大阪公立大学LAC-SYS研究所的林康太特任助教、饭田琢也教授、床波志保教授等人研发出了一款在光纤端面覆盖金属纳米薄膜的光纤型光浓缩模块，通过在任意位置生成气泡并借助三维高速对流，仅需1分钟激光照射，即可高效集聚1万个细菌及纳米/微米级荧光聚苯乙烯粒子。该技术成本低廉且易于阵列化，不仅可应用于微生物检测及生物分子检测技术，还能助力核酸、蛋白质等多种生物样本的前处理技术的高通量化。相关研究成果已发表在期刊《Communications Physics》（DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-025-02480-9）上。
图1 (a)本研究开发的光纤型模块实现光浓缩的三维示意图；(b)垂直于基板的截面图；(c)水平截面图；(d)采用既往平坦基板的光浓缩法；光纤型光浓缩处理后的(e)光学透射图像，以及(f)荧光图像（使用纳米/微米级荧光聚苯乙烯粒子）。（供图：大阪公立大学）
近年来，各类生物分析技术的研发不断取得进展，但稀薄样本的浓缩则是高灵敏度检测的一大难题。研究团队此前已开发出了一种利用激光照射金属纳米结构产生的热对流（光诱导对流）与气泡，可在数分钟内完成各类生物物质的集聚与检测的光浓缩技术。具体而言，团队先后开发出了具有微米级周期性结构的蜂窝基板、类气泡基板，以及具有纳米级多孔结构的纳米碗状基板等，并报告了该类基板能以80%以上的高存活率集聚细菌，且可在不损伤蛋白质的前提下加速抗原抗体反应。然而，即便采用这些方法，细菌的聚合效率最高也仅为百分之几，浓缩效率亟待提升。此外，在基板上生成气泡时，基板的存在会导致所驱动的对流流速降低，进而对分散质的可输运范围、方向与速度形成限制，这已成为提升聚合效率的瓶颈。
此次研发的光纤型光浓缩模块，是在光纤端面形成金属纳米薄膜。将该模块插入样本内的任意位置，再向光纤中导入近红外激光后，光纤端面的金属纳米结构会作为热源发挥作用，通过其产生的气泡与对流，即可在光纤端面实现光浓缩。由此，成功以10%以上的高聚合效率实现了分散质的集聚。
仅需通过光纤型光浓缩模块进行1分钟激光照射，即可从20微升微量液体样本中的约9万个微米粒子（直径1μm）里，通过光浓缩完成1万个粒子的集聚，针对大肠杆菌也取得了相同的结果。无论哪种情况，都成功以最高10%左右的聚合效率在光纤端面实现了集聚；理论计算结果显示，该技术可检测出液体样本中低至10个的细菌。
研究人员将该光纤型光浓缩模块插入含微米粒子的分散液中，在远离基板的液体内任意位置生成气泡，成功实现了粒子的集聚。此时的浓缩倍数较使用平坦金纳米薄膜的既往方法提升了约30倍。
为了探明如此高浓缩倍数背后的物理因素，研究团队开展了理论解析。结果阐明，光浓缩时产生的对流，是以每秒数毫米的高速从气泡周围的全三维方向向光纤端面汇聚。研究团队认为，正是这种三维高速对流，实现了二维光浓缩基板无法达成的10%以上的高聚合效率。此外，通过改变光纤型光浓缩模块的插入位置，该技术还能够探明液滴表面这类气液界面，以及基板与光浓缩槽表面这类固液界面对光浓缩产生的影响。在本次研究中，研究团队也通过将光纤型光浓缩模块配置于基板上，成功驱动了以往无法实现的平行于基板方向的对流，不仅发现了粒子在气泡周围的集聚，还发现了粒子在光纤模块周围的集聚以及向远离热源方向运动等新现象。
本次开发的系统因易于实现阵列化，未来有望在小型且短时间的多样本检测中，实现前处理技术的超高通量化。值得关注的是，本次研发的光纤型光浓缩模块仅需插入样本，即可完成液体中微生物与生物分子的浓缩，因此可省去既往高性能光浓缩系统必需的大型光学系统，同时将观察用光学系统小型化，有望实现现场环境下食品、饮品中微生物与环境有害微粒子的数分钟简便检测。同时，基于该模块既可在光纤端面上修饰抗体或适配体，通过对细菌的选择性集聚完成菌种鉴定；也可回收集聚后的细菌与生物分子，再使用质谱系统、新一代测序仪（NGS）等尖端分析技术开展详细解析。
此外，除了细胞、细菌、病毒，该技术还可应用于细胞外囊泡（EV）这类生物纳米粒子，还有包含蛋白质、基因等疾病标志物在内的各类生物分子标志物；将本研究成果与微孔板结合实现的高通量多样本同步检测同样备受期待。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Physics
论文：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
