导读

在显微成像、生物学、微流控和微机器人等领域，如何对微纳尺度物体实现非接触、稳定、可控且不依赖材料和形状的面外旋转，一直是一项重要挑战。尤其是在高黏度微环境中，传统光镊等微操控方法往往效率受限，并且通常要求被操控对象具备特定的光学性质、材料组成或几何结构，限制了其普适应用。

近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）南凡、Moritz Kreysing等人，提出了一种基于光热黏性流的全光微操控策略。研究团队通过在二维平面内快速扫描聚焦红外激光，在高黏度介质中产生三维螺旋热黏性流，从而实现微物体的面外旋转。该方法不仅适用于纳米打印微结构、生物细胞和自组装颗粒团簇，还可驱动完美球形均质微粒旋转，展现出优异的材料和形状普适性。相关研究成果以“Helical opto-thermoviscous flows drive out-of-plane rotation and particle spinning in a highly viscous micro-environment”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

微观物体的精准操控是先进显微成像、细胞生物学、微流控、微机器人和材料组装等领域的关键基础技术。相比于平移操控，微纳尺度下的三维旋转控制更具挑战性；其中，面外旋转涉及使目标姿态偏离观测平面或操控平面的转动自由度，因此对力矩施加方式和姿态稳定性提出了更高要求。

现有微操控方法已在多个场景中展现出重要价值，但在面外旋转方面仍存在各自局限。例如，光镊通常依赖目标物体的光学各向异性、低对称结构或专门设计的结构光场，才能实现有效力矩耦合；声场可产生横向力矩，但可重构性有限，且在尺度进一步减小时操控效率下降；磁操控则要求目标物体具备磁响应特性，并受空间分辨率和尺度化能力限制。这表明，现有方法仍难以同时满足非接触性、稳定性、可重构性和对象普适性等需求。

这一需求在三维显微成像中尤为突出。常规三维显微成像的轴向分辨率通常低于横向分辨率，导致某些结构在单一观察方向下难以被清晰分辨。若能在显微镜下稳定旋转样品，并从多个角度采集图像，则有望突破单视角成像的限制，获得更完整、更高分辨率的三维结构信息。因此，发展一种温和、可重构、无需接触且适用于不同微物体的三维旋转方法，不仅是微纳操控领域的重要目标，也为微操控赋能显微成像提供了新的可能。

图1. 激光诱导三维螺旋热黏性流的产生与单颗粒追踪表征。（a）温和加热的红外激光束在流体样品中快速扫描，诱导产生三维螺旋热黏性流。（b）扫描平面设置在靠近样品腔玻璃表面的位置，由此打破上下对称性并形成显著的三维螺旋流动。（c）单颗粒三维轨迹表明，该流场能够驱动颗粒发生螺旋式阻尼运动，体现出同时包含平面内输运和面外旋转的三维流场特征。

研究亮点

1. 激光二维扫描产生三维螺旋热黏性流

研究团队利用近红外激光束，在充满高黏度介质的样品腔中进行快速二维扫描，通过激光温和加热触发热黏性效应，诱导形成微尺度流场。该方法有别于传统光流体操控：以往方法通常需要先通过光力捕获微结构作为“手柄”，再快速移动该手柄以搅动流体，从而间接实现微操控。相比之下，本文方法无需引入或光学捕获额外手柄，而是直接利用扫描光束调控流体运动，实现对微物体的全光、无接触操控。

通过调控激光扫描的几何形状、方向和时序，研究团队在高黏度环境中构建了三维螺旋流场，使颗粒能够同时发生平面内输运和面外旋转。具体而言，短程、高频的 y 方向扫描诱导出较强的面外环形流动；与此同时，长程、较低频的 x 方向扫描产生与之正交的流动分量。两类流动相互耦合，最终形成三维螺旋流场结构。

图2. 三维螺旋热黏性流实现高黏度环境中的稳定面外旋转和颗粒自旋。（a）通过往返式逐行扫描抑制净横向流动后，颗粒可在稳定横向位置发生面外螺旋阻尼旋转，并在光流体聚焦作用下收敛至特定高度。（b）该方法可实现高通量颗粒聚集，在短时间内形成致密颗粒簇。（c）两个颗粒经历由旋转到接触、结合的演化过程，最终形成稳定自旋的二聚体。（d）通过对荧光微球进行局部光漂白，并记录其荧光强度随时间的周期性变化，验证了完美球形颗粒的稳定自旋；位置统计结果进一步表明，该自旋过程具有良好的空间稳定性。

