光學(xué)顯微鏡和鑷子可以在微尺度上成像和操縱物體，應(yīng)用于細(xì)胞和分子生物學(xué)。然而，光學(xué)分辨率受到衍射極限的限制，因此顯微鏡和鑷子都不能直接成像和操縱納米物體。

等離子體/光子納米鏡和納米除濕器等新興技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)納米尺度的分辨率，但高折射率材料結(jié)構(gòu)容易對(duì)納米尺度的生物特異性造成機(jī)械和光熱損傷。在發(fā)表在《光:科學(xué)與應(yīng)用》上的一項(xiàng)研究中，中國(guó)納米光子學(xué)研究所的李玉超(音譯)及其同事開發(fā)了一種光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)。

利用活細(xì)胞作為微型透鏡，對(duì)小于光波長(zhǎng)的物體進(jìn)行成像和操縱，研究展示了亞衍射極限成像和非侵入性設(shè)備對(duì)納米物體的操作，該設(shè)備是通過在纖維頂端捕獲一個(gè)細(xì)胞來構(gòu)建。被捕獲的細(xì)胞在白光顯微鏡下形成了一個(gè)生物放大鏡，可以以100納米的分辨率放大納米結(jié)構(gòu)。研究人員利用生物放大鏡形成了一個(gè)納米光學(xué)陷阱，可以精確地操縱半徑為50納米的單個(gè)納米顆粒。該技術(shù)為無機(jī)械或光熱損傷的生物納米材料光學(xué)成像、傳感和組裝提供了一種高精度的工具。

光學(xué)成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷、生物傳感、細(xì)胞探索、分子訓(xùn)練和材料組裝等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。鑷子和顯微鏡是對(duì)從幾納米到幾微米的微小樣品進(jìn)行非接觸成像和操作的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。然而，由于光學(xué)分辨率被限制在照明波長(zhǎng)的一半左右，在納米尺度上使用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行成像是具有挑戰(zhàn)性的。在過去的幾十年里，科學(xué)家們?cè)诮鼒?chǎng)納米鏡和納米除塵器方面取得了巨大進(jìn)展，以實(shí)現(xiàn)納米分辨率的光學(xué)成像。這些成像技術(shù)被用于制造的高指數(shù)無機(jī)材料(如貴金屬和半導(dǎo)體)所限制。

這些材料在近場(chǎng)成像和操作過程中會(huì)對(duì)生物細(xì)胞或組織樣本造成機(jī)械損傷。因此，科學(xué)家們研究了基于介電微球的更簡(jiǎn)單光學(xué)成像方案，以克服傳統(tǒng)顯微鏡常見的衍射極限。這種微球是基于二氧化硅(SiO2)、二氧化鈦(TiO2)和鈦酸鋇(BaTiO3)等人工無機(jī)材料制成。因此，研究人員對(duì)開發(fā)一種天然生物材料感興趣，以構(gòu)建一種生物兼容設(shè)備，用于納米級(jí)空間分辨率的生物成像、操作和生物放大鏡。研究人員選擇了生物細(xì)胞替代微球，因?yàn)榧?xì)胞在與生物系統(tǒng)接觸時(shí)既豐富又具有生物相容性。

例如，科學(xué)家可以利用活細(xì)胞在生物環(huán)境中操縱光，并充當(dāng)光流微透鏡、光學(xué)探針。大腸桿菌作為生物光子波導(dǎo)。在本研究中，利用半浸在介質(zhì)中的球形增強(qiáng)活細(xì)胞指數(shù)對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)聚焦?？茖W(xué)家們用亞衍射光斑捕捉生物圖像，用白光顯微鏡照射目標(biāo)樣品。該納米尺寸的光斑施加了強(qiáng)大的光學(xué)梯度力來捕獲和操縱單個(gè)納米顆粒，使生物放大鏡也能發(fā)揮光學(xué)納米除塵器的功能。科學(xué)家們?cè)诜瓷淠Ｊ焦鈱W(xué)顯微鏡下進(jìn)行了所有實(shí)驗(yàn)，該顯微鏡與電荷耦合器件(CCD)相機(jī)和物鏡相耦合。

