFT技术原理和生物医学中应用两方面进行了系统综述，并对该技术今后的发展与挑战进行了展望。
光致温度场光镊技术简析
2018年诺贝尔奖得主Arthur Ashkin在1986年发明了光镊，光镊操控具有无接触与高精度等优点，被广泛应用于生物医学和生命科学等领域。然而，传统光镊中的光热效应以及衍射极限都制约着光镊的应用和发展。除此之外，对于尺寸小于或接近入射波长尺寸的微粒以及不透明微粒的捕获也是传统光镊面临的难题。
近十年来，研究者们将光热效应化劣势为优势，利用光与热的耦合效应实现了多种粒子的捕获及精确操控，即“光致温度场光镊”或“光热镊”技术。由于此种新型光镊光能利用率极高，能量密度低于传统光镊近三个数量级，并可实现颗粒的大范围操控，极大拓展了光镊可操控粒子的种类以及可操控范围，已经逐渐成为在纳米技术以及生命科学领域的重要研究工具。
光致温度场光镊原理
OTFT的原理主要分为两部分，一是温度场的构建，二是“光-热”动力学效应对于操控的有机耦合促进。首先，关于温度场的构建方面，包括光学加热和制冷。金属、二维材料或上转换半导体等材料受特定波长的光的激发，产生温度梯度场。然后，关于“光-热”动力学效应方面，在温度场的作用之下，被操控粒子周围的热泳、热电泳，光电热等离子体流、热渗透流、自然对流以及马兰戈尼对流等诸多热动力学效应，可以实现目标粒子捕获、操控以及多种多样的组装。
光致温度场光镊在生物医学中的应用
OTFT技术在生物医学领域的应用主要集中在对纳米颗粒、蛋白质分子、核酸分子和其他纳米生物微粒的操控和分选，以及在生物传感的增敏作用上。首先，对于纳米颗粒的捕获，聚苯乙烯 (PS) 颗粒具有与生命物质表面尺寸和形貌相似的特征。所以各种硬质纳米颗粒常作为光热镊系统测试的首要目标粒子。
具体的，目前OTFT已经可以实现对小于 10 nm 的牛血清蛋白（BSA）分子的可控距离捕获和操控，并避免蛋白质分子的失活。对于DNA和RNA等核酸分子，OTFT 可以实现对核酸分子的操控和富集，这有利于探索生命起源和核酸分子的构成原理。然而，在单分子水平上核酸分子的操控和捕获目前还没有较为全面的研究。另外，对于细菌、细胞、囊泡和病毒等其他纳米生物微粒，OTFT 也已经实现单个粒子精度的捕获和操控，这对于进一步研究细菌和病毒的致病原理以及相互作用机制具有重要意义。最后，OTFT的捕获与富集效应也可以被利用起来，以提高针对这些纳米生物微粒的生物检测的灵敏度，并缩短检测时间。
未来研究展望
目前，OTFT技术的研究虽然已经取得一定成果，但仍存在诸多瓶颈。其一，温度对生物分子活性的影响非常大，目前OTFT仅能工作于受温度影响小的生物粒子的操控之上。其二，目前OTFT技术所捕获颗粒依赖于二维产热界面，存在三维捕获困难的问题。其三，颗粒表面修饰与调控的问题也制约着OTFT技术的可操控粒子的范围。未来OTFT的研究方向将集中在开发生物相容性更高的表面活性剂或调节其他环境因素，以实现可控的、靶向的粒子捕获，特别是在生物医学领域。此外，OTFT可以与介电微球超分辨、拉曼增强散射、光学扳手等技术领域相结合，以解决更广泛的问题。可以预见，随着光与物质相互作用以及表面化学研究的发展，OTFT技术将得到进一步完善，在生物医学和生化检测领域大放异彩。
科学编辑 | 钟义立，陈嘉杰，屈军乐，邵永红.
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