“这个滚动的小球好像屎壳郎推粪球啊。”一位同事曾这样打趣丁鸿儒发现的新现象。但他并未放弃这颗“粪球”，最终完成研究、并将论文发在Science子刊上。

丁鸿儒本硕均毕业于华中科大，目前在美国德州大学奥斯汀分校机械系读博。对于此次成果，他说：“我们首次提出了光热电旋转（Opto-thermolectricrotation，OTER）的概念。OTER有望在细胞表征领域发挥重要作用。具体应用有两个：一是可用于超分辨率细胞成像；二是有望用于免疫疗法。”

▲图

丁鸿儒（来源：丁鸿儒）

研究中，他通过使用简单的低功率光学器件，利用光热产生的电动力、耗尽力和热电力，来驱动任意微/纳米粒子的平面外旋转。

其中，他和同事仅使用线偏振和超低功率的单个高斯激光束，就实现了球对称和均匀的微/纳米粒子的旋转。因此，在OTER平台上激光束远离转子，也减少了直接光照所造成的损坏。

通过将实验与多尺度模拟相结合，课题组揭示了如下规律：光热旋转是通过微/纳米粒子、与具有热响应表面电荷的基板之间的电动相互作用来实现的。

此外，OTER策略具有很高的普适性。对于从亚波长尺度到微米尺度等不同尺寸、以及生物聚合物介电和复合胶体等不同材料、和纵横比从1至8的形状，他们均实现了粒子的光驱旋转。

在使用OTER时，还可通过控制激光和表面化学，进一步按需定制转子行为，例如旋转速率、旋转轴、以及转子与激光的距离。

▲图

OTER的工作原理（来源：ScienceAdvances）

据介绍，通过在固/液界面产生的倏逝波，全内反射荧光显微镜（TIRF，totalinternalreflectionfluorescence）可将成像精度提高到小于一百纳米，因而在近年来广泛用于生物成像。

然而，由于倏逝波的指数衰减，TIRF无法实现三维成像。而细胞的三维TIRF成像可通过在OTER平台上旋转而实现。借助高分辨率的全表面表征，三维TIRF成像可以揭示隐藏的遗传、细胞和结构细节。因此，超分辨率细胞成像是OTER的第一个应用场景。

其次，OTER还可用于免疫疗法。在该疗法中，通常需要通过基因编辑获得对于癌细胞具有特定识别、以及杀伤能力的免疫细胞。由于免疫细胞大多处于血液当中，所以在癌细胞的识别过程中，往往伴随着因为流场所导致的转动。

目前，大多数现有技术均无法精准地表征这一过程。而得益于精准可控的平面外旋转，OTER有望弥补这一空白。目前，课题组正与合作方紧密合作，以期将OTER用于细胞极性的研究上。

（来源：ScienceAdvances）

可分别用于超分辨率细胞成像和免疫疗法

据介绍，在传感、成像、生物医学和制造中，微/纳米尺度物体的受控旋转起着至关重要的作用。近年来，在检测真空摩擦、纳米制造、精确纳米手术和微流体流动控制等方面，微纳米转子已被证明具备出色的表现。

在一众微纳米转子中，由于其非接触式、无需燃料的特点，光控微/纳米转子可谓备受追捧。据悉，驱动转子的光学扭矩，源于光与转子之间的不对称相互作用。其中，光驱旋转需要复杂的光域，比如具有特定光强分布的激光、或是具有复杂成分或结构的转子。

因此，通过简单、低功率的光学器件，实现包括光学对称的合成粒子和细胞在内的各种物体的光驱动旋转，仍然相当具有挑战性。

据该团队所知，受限于光矩的作用方向，目前所有的光控转子的转轴必须与光轴平行，这使得粒子旋转仅限于平面内，也意味着它无法进行平面外旋转。

另据悉，通过对生物颗粒等物体进行三维检测，在滚动细胞粘附测量、单细胞工程、生物识别以及显微外科手术等领域，平面外旋转技术有望开辟新的道路。

最近，国内外一些团队通过使用多光束高功率激光，或是将光与微流体场抑或外部电场相结合，来实现光驱动的平面外旋转。也有研究者在理论上探讨了使用单束各向异性激光进行平面外旋转，而这需要复杂的光学器件和高功率激光束。

理论上，具有横向角动量的强光也可以提供平面外旋转的扭矩。然而，还需要额外的力，来平衡施加在粒子上的更大的平面内力，这在实验中极具挑战性。到目前为止，尚未有人使用单个低功率激光束，来实现平面外转子。

而此次工作打破了上述局面。近日，相关论文以《通用光热微/纳米级转子》（Universaloptothermalmicro/nanoscalerotors）为题，发表在ScienceAdvances上。丁鸿儒担任第一作者，德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系终身教授郑跃兵担任通讯作者。

▲图

相关论文（来源：ScienceAdvances）

论文提交修改稿后，一周内便收到录用通知，期刊编辑、以及三位审稿人均十分认可该成果的应用前景。这里援引其中一位审稿人的评价：“作者提出了一种全新的方法去驱动并控制微纳米物体：该工作利用了光热耦合所产生的表面电荷梯度，而非传统的光力旋转微纳微纳米颗粒。这种方法简单且不需要昂贵复杂的光学仪器，因而具有广阔的应用前景。”

幸亏没有放弃那颗“粪球”

丁鸿儒表示，其导师郑跃兵教授经常教导他们要勤做实验，并鼓励团队大胆尝试。因此，在推进已有研究课题之余，组内的博士生和博后都会尝试一些看起来有些““天马行空”的想法。

“我也不例外。那是一个非常普通的周三下午，我在自己新准备的衬底上，观察到了微米颗粒在移动的过程中隐约在转动。这与我预期中的简单平动不相符，因为新衬底本是为了减少颗粒对于衬底的附着，增强颗粒操控稳定性而准备的。在当周的课题组会议上，我汇报了这一新现象，然而并有赢得太多的

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkjg/6755.html