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光热泳翻转法用于增强生物分子相互作用

一、研究团队及发表信息
本研究由深圳大学物理与光电工程学院、中国人民解放军总医院第一医学中心激光医学科、香港中文大学生物医学工程系及美国克莱姆森大学生物工程系的联合团队完成。第一作者为Jiajie Chen和Youjun Zeng（共同一作），通讯作者为Jiajie Chen和Yonghong Shao。研究成果发表于《Biosensors and Bioelectronics》期刊，2022年2月在线发表，卷204，文章编号114084。

二、学术背景与研究目标
研究领域为表面等离子体共振传感（Surface Plasmon Resonance, SPR）与光流体技术（Optofluidics）。传统生物传感技术依赖布朗扩散（Brownian diffusion）被动驱动分子相互作用，导致低浓度或单分子分析时效率低下。为解决这一瓶颈，团队提出了一种称为“光热泳翻转法”（Optothermophoretic Flipping, OTF）的全光学主动调控策略。其核心目标是通过热泳力（thermophoretic force）的时空调制，实现生物分子的富集与定向推动，从而显著提升分子间结合的效率与检测灵敏度。

三、详细实验流程与方法
1. 实验系统设计
- 波长扫描表面等离子体共振成像（WSPRI）平台：采用卤素光源耦合液晶可调滤波器（LCTF），波长扫描范围610-646 nm，步长2 nm，通过CMOS相机实时监测SPR共振波长位移（δλ），反映分子结合事件。
- 光热激发模块：785 nm激光二极管（功率60 mW，光斑直径4 μm）作为加热源，通过信号发生器调制开关周期（120秒开/300秒关），在金膜表面产生温度梯度，诱导热泳力与对流。

1. 工作原理

   • 热泳力翻转机制：激光开启时，金膜温度高于溶液，产生向上的热泳力（Fth），阻碍抗体-抗原结合；关闭激光后，金膜散热快于溶液，温度梯度反转，热泳力方向瞬时翻转向下，推动分子向传感表面高效结合。
     
   • 力平衡分析：通过纳米粒子示踪实验验证热泳力方向翻转（图4）。聚苯乙烯微球（500 nm）在激光关闭后立即向金膜下沉，证实了理论模型。
     

2. 抗体-抗原结合实验

   • 研究对象：人免疫球蛋白G（IgG）与山羊抗人IgG（浓度范围62.5 pM~500 ng/mL）。
     
   • 流程：
     
     1. 探针固定：金膜表面修饰人IgG作为捕获探针。
        
     2. OTF增强结合：注入低浓度山羊抗人IgG，通过WSPRI监测SPR波长位移（δλ）。激光调制周期下，分子在环形富集区（半径2.5 μm）结合。
        
     3. 性能优化：测试不同激光开关周期（如60秒/120秒、120秒/300秒等），发现120秒开/300秒关时结合效率最高。
        

3. 数据分析

   • 灵敏度计算：比较OTF与传统被动扩散的δλ-浓度曲线，OTF使灵敏度提升23.6倍（图7b）。
     
   • 实时成像：WSPRI提供2D SPR波长图像，定位分子结合热点（图5b）。
     

四、主要研究结果
1. 热泳力调制的有效性：激光关闭后的瞬态翻转热泳力使δλ增幅达1-2 nm（图5a），显著高于被动扩散（ nm）。
2. 灵敏度突破：OTF在62.5 pM极低浓度下仍可检测，而传统SPR在此浓度下无响应。
3. 机制验证：理论模拟与实验数据一致（图3），显示金膜与溶液温差（ΔT≈5 K）是力翻转的关键。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次将动态热耗散过程用于生物分子操控，提出“时间调制热泳”新范式，为微流控传感提供普适性增强策略。
2. 应用价值：可拓展至其他表面传感平台（如相位型SPR），适用于低丰度生物标志物检测、单分子分析等领域。

六、研究亮点
1. 方法创新：OTF为迄今SPR主动增强方案中最高灵敏度提升（23.6倍）。
2. 技术整合：结合WSPRI实时成像与光热操控，实现多尺度（毫米级对流→纳米级结合）精准调控。
3. 普适性：适用于多数具有正Soret系数（St>0）的生物分子（如抗体、DNA）。

七、其他价值
- 研究揭示了热泳力方向与温度梯度的非线性关系（图3），为纳米尺度热力学研究提供新案例。
- 开源温度场模拟代码（补充材料）可供复现。

报告完整呈现了研究的背景、方法、结果与意义，重点突出了OTF技术的创新性与应用潜力。