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光学显微镜和镊子可以在微尺度上成像和操纵物体，应用于细胞和分子生物学。然而，光学分辨率受到衍射极限的限制，因此显微镜和镊子都不能直接成像和操纵纳米物体。等离子体/光子纳米镜和纳米除湿器等新兴技术的目标是实现纳米尺度的分辨率，但高折射率材料结构容易对纳米尺度的生物特异性造成机械和光热损伤。在发表在《光:科学与应用》上的一项研究中，中国纳米光子学研究所的李玉超(音译)及其同事开发了一种光学显微镜系统。 利用活细胞作为微型透镜，对小于光波长的物体进行成像和操纵，研究展示了亚衍射极限成像和非侵入性设备对纳米物体的操作，该设备是通过在纤维顶端捕获一个细胞来构建。被捕获的细胞在白光显微镜下形成了一个生物放大镜，可以以100纳米的分辨率放大纳米结构。研究人员利用生物放大镜形成了一个纳米光学陷阱，可以精确地操纵半径为50纳米的单个纳米颗粒。该技术为无机械或光热损伤的生物纳米材料光学成像、传感和组装提供了一种高精度的工具。 光学成像技术在医学诊断、生物传感、细胞探索、分子训练和材料组装等领域具有重要的应用价值。镊子和显微镜是对从几纳米到几微米的微小样品进行非接触成像和操作的标准设备。然而，由于光学分辨率被限制在照明波长的一半左右，在纳米尺度上使用这项技术进行成像是具有挑战性的。在过去的几十年里，科学家们在近场纳米镜和纳米除尘器方面取得了巨大进展，以实现纳米分辨率的光学成像。这些成像技术被用于制造的高指数无机材料(如贵金属和半导体)所限制。 这些材料在近场成像和操作过程中会对生物细胞或组织样本造成机械损伤。因此，科学家们研究了基于介电微球的更简单光学成像方案，以克服传统显微镜常见的衍射极限。这种微球是基于二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)和钛酸钡(BaTiO3)等人工无机材料制成。因此，研究人员对开发一种天然生物材料感兴趣，以构建一种生物兼容设备，用于纳米级空间分辨率的生物成像、操作和生物放大镜。研究人员选择了生物细胞替代微球，因为细胞在与生物系统接触时既丰富又具有生物相容性。 例如，科学家可以利用活细胞在生物环境中操纵光，并充当光流微透镜、光学探针。大肠杆菌作为生物光子波导。在本研究中，利用半浸在介质中的球形增强活细胞指数对比度，实现亚波长聚焦。科学家们用亚衍射光斑捕捉生物图像，用白光显微镜照射目标样品。该纳米尺寸的光斑施加了强大的光学梯度力来捕获和操纵单个纳米颗粒，使生物放大镜也能发挥光学纳米除尘器的功能。科学家们在反射模式光学显微镜下进行了所有实验，该显微镜与电荷耦合器件(CCD)相机和物镜相耦合。 分别使用390 nm、560 nm和808 nm的光源进行激发、照明和捕获。使用尖端呈锥形的光纤，将生物放大镜固定在光纤的末端，通过微操作器移动尖端来控制生物放大镜，选择了光滑的球形细胞来减小像差，并注意到细胞在半浸溶液中可以表现出更好的聚焦性能，从而保持细胞的活力。在实验成像过程中，科学家们将一个半浸式生物放大镜置于测试样本之上，并从样本中收集潜在的近场信息，形成一个光学显微镜检测到的虚拟图像。利用细菌、酵母、红细胞和干细胞等多种细胞制备了多种生物放大镜。 在第一个成像样品中，研究人员使用了一个直径为200纳米的二维六角形二氧化硅纳米球阵列，并使用了光热技术。在成像过程中，只有表面有生物放大镜的纳米球才能被分辨出来，而没有生物放大镜的纳米球则无法在传统显微镜下被分辨出来。基于干细胞生物放大镜的放大系数M被确定为3.3倍(x3.3)，科学家们发现实验的M取决于生物放大镜直径。随后，研究人员使用该直径的生物放大镜进行了更多实验，为了研究生物放大镜的应用，通过在镜像底物上生长上皮细胞。 在光照和反射光干扰下增强光与物质的相互作用，将人上皮细胞成像为成像目标。虽然在传统光学显微镜下很难分辨纤维细胞骨架和双层结构，但在上皮细胞上放置生物放大镜后，科学家们能够分辨出这两种结构。为了提高成像视野(FOV)，将生物放大镜固定在纤维顶端，移动它来扫描样本。例如，使用该装置扫描了代表暨南大学jnu首字母缩写的纳米颗粒字母，首先使用电子束光刻技术在硅上创建了jnu。然后，当它们同时通过物镜照射生物放大镜上的近红外(IR)和紫外激光束时，可以捕获并激发纳米粒子。 在这些实验中，科学家们使用了平均半径为50纳米的荧光纳米颗粒。当将单个纳米颗粒捕获在生物放大镜的焦点上时，观察了感兴趣样品的光学和荧光图像。研究人员使用标准光镊实时计算了粒子的俘获刚度。在没有接触的情况下精确地通过光学操纵单个纳米颗粒的能力，将有助于组装调控良好的纳米结构。利用三维模拟和COMSOL软件对生物放大镜的成像机理和捕获刚度进行了数值研究。观察到亚衍射极限光聚焦能力是由“光子纳米射流”效应和镜面相干干涉增强共同作用的结果。 与折射率均匀的介质微球相比，该方法局限性包括由于天然生物放大镜细胞内结构不均匀造成的成像畸变和畸变。幸运的是，细胞内的物质对可见光和近红外光是透明的，单个细胞内的光相互作用相对较弱。细胞内的活动也可以改变细胞内部分折射率分布，在捕获和成像过程中引起光的畸变，但细胞活动大多是超快的，不影响成像。科学家们设想，活体生物放大镜将为生物异常材料的超分辨率成像、实时传感和精确纳米组装带来新的机遇，从而形成令人感兴趣的纳米结构。
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