2026 年 6 月 29 日，南京大学生命分析化学国家重点实验室、化学化工学院及化学和生物医药创新研究院（ChemBIC）Niu Pan、Xinyu Gong、Da Hu、Bo Jiang、Wei Wang 和 Hui Wang 团队的研究论文 In situ elucidating phase transition and differentiated hydrogen-bonding nanoconfinement in single nano-hydrogel 在线发表于《Nano Research》。研究团队构建了局域温控耦合表面等离激元共振成像平台，在单颗粒尺度实时追踪刺激响应型纳米水凝胶的体积相变（volume phase transition，VPT），识别出瞬态中间态，并进一步揭示氢键纳米限域对相变温度、动力学及异质响应的调控作用。

该研究采用 Aresis Tweez 250si 多光阱纳米光镊系统，通过 1064 nm 近红外激光在金膜表面产生局域热场，以可编程功率序列驱动单颗纳米水凝胶经历升温、降温和脉冲热调制；与此同时，680 nm 表面等离激元成像光路以 50 fps 记录颗粒的实时光学响应。二者结合，使研究人员能够在控制局部温度的同时观察单颗粒相变过程，减少体相测量中传热不均与颗粒间相互作用带来的干扰。

设备图｜Aresis Tweez 系列 多光阱光镊系统。 图片来源：艾锐斯科技（北京）有限公司

从体相平均走向单颗粒原位观测

温敏纳米水凝胶的体积相变关系到药物递送、智能驱动和柔性器件等应用，但传统体相表征只能获得大量颗粒的平均响应，容易掩盖单颗粒中短暂的相变中间态。研究团队将 P(NIPAM95-co-AA5) 单颗粒沉积在金膜上，利用 Tweez 250si 的 1064 nm 激光产生局域热场，并以表面等离激元共振成像实时读取颗粒相变信号。

图 1｜单纳米水凝胶热体积相变的原位监测。 (A) 局域加热与等离激元成像平台；(B) 温度调制下的氢键变化；(C-D) 单颗粒相变信号、速率及时间分辨图像。图片取自 Pan et al. 论文 Fig. 1。

捕捉可逆相变中的两阶段中间态

当加热光功率在 20 s 内由 0 升至 47 mW 再降回 0 时，单颗粒信号呈现“先突变、后缓变”的两阶段过程，并在降温后恢复。去溶胀和再溶胀的相变温度分别为 308.0 K 和 306.4 K，显示出热滞后。该中间态与氢键重构、聚合物链塌缩及水分子释放有关，是常规明场显微成像未能分辨的单颗粒动力学细节。

相变温度是内禀属性，动力学却明显不对称

改变温度扫描速率和施加周期方波脉冲后，研究发现扫描速率会影响相变速率，却基本不改变 VPTT，说明其主要由聚合物内部的氢键限域平衡决定。去溶胀响应可低至数十毫秒，明显快于再溶胀；后者需要完成散热和网络重构，时间常数约为 0.09-0.86 s。0.2 s 短脉冲后，颗粒可恢复至原始体积。

图 2｜单颗粒体积相变的热力学与动力学。 (a-b) 不同扫描速率下的相变速率；(c-f) 方波热调制信号及时间常数；(g-h) 脉冲后的恢复过程和中间态。图片取自 Pan et al. 论文 Fig. 2。

pH“编程”氢键限域，改变单颗粒相变响应

水分子交换可驱动氢键限域重组：颗粒失水 2 h 后信号下降，重新置于高湿环境则可快速再水化并恢复。进一步以去离子水和 0.5 M H2SO4 交替处理，单颗粒响应保持良好重复性；在 0.5 M H2SO4 中，其体积跃迁最明显、VPTT 最低，体积膨胀约为初始状态的 1.5 倍。继续提高酸浓度后响应减弱，表明渗透压、羧基质子化、物理交联和水分子扩散之间需要保持适当平衡。

图 3｜pH 调控氢键限域及相变行为。 (a-c) 去离子水与 0.5 M H2SO4 交替处理的相变信号；(d-f) 酸浓度对相变和溶胀平衡的影响；(g-h) 不同溶液中的氢键与聚合物网络。图片取自 Pan et al. 论文 Fig. 4；仅将透明背景合成至白色。

Tweez 250si：构建可编程的单颗粒局域热场

实验使用 Aresis Tweez 250si 多光阱纳米光镊，经 60× 油浸物镜（NA = 1.49）将 1064 nm 近红外光聚焦到金膜，对单颗纳米水凝胶实施局域加热。研究人员通过预设程序精确调节加热光功率，生成三角波扫描和周期方波脉冲，为相变温度测量、动力学分析和循环响应测试提供可重复的热扰动。

在这套平台中，Tweez 250si 的作用是构造时间和空间可控的局域热场；表面等离激元成像承担单颗粒光学检测。沿着“可编程光功率—金膜光热转换—单颗粒局域温控—实时等离激元读出”的实验链条，研究团队实现了热刺激和观测同步进行的原位单实体研究。

研究意义

这项研究把可编程局域光热调制与高灵敏表面等离激元成像结合起来，使纳米水凝胶体积相变能够在单颗粒尺度被连续驱动、实时观察和定量分析。研究不仅分辨出体相平均测量容易掩盖的瞬态中间态和动力学不对称性，也把水分子交换、氢键重构、交联密度和相变热力学联系起来，为理解纳米限域环境中的刺激响应行为提供了实验路径。

论文指出，这一时空可控热场方法可用于关联纳米限域效应与相变温度调制，为刺激响应型纳米材料的设计提供基础，并为柔性纳米电子、精准生物医学等方向的后续器件构建和体外研究提供方法参考。相关应用目前仍属于研究展望，尚需进一步验证。

论文信息

论文标题：In situ elucidating phase transition and differentiated hydrogen-bonding nanoconfinement in single nano-hydrogel

期刊：Nano Research（Research Article，Just Accepted）

在线日期：2026 年 6 月 29 日

DOI：10.26599/NR.2026.94908979

作者：Niu Pan, Xinyu Gong, Da Hu, Bo Jiang, Wei Wang, Hui Wang

通讯作者：Hui Wang

作者单位：南京大学生命分析化学国家重点实验室、化学化工学院、化学和生物医药创新研究院（ChemBIC）

论文中使用的光镊系统：Tweez 250si , Aresis d.o.o./艾锐斯科技（北京）有限公司

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