2. 光流体聚焦实现稳定面外旋转和自旋

研究团队进一步发现了一种光流体聚焦效应：在特定扫描模式下，颗粒的螺旋运动会逐渐收敛到一个确定高度，从而实现更稳定、更可控的三维操控。通过对称性设计扫描路径，研究人员还能够抑制不希望出现的横向漂移，将旋转与平移运动解耦，实现位置稳定的颗粒自旋，位置波动可低于200纳米。

这一发现使热黏性流操控从传统的平面输运扩展到三维体积驱动。研究团队展示了连续旋转、步进旋转、颗粒聚集、二聚体自旋等多种操控模式。尤其值得注意的是，该技术甚至能够驱动完美球形、均质的微粒发生可控旋转。由于这类颗粒缺乏几何不对称性，通常很难通过传统方法实现稳定旋转，因此该结果体现了该方法突出的普适性。

图3. 面外旋转提升生物细胞显微成像效果。（a）热黏性流驱动酵母细胞发生面外旋转，使原本隐藏在成像平面之外的芽体结构得以显露和观察。（b）HCT116细胞的多视角三维显微成像结果。通过热黏性流驱动细胞旋转至更有利的观察方向，原本在单视角共聚焦图像中难以分辨的两个细胞核得以清晰区分；进一步结合多视角图像融合后，三维结构重建效果得到改善，并可在不同轴向观察方向上保留细胞核间隙信息。图中比例尺为5微米。

3. 微旋转赋能多视角三维显微成像

该技术最具潜力的应用之一是显微成像。常规三维光学显微镜的轴向分辨率通常弱于横向分辨率，导致某些精细结构在单一观察方向下容易被模糊、遮挡或难以分辨。通过热黏性流驱动样品发生面外旋转，研究人员可以从不同角度采集图像，并结合多视角图像融合，提高有效三维成像能力。

值得注意的是，该方法所使用的高黏度介质不仅有利于产生稳定的热黏性流，也为三维显微成像提供了关键优势。在高黏度环境中，布朗运动被显著抑制，重力和惯性效应也可近似忽略。因此，当激光扫描关闭后，样品的位置和取向能够在较长时间内保持稳定。

基于这一特性，研究团队采用了 “3D stop-flow microscopy”技术路线，将微操控与三维成像在时间上解耦，并通过交替流程加以结合。该流程可概括为“旋转操控—姿态保持—三维成像”的循环迭代：首先利用热黏性流对单个颗粒或细胞进行旋转和定位；随后关闭激光扫描，使样品在当前姿态下近似静止；最后通过共聚焦显微镜采集包含数十至数百张图像的三维 z-stack，从而获取样品在该姿态下的空间位置与结构信息。通过在不同面外旋转角度下重复三维成像，并对多视角数据进行融合，可获得准各向同性的三维重建结果。

在生物样品实验中，研究团队首先展示了酵母细胞的面外旋转。通过旋转细胞，原本隐藏在成像平面之外的芽体结构得以被观察到。进一步地，研究团队以 HCT116 细胞为对象，验证了步进式面外旋转在多视角三维成像中的应用效果。结果表明，在原始单视角共聚焦数据中难以分辨的两个细胞核，经热黏性流旋转至更有利的观察方向后，其间隙能够被清晰分辨；经过多视角图像融合后，这一结构信息在不同轴向观察方向上均得到有效保留，体现了光学微操控赋能三维显微成像的应用潜力。

总结与展望

本研究提出了一种基于光热黏性流的三维微操控方法。通过在二维平面内快速扫描聚焦激光，研究团队在高黏度介质中构建出三维螺旋热黏性流，实现了微物体的面外旋转、稳定自旋、输运、以及捕获。该方法不依赖特定待操控物体的材料、光学性质或复杂几何结构，可适用于从纳米打印微结构到生物细胞、颗粒团簇和均质球形微粒等多种对象。

这一工作将热黏性流从传统平面输运提升为可通过对称性设计的三维体积驱动，为复杂微环境中的全光微操控提供了新的思路。其在显微成像中的应用表明，受控微旋转能够帮助样品以不同方向接受观察，从而弥补单视角三维成像的不足，并增强生物结构的空间分辨能力。

未来，该策略有望进一步拓展至微纳机器人、微流控组装和高黏度环境中的智能操控等领域。通过将高黏度环境从传统操控中的“障碍”转化为产生稳定三维流场的“优势”，该研究为极端环境下的三维微纳操控提供了新的方法启示。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02303-8