源于自然之启发，可变焦叶绿体光学微透镜

封面解读：

叶绿体是植物细胞进行光合作用的主要场所，也是地球生命赖以生存的重要细胞器。自然规律决定了叶绿体具有特殊的光场调控能力。暨南大学李宝军教授、李宇超副教授等人发现了活细胞内叶绿体的亚波长聚光特性，通过光力的作用使叶绿体发生可控形变，构建了焦距可调的叶绿体微透镜，为细胞微结构成像和生物信号监测等提供了一种天然的生物兼容的方法。

封面文章| 李姮;陈熙熙;张垚;李宇超;李宝军; 可变焦叶绿体光学微透镜[J].光学学报, 2022, 42 (04):0411003.

1、研究背景

光学微透镜作为一种重要的光学器件，具有小型化、可集成等优点，使其在生物成像、信号探测、微流传感等领域有着广泛的应用。现有的微透镜都需要人工合成，与活体细胞和生物组织不相容。因此，亟需寻找一种天然存在、生物兼容且焦距可调的光学微透镜。

大自然在进化的过程中，一些生物体产生了能够调控光的生物光子学器件，例如球形的蓝藻细胞能够聚焦太阳光提高趋光效应。受大自然的启发，细胞内部是否存在一种天然的、可变焦的光学微透镜？叶绿体是植物细胞内部进行光合作用的主要场所，因此对太阳光具有调控能力，是一种潜在的作为光学微透镜的天然材料（如图1所示）。

图1植物细胞中的叶绿体（图片来自网络）

2、细胞中的光学微透镜

受到大自然中蓝藻细胞聚光的启发，暨南大学纳米光子学研究院李宝军教授、李宇超副教授等人提出和构建了可变焦的叶绿体光学微透镜。他们利用扫描光镊技术对细胞内叶绿体进行捕获和拉伸，然后将可见光通入被捕获的叶绿体中，借助丁达尔效应（也叫丁达尔现象，是指当一束光线透过胶体，从垂直入射光方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”），在叶绿体背光处直接观察到了聚焦光束，焦距可以通过改变叶绿体的形状和尺寸进行实时调整（如图2所示）。

图2 光镊对叶绿体的操控与叶绿体的光聚集能力。(a-b) 光镊移动和拉伸叶绿体示意图。(b-c) 球形叶绿体对波长为637nm和532 nm的光聚焦。

进一步，利用光镊移动叶绿体微透镜对特定的纳米结构如周期光栅、细胞微丝等进行光学成像，实现了200 nm的非标记光学成像分辨率，成像放大倍数为1.6。成像的原理是当叶绿体与成像样品接触时，样品表面的精细结构被叶绿体微透镜放大，包含物体精细结构的倏逝波在叶绿体内转换为传播波，再被光学显微镜接收进行二次放大，最终在远场形成清晰放大的图像。

除了对样品进行成像，叶绿体的聚焦特性还被应用于量子点的荧光增强。利用光镊将叶绿体微透镜移动到量子点上方，将激发光通入叶绿体中，经过叶绿体聚焦后产生亚波长尺寸的局域光场，使激发光的强度得到增强，从而提高荧光的激发效率。进一步，叶绿体充当一个收集物镜，增大了荧光信号的收集角，提高了荧光的收集效率（如图3所示）。

图3 叶绿体微透镜的成像和探测。(a-c) 叶绿体微透镜对纳米光栅与细胞微丝的光学成像。(d-f) 叶绿体微透镜对量子点团簇的荧光增强。

3、展望

该研究工作发现了细胞内叶绿体的聚光特性，构建了可变焦的叶绿体光学微透镜，并应用于亚波长结构成像和量子点荧光信号增强。研究成果在监测细胞内部的动态过程和生理活动等方面展现出潜力。此外，叶绿体微透镜的研究思路，还可以拓展到其他的天然生物材料，例如球形细胞器、脂质液滴等，为单细胞成像和探测提供了新的思路和方法。