光学显微镜和镊子可以在微观尺度上成像和操纵物体，用于细胞和分子生物学中的应用。然而，光学分辨率受到衍射极限的阻碍，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/光子纳米镜和纳米镊子中的新兴技术旨在实现纳米级分辨率，尽管高折射率材料结构很容易对纳米级生物样本造成机械和光热损害。、
在最近发表在《光学：科学与应用》期刊上的一篇研究论文中，中国纳米光子学研究所Yuchao Li及其同事开发了一种光学显微镜系统，该系统使用活细胞作为微小透镜来成像和操纵小于光波长的物体。
通过将细胞捕获在纤维尖端上，他们展示了亚衍射极限成像和非侵入性设备对纳米物体的操纵。捕获的细胞形成生物放大器，可以在白光显微镜下放大分辨率为100nm的纳米结构。
利用生物放大器，中国科学家们精确地操纵了具有50nm半径的单个纳米颗粒。
该技术为光学成像提供了高精度工具生物纳米材料的传感和组装，没有机械或光热损伤。
操作小物体的光学成像对于医学诊断，生物传感，细胞探索，分子训练和材料组装至关重要。
镊子和显微镜是用于非接触成像和操纵微小样品的标准装置，微小样品的范围从几纳米到几微米。然而，使用该技术在纳米级成像是具有挑战性的，因为光学分辨率被限制在大约一半的照射波长。
在过去的几十年里，科学家们已经取得了近场纳米镜和纳米镊子的巨大进步，以实现纳米分辨率的光学成像。这些成像技术被高折射率无机材料（例如贵金属和用于制造它们的半导体）所障碍，这些材料可在近场成像和操纵过程中机械地损坏生物细胞或组织的样品。
因此，科学家研究了基于电介质微球的更简单的光学成像方案，以克服传统显微镜常见的衍射极限。虽然该技术可行，但这种微球基于人造无机材料，例如二氧化硅（SiO 2），二氧化钛（TiO 2）和钛酸钡（BaTiO 3）。因此，研究人员非常希望开发一种天然生物材料，以构建生物相容性装置，用于纳米级空间分辨率的生物成像，操作和生物放大。
使用配备有CCD相机和×100物镜的常规反射模式显微镜观察样品并记录图像
中国纳米光子学研究所的科学家选择生物细胞取代微球，因为细胞既丰富又与生物系统接触时具有生物相容性。例如，科学家可以使用活细胞来操纵生物环境中的光，并作为光流控微透镜，光学探针，甚至将大肠杆菌作为生物光子波导。
在目前的工作中，中国科学家们通过使用半浸入介质中的球形以实现在亚波长处聚焦来增强活细胞的折射率对比度。
纳米尺寸的光斑施加强的光学梯度力以捕获和操纵单个纳米颗粒，使得生物放大器还能够用作光学纳米镊子。
科学家们在反射模式光学显微镜下进行了所有实验，并与电荷耦合器件（CCD）相机和物镜相连。他们分别使用390 nm，560 nm和808 nm的光源进行激发，照明和俘获。使用具有锥形尖端的光纤。中国科学家将生物放大器困在光纤的末端，通过使用显微操纵器移动光头来控制它。选择光滑和球形细胞以最大限度地减少图像像差，并注意到细胞在半浸入溶液中时表现出更好的聚焦性能以维持细胞活力。
不同生物放大器的实验成像性能
在实验成像过程中，科学家们将一个半浸没式生物放大器放置在测试样品的顶部，并从样品中收集潜在的近场信息，以形成由光学显微镜检测到的虚像。使用多种细胞制备了各种生物放大器，包括细菌，酵母，红细胞和干细胞。对于第一个成像样品，他们使用光泳技术在玻璃基板上使用具有200nm直径的二维六方二氧化硅纳米球阵列。只有在其顶部具有生物放大器的纳米球可以在成像期间被分辨，而没有生物放大器的纳米球不能使用常规显微镜来解析。基于干细胞的生物放大器的放大系数M被确定为3.3倍（x3.3），科学家们发现实验M取决于生物放大器的直径。随后，中国科学家们使用该直径的生物放大器进行所有实验。
亚细胞结构和纳米图案字母的纳米光学成像
为了研究生物放大器的应用，科学家们成像了人上皮细胞，通过经由照明光和反射光的干涉增强的光-物质相互作用，成像目标为反射镜衬底上生长的上皮细胞。
虽然在传统的光学显微镜下难以区分纤维细胞骨架和双层结构，但在将生物放大器定位在上皮细胞上方之后科学家们能够分辨这两种结构。
为了改善成像视野（FOV），他们将生物放大器捕获在光纤尖端上并移动它以扫描样品。使用该设置来扫描代表济南大学（JNU）首字母缩写词的纳米图案字母，这些字母是他们首先使用电子束光刻在硅上创建的。
单个荧光纳米粒子的光学操作
此后，当它们通过物镜同时照射生物放大器上的近红外（IR）和UV激光束时，它们可以捕获并激发纳米颗粒。
对于这些实验，科学家们使用平均半径为50纳米的荧光纳米粒子。
当他们将单个纳米颗粒捕获在生物放大器的焦点中时，他们观察到感兴趣的样品的光学和荧光图像。然后使用标准光学镊子实时计算颗粒的俘获刚度。在没有接触且精确地通过光学器件的情况下操纵单个纳米颗粒的能力将有助于组装良好调节的纳米结构。
采用三维仿真和COMSOL软件对生物放大器的成像机理和捕获刚度进行了数值研究。他们观察到了由光学纳米喷射效应和镜面相干干涉增强组合产生的亚衍射极限光聚焦能力。
与具有均匀折射率的电介质微球相比，该方法的局限性包括由于天然生物放大器的不均匀细胞内结构导致的成像畸变。幸运的是，细胞内材料对可见光和近红外光是光学透明的，并且单个细胞内的光学相互作用相对较弱。细胞内活动还可以改变细胞中的部分折射率分布，从而在诱捕和成像过程中引起光畸变，但大多数细胞内活动是超快的并且不影响成像方案。
通过这种方式，Yuchao Li及其同事开发了一种新的实验成像技术，并通过FEM模拟验证了实验能力。
在单个设备中集成光学纳米显微镜和纳米镊子，在本研究中首次同时成像和操纵纳米结构。他们将该技术的分辨率提升至100纳米，并提出了无标记成像程序。科学家们认为这种生物放大器在超分辨率成像，实时传感和生物纳米材料的精确纳米组装方面具有新的机会。