大阪公立大學LAC-SYS研究所的林康太特任助教、飯田琢也教授、牀波志保教授等人研發出了一款在光纖邊緣覆蓋金屬奈米薄膜的光纖型光濃縮模組，通過在任意位置生成氣泡並藉助三維高速對流，僅需1分鐘雷射照射，即可高效集聚1萬個細菌及奈米/微米級螢光聚苯乙烯粒子。該技術成本低廉且易於陣列化，不僅可應用於微生物檢測及生物分子檢測技術，還能助力核酸、蛋白質等多種生物樣本的前處理技術的高通量化。相關研究成果已發表在期刊《Communications Physics》（DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-025-02480-9）上。
圖1 (a)本研究開發的光纖型模組實現光濃縮的三維示意圖；(b)垂直於基板的截面圖；(c)水平截面圖；(d)採用既往平坦基板的光濃縮法；光纖型光濃縮處理後的(e)光學透射圖像，以及(f)螢光圖像（使用奈米/微米級螢光聚苯乙烯粒子）。（供圖：大阪公立大學）
近年來，各類生物分析技術的研發不斷取得進展，但稀薄樣本的濃縮則是高靈敏度檢測的一大難題。研究團隊此前已開發出了一種利用雷射照射金屬奈米結構產生的熱對流（光誘導對流）與氣泡，可在數分鐘內完成各類生物物質的集聚與檢測的光濃縮技術。具體而言，團隊先後開發出了具有微米級週期性結構的蜂窩基板、類氣泡基板，以及具有奈米級多孔結構的奈米碗狀基板等，並報告了該類基板能以80%以上的高存活率集聚細菌，且可在不損傷蛋白質的前提下加速抗原抗體反應。然而，即便採用這些方法，細菌的聚合效率最高也僅為百分之幾，濃縮效率亟待提升。此外，在基板上生成氣泡時，基板的存在會導致所驅動的對流流速降低，進而對分散質的可輸運範圍、方向與速度形成限制，這已成為提升聚合效率的瓶頸。
此次研發的光纖型光濃縮模組，是在光纖邊緣形成金屬奈米薄膜。將該模組插入樣本內的任意位置，再向光纖中導入近紅外光雷射後，光纖邊緣的金屬奈米結構會作為熱源發揮作用，通過其產生的氣泡與對流，即可在光纖邊緣實現光濃縮。由此，成功以10%以上的高聚合效率實現了分散質的集聚。
僅需通過光纖型光濃縮模組進行1分鐘雷射照射，即可從20微升微量液體樣本中的約9萬個微米粒子（直徑1μm）裏，通過光濃縮完成1萬個粒子的集聚，針對大腸桿菌也取得了相同的結果。無論哪種情況，都成功以最高10%左右的聚合效率在光纖邊緣實現了集聚；理論計算結果顯示，該技術可檢測出液體樣本中低至10個的細菌。
研究人員將該光纖型光濃縮模組插入含微米粒子的分散液中，在遠離基板的液體內任意位置生成氣泡，成功實現了粒子的集聚。此時的濃縮倍數較使用平坦金奈米薄膜的既往方法提升了約30倍。
為了探明如此高濃縮倍數背後的物理因素，研究團隊開展了理論解析。結果闡明，光濃縮時產生的對流，是以每秒數毫米的高速從氣泡周圍的全三維方向向光纖邊緣匯聚。研究團隊認為，正是這種三維高速對流，實現了二維光濃縮基板無法達成的10%以上的高聚合效率。此外，通過改變光纖型光濃縮模組的插入位置，該技術還能夠探明液滴表面這類氣液界面，以及基板與光濃縮槽表面這類固液界面對光濃縮產生的影響。在本次研究中，研究團隊也通過將光纖型光濃縮模組配置於基板上，成功驅動了以往無法實現的平行於基板方向的對流，不僅發現了粒子在氣泡周圍的集聚，還發現了粒子在光纖模組周圍的集聚以及向遠離熱源方向運動等新現象。
本次開發的系統因易於實現陣列化，未來有望在小型且短時間的多樣本檢測中，實現前處理技術的超高通量化。值得關注的是，本次研發的光纖型光濃縮模組僅需插入樣本，即可完成液體中微生物與生物分子的濃縮，因此可省去既往高性能光濃縮系統必需的大型光學系，同時將觀察用光學系小型化，有望實現現場環境下食品、飲品中微生物與環境有害微粒子的數分鐘簡便檢測。同時，基於該模組既可在光纖邊緣上修飾抗體或適配體，通過對細菌的選擇性集聚完成菌種鑑定；也可回收集聚後的細菌與生物分子，再使用質譜系統、新一代測序儀（NGS）等尖端分析技術開展詳細解析。
此外，除了細胞、細菌、病毒，該技術還可應用於細胞外囊泡（EV）這類生物奈米粒子，還有包含蛋白質、基因等疾病標誌物在內的各類生物分子標誌物；將本研究成果與微孔板結合實現的高通量多樣本同步檢測同樣備受期待。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Physics
論文：Highly efficient three-dimensional optical condensation of nano- and micro-particles using a gold-coated optical fibre module
DOI： doi.org/10.1038/s42005-025-02480-9
