基于生物微透镜光纤探针的亚衍射极限光学三维操控与探测

The project intends to realize the localized focusing of light at the nano- or subwavelength-scale, with a microlens-based optical fiber probe that can overcome the diffracation limit, and thereby to realize three-dimensional (3D) manipulation of pathogenic bacteria cells at the single-molecule or single-cell level. The research will start with the precise 3D manipulation of pathogenic bacteria cells in liquid environmentsin a low-power-consumed, non-invasive and contactless manner,via the optical forces generated by the output beams from a fully biocompatible microlens-based optical fiber probes, followed by the single-cell imaging and real-time detection of back-scattering and fluorescence signals from the cells trapped by the probes and consequently labeled by the upconversion fluorescence materials. With a bio-microlens (algal cell or human red blood cell) attached at the tip of the fiber probe, the precision of 3D optical manipulation will be promoted to level at the single-molecule scale and the ability of the fiber probe on signal detection will be impressively improved, which realizes a single-cell manipulation and dectection. The results would make the fiber probe with the bio-microlens a powerful tool in pathological analysis of hazardous cells in realtime at the micro/nano scale, and thereby enhances the capability of optical manipulation on clinical diagnosis and drug screening at the single-molecule or single-cell level.

本项目拟开展利用微透镜式光纤探针突破光场的经典衍射极限，实现纳米及深亚波长尺度的局域光聚焦，在单细胞甚至单生物分子精度下实现致病菌细胞的三维操控与探测。通过具有完全生物兼容性的生物微透镜式光纤探针的光力，在低功率、无损伤和非接触情况下对液体境中的各种致病菌类细胞进行精准三维操控，并在此基础上通过上转换荧光材料对有害细胞进行染色标记，实现单细胞成像以及散射光和荧光信号的实时探测。借助光纤探针尖端附着的生物微透镜（藻类细胞或人体血红细胞等），将精准三维光捕获与光操控的极限推进到单分子水平，并大幅度提高光纤探针的信号探测能力，实现单细胞精度下的细胞操控与探测，使光纤探针和生物微透镜成为在纳米及深亚波长尺度下进行有害细胞实时病理分析的有力工具，迅速提升光操控技术在单分子、单细胞水平上的临床诊断和药物筛选能力。

单细胞精度下的光学成像与探测对器件的灵敏度和生物兼容性有着极高的要求。我们利用微透镜式光纤探针和扫描式光镊技术突破了光场的经典衍射极限，实现了纳米及深亚波长尺度的局域光聚焦以及对致病菌细胞乃至其细胞内大分子的三维精准操控与实时探测。项目的主要工作内容包括（一）精准纳米光操控、（二）天然生物光学器件和（三）亚细胞级光驱动与探测三个方面。其中，重要结果（一）及其科学意义：发现具有偶极Kerker效应的纳米介质颗粒在光势阱中所受的梯度力可出现一个非保守力分量，为光镊系统实现对介质颗粒的高精度尺寸筛选提供了一种新的机制；受人类视觉上的“马车轮效应”启发，发现了纳米颗粒对光场的力学响应也能导致与之相似的“光机马车轮效应”现象，实现了低折射率介质纳米颗粒双向筛选。重要结果（二）及其科学意义：从大腹园蛛中提取蜘蛛丝，并利用上转换纳米颗粒（UCNP）对其进行修饰，对单个乳腺癌细胞的膜温进行了测量，还对细胞凋亡过程中的温度变化进行了实时监测；将细胞中的球形脂质液滴作为完全生物兼容的微透镜，收集细胞内的微弱荧光信号，提高亚细胞结构的荧光成像质量，以此实现对细胞外的毛细血管中流动癌细胞的实时荧光探测，为生物兼容性光学器件的设计、构建和应用提供了一种新思路。重要结果（三）及其科学意义：在血管内组装出天然的红细胞光波导，以此构建了具有生物兼容性的生物传感器和微马达，探测血液中pH的变化，并通过对波导施加光学扭矩使其沿一定方向旋转，驱动局部血液的流动并运送血液中的微颗粒；在斑马鱼活体内部组装出红细胞光学传送带，通过调节两端入射激光功率实现了对体内目标颗粒的双向传送和定点释放；使用具有荧光稳定性和温度灵敏度的荧光纳米金刚石构建细胞内温度计，利用扫描光镊将细胞内吞的纳米金刚石组装成微球状探针，不仅使金刚石的荧光强度提高了7倍，还实现了探针在细胞内部的精准定位和实时温度探测，探测精度达到了单细胞器水平。