分別使用390 nm、560 nm和808 nm的光源進(jìn)行激發(fā)、照明和捕獲。使用尖端呈錐形的光纖，將生物放大鏡固定在光纖的末端，通過微操作器移動(dòng)尖端來控制生物放大鏡，選擇了光滑的球形細(xì)胞來減小像差，并注意到細(xì)胞在半浸溶液中可以表現(xiàn)出更好的聚焦性能，從而保持細(xì)胞的活力。在實(shí)驗(yàn)成像過程中，科學(xué)家們將一個(gè)半浸式生物放大鏡置于測(cè)試樣本之上，并從樣本中收集潛在的近場(chǎng)信息，形成一個(gè)光學(xué)顯微鏡檢測(cè)到的虛擬圖像。利用細(xì)菌、酵母、紅細(xì)胞和干細(xì)胞等多種細(xì)胞制備了多種生物放大鏡。

在第一個(gè)成像樣品中，研究人員使用了一個(gè)直徑為200納米的二維六角形二氧化硅納米球陣列，并使用了光熱技術(shù)。在成像過程中，只有表面有生物放大鏡的納米球才能被分辨出來，而沒有生物放大鏡的納米球則無法在傳統(tǒng)顯微鏡下被分辨出來。基于干細(xì)胞生物放大鏡的放大系數(shù)M被確定為3.3倍(x3.3)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的M取決于生物放大鏡直徑。隨后，研究人員使用該直徑的生物放大鏡進(jìn)行了更多實(shí)驗(yàn)，為了研究生物放大鏡的應(yīng)用，通過在鏡像底物上生長(zhǎng)上皮細(xì)胞。

在光照和反射光干擾下增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，將人上皮細(xì)胞成像為成像目標(biāo)。雖然在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡下很難分辨纖維細(xì)胞骨架和雙層結(jié)構(gòu)，但在上皮細(xì)胞上放置生物放大鏡后，科學(xué)家們能夠分辨出這兩種結(jié)構(gòu)。為了提高成像視野(FOV)，將生物放大鏡固定在纖維頂端，移動(dòng)它來掃描樣本。例如，使用該裝置掃描了代表暨南大學(xué)jnu首字母縮寫的納米顆粒字母，首先使用電子束光刻技術(shù)在硅上創(chuàng)建了jnu。然后，當(dāng)它們同時(shí)通過物鏡照射生物放大鏡上的近紅外(IR)和紫外激光束時(shí)，可以捕獲并激發(fā)納米粒子。

在這些實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們使用了平均半徑為50納米的熒光納米顆粒。當(dāng)將單個(gè)納米顆粒捕獲在生物放大鏡的焦點(diǎn)上時(shí)，觀察了感興趣樣品的光學(xué)和熒光圖像。研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)光鑷實(shí)時(shí)計(jì)算了粒子的俘獲剛度。在沒有接觸的情況下精確地通過光學(xué)操縱單個(gè)納米顆粒的能力，將有助于組裝調(diào)控良好的納米結(jié)構(gòu)。利用三維模擬和COMSOL軟件對(duì)生物放大鏡的成像機(jī)理和捕獲剛度進(jìn)行了數(shù)值研究。觀察到亞衍射極限光聚焦能力是由“光子納米射流”效應(yīng)和鏡面相干干涉增強(qiáng)共同作用的結(jié)果。

與折射率均勻的介質(zhì)微球相比，該方法局限性包括由于天然生物放大鏡細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻造成的成像畸變和畸變。幸運(yùn)的是，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)對(duì)可見光和近紅外光是透明的，單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的光相互作用相對(duì)較弱。細(xì)胞內(nèi)的活動(dòng)也可以改變細(xì)胞內(nèi)部分折射率分布，在捕獲和成像過程中引起光的畸變，但細(xì)胞活動(dòng)大多是超快的，不影響成像?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想，活體生物放大鏡將為生物異常材料的超分辨率成像、實(shí)時(shí)傳感和精確納米組裝帶來新的機(jī)遇，從而形成令人感興趣的納米結(jié)構(gòu)。

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參考期刊《光:科學(xué)與應(yīng)用》

DOI: 10.1038/s41377-019-0168-4

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