光學顯微鏡和鑷子可以在微觀尺度上成像和操縱物體，用於細胞和分子生物學中的應用。然而，光學解析度受到衍射極限的阻礙，因此顯微鏡和鑷子都不能直接成像和操縱納米物體。等離子體/光子納米鏡和納米鑷子中的新興技術旨在實現納米級解析度，儘管高折射率材料結構很容易對納米級生物樣本造成機械和光熱損害。、
在最近發表在《光學：科學與應用》期刊上的一篇研究論文中，中國納米光子學研究所Yuchao Li及其同事開發了一種光學顯微鏡系統，該系統使用活細胞作為微小透鏡來成像和操縱小於光波長的物體。
通過將細胞捕獲在纖維尖端上，他們展示了亞衍射極限成像和非侵入性設備對納米物體的操縱。捕獲的細胞形成生物放大器，可以在白光顯微鏡下放大解析度為100nm的納米結構。
利用生物放大器，中國科學家們精確地操縱了具有50nm半徑的單個納米顆粒。
該技術為光學成像提供了高精度工具生物納米材料的傳感和組裝，沒有機械或光熱損傷。
操作小物體的光學成像對於醫學診斷，生物傳感，細胞探索，分子訓練和材料組裝至關重要。
鑷子和顯微鏡是用於非接觸成像和操縱微小樣品的標準裝置，微小樣品的範圍從幾納米到幾微米。然而，使用該技術在納米級成像是具有挑戰性的，因為光學解析度被限制在大約一半的照射波長。
在過去的幾十年里，科學家們已經取得了近場納米鏡和納米鑷子的巨大進步，以實現納米解析度的光學成像。這些成像技術被高折射率無機材料（例如貴金屬和用於製造它們的半導體）所障礙，這些材料可在近場成像和操縱過程中機械地損壞生物細胞或組織的樣品。
因此，科學家研究了基於電介質微球的更簡單的光學成像方案，以克服傳統顯微鏡常見的衍射極限。雖然該技術可行，但這種微球基於人造無機材料，例如二氧化矽（SiO 2），二氧化鈦（TiO 2）和鈦酸鋇（BaTiO 3）。因此，研究人員非常希望開發一種天然生物材料，以構建生物相容性裝置，用於納米級空間解析度的生物成像，操作和生物放大。
使用配備有CCD相機和×100物鏡的常規反射模式顯微鏡觀察樣品並記錄圖像
中國納米光子學研究所的科學家選擇生物細胞取代微球，因為細胞既豐富又與生物系統接觸時具有生物相容性。例如，科學家可以使用活細胞來操縱生物環境中的光，並作為光流控微透鏡，光學探針，甚至將大腸桿菌作為生物光子波導。
在目前的工作中，中國科學家們通過使用半浸入介質中的球形以實現在亞波長處聚焦來增強活細胞的折射率對比度。
納米尺寸的光斑施加強的光學梯度力以捕獲和操縱單個納米顆粒，使得生物放大器還能夠用作光學納米鑷子。
科學家們在反射模式光學顯微鏡下進行了所有實驗，並與電荷耦合器件（CCD）相機和物鏡相連。他們分別使用390 nm，560 nm和808 nm的光源進行激發，照明和俘獲。使用具有錐形尖端的光纖。中國科學家將生物放大器困在光纖的末端，通過使用顯微操縱器移動光頭來控制它。選擇光滑和球形細胞以最大限度地減少圖像像差，並注意到細胞在半浸入溶液中時表現出更好的聚焦性能以維持細胞活力。
不同生物放大器的實驗成像性能
在實驗成像過程中，科學家們將一個半浸沒式生物放大器放置在測試樣品的頂部，並從樣品中收集潛在的近場信息，以形成由光學顯微鏡檢測到的虛像。使用多種細胞製備了各種生物放大器，包括細菌，酵母，紅細胞和幹細胞。對於第一個成像樣品，他們使用光泳技術在玻璃基板上使用具有200nm直徑的二維六方二氧化矽納米球陣列。只有在其頂部具有生物放大器的納米球可以在成像期間被分辨，而沒有生物放大器的納米球不能使用常規顯微鏡來解析。基於幹細胞的生物放大器的放大係數M被確定為3.3倍（x3.3），科學家們發現實驗M取決於生物放大器的直徑。隨後，中國科學家們使用該直徑的生物放大器進行所有實驗。
亞細胞結構和納米圖案字母的納米光學成像
為了研究生物放大器的應用，科學家們成像了人上皮細胞，通過經由照明光和反射光的干涉增強的光-物質相互作用，成像目標為反射鏡襯底上生長的上皮細胞。
雖然在傳統的光學顯微鏡下難以區分纖維細胞骨架和雙層結構，但在將生物放大器定位在上皮細胞上方之後科學家們能夠分辨這兩種結構。
為了改善成像視野（FOV），他們將生物放大器捕獲在光纖尖端上並移動它以掃描樣品。使用該設置來掃描代表濟南大學（JNU）首字母縮寫詞的納米圖案字母，這些字母是他們首先使用電子束光刻在矽上創建的。
單個螢光納米粒子的光學操作
此後，當它們通過物鏡同時照射生物放大器上的近紅外（IR）和UV雷射束時，它們可以捕獲並激發納米顆粒。
對於這些實驗，科學家們使用平均半徑為50納米的螢光納米粒子。
當他們將單個納米顆粒捕獲在生物放大器的焦點中時，他們觀察到感興趣的樣品的光學和螢光圖像。然後使用標準光學鑷子實時計算顆粒的俘獲剛度。在沒有接觸且精確地通過光學器件的情況下操縱單個納米顆粒的能力將有助於組裝良好調節的納米結構。
採用三維仿真和COMSOL軟體對生物放大器的成像機理和捕獲剛度進行了數值研究。他們觀察到了由光學納米噴射效應和鏡面相干干涉增強組合產生的亞衍射極限光聚焦能力。
與具有均勻折射率的電介質微球相比，該方法的局限性包括由於天然生物放大器的不均勻細胞內結構導致的成像畸變。幸運的是，細胞內材料對可見光和近紅外光是光學透明的，並且單個細胞內的光學相互作用相對較弱。細胞內活動還可以改變細胞中的部分折射率分布，從而在誘捕和成像過程中引起光畸變，但大多數細胞內活動是超快的並且不影響成像方案。
通過這種方式，Yuchao Li及其同事開發了一種新的實驗成像技術，並通過FEM模擬驗證了實驗能力。
在單個設備中集成光學納米顯微鏡和納米鑷子，在本研究中首次同時成像和操縱納米結構。他們將該技術的解析度提升至100納米，並提出了無標記成像程序。科學家們認為這種生物放大器在超解析度成像，實時傳感和生物納米材料的精確納米組裝方面具有新的機會。