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综述:两次获得诺贝尔物理学奖的光镊技术

时间:2020-04-15 点击量: 430




01

光镊技术的历史沿革


光镊(Optical tweezers),是用物镜下高度汇聚的激光形成的三维梯度势阱俘获、操纵和测量微小颗粒力学特性的光学技术。

因其兼具微纳米颗粒的操纵和测量功能,可以对微纳米颗粒或分子进行皮牛顿量级精度的力的测量,目前在物理学、生物物理学、纳米科学和生命科学有广泛的应用。
 
早在1997年,Steven Chu等科学家在原子捕获和激光冷却技术中发现光捕获现象,并因此获得诺贝尔物理学奖

经过30多年的稳步发展,2018年这一技术再次引起轰动,Arthur Ashkin 因其在“光镊及其在生物系统中的应用”方面的开创性工作而获得了诺贝尔物理学奖

伴随研究的深入和技术的发展,光镊技术的研究范围由最初的微米小球拓展到原子纳米级别,捕获物体的形状由球拓展到棒、片等各种形状,捕获的材料由介质小球拓展到金属小球、碳纳米管、金刚石等形形色色的材料。


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图1. 光镊技术的历史沿革

由于聚焦捕获激光光斑尺寸的衍射极限,传统的光捕获实验在用于纳米级粒子时存在较大的缺陷,从而阻碍了准确的捕获约束。

高的激光功率下,被捕获的样本通常会遭受快速的光学损伤。这些限制使捕获和操作非常小的粒子特别具有挑战性。

随即,基于等离子体衬底的光镊被开发出来,以克服自由空间衍射带来的限制,并增强阱内的局部光强度

等离子体纳米结构的一个主要优点是,通过改变结构的几何形状,可以在大范围的入射激光波长范围内实现电磁场增强

因此,可以利用等离子光镊(POT)进一步研究多种疾病发生的生物学机制。

本文,作者从基本理论出发,综述了基于金属纳米结构的近场光学操纵技术的研究进展,重点介绍了分子技术领域中一些颇具价值的进展,例如对单个生物分子的精确控制。并对纳米操纵技术未来的发展和潜在的应用进行了展望。
 
02

等离子光镊的基本理论


纳米颗粒的有效光学捕获是在接近金属尖端的表面实现的。

具体来说,在激光照明下金属结构表面的自由电子密度可以发生集体振荡,这种振荡被称为等离子体激元

在一定条件下,由于金属结构的几何特征,电荷浓度会产生高度局域化的倏逝场,其强度随远离界面呈指数衰减,从而产生强大的梯度力,能够提高光阱的精度。

这些场由于局部表面等离子体激元而增加了束缚和俘获势的深度,使俘获在纳米体系中更加稳定。

此外,一些使用纳米光子腔的实验,如纳米孔径或光子晶体腔,展示了一种新的捕获机制,称为自诱导反作用(SIBA),其中被捕获的粒子对捕获机制本身具有动态作用

SIBA捕获的一个关键组成部分是,粒子本身通过亚波长空穴改变光传输信号。

SIBA效应的起因是共振对局部折射率变化的敏感性

与其他POT方法相比,SIBA配置的优点是不需要等离子体共振

03

等离子光镊的优点和缺点


近场捕获与远场捕获相比具有显著的优点

对于POT来说,捕获激光功率可以通过SPP模式的电磁增强来降低,这对于实现瑞利区间下的稳定捕获至关重要。

这意味着POT可能应用于加速光化学反应或灵敏的生物实体检测。

激光的衍射极限对光的聚焦大小有一个较低的限制。

通过采用POT结构,被捕获的纳米颗粒的运动被限制在等离子体区域,该区域比激光的衍射限制区域小得多,使得捕获更加稳定

尽管该POT允许通过将光压缩到更小的横截面积来增加局部强度,但一个基本问题是金属纳米结构对激光的吸收所产生的热效应

热对流效应已被证明会改变粒子动力学。

为了抑制光热效应,可以在散热器上制备等离子体纳米结构,并在被照区域内减少等离子体纳米结构的数量

04

常见的等离子纳米结构


等离子体纳米结构因其克服介电结构衍射极限的能力而受到广泛关注,并已被用于操纵纳米粒子。

它们可以在等离子体层和介电层之间的界面提供具有高光学梯度的强亚波长能量约束,使之适合在光通信、光学成像、能量获取、纳米电子学等领域应用。

如图2所示,常见的等离子纳米结构包括,基于金属的POT,基于柱体/天线上的POT纳米结构,基于锥形纳米结构的POT,基于领结纳米结构的POT和基于孔状纳米结构的POT等


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图2. 几种常见的等离子纳米结构



4.1
基于金属的POT
POT实验首次在均匀金介电界面上实现

虽然激光束照射的薄金属层产生了光捕获场,但在金属表面特定位置稳定的光捕获需要一个有限的捕获井,这可以通过金属图形来实现。
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图2.a

如图2.a 所示,Chen制备了周期为1μm的单元点阵,每个单元由4个直径为200nm、厚度为40nm的金纳米圆盘组成,系统研究了聚苯乙烯珠在等离子体增强的二维光学晶格中的俘获行为。

4.2
基于柱体/天线上的POT 
金属纳米颗粒或纳米天线具有集中光的能力,因此可实现尺寸比基于金属圆盘POT结构小几个数量级的光阱。
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图2.b(左),图2.c(右)

如图2.b,利用偶极金纳米天线对大肠杆菌等生物进行了数小时的稳定捕获。

此外,天线POT纳米结构可实现等离子体光学涡流捕获,如图2.c,作者演示了在去离子水中捕获尺寸约300nm荧光聚苯乙烯微球,展示了有效捕获折射率低于周围介质的纳米粒子的能力

4.3
基于锥形纳米结构的POT 
利用角分辨纳米球光刻技术,在玻璃基板上制备了金纳米颗粒阵列,用于在0.5-10kw /cm2激光强度范围内的量子点光学捕获。


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图2.d



如图2.d,近红外激光在808nm被用来激发表面等离子体,使靠近纳米锥体间隙处的电磁场增强

在此基础上,比较了两种掺杂染料的聚苯乙烯纳米球的捕集效率。


一个与捕获激光共振,另一个与非共振。结果表明该POT结构在共振条件下的性能至少比非共振条件下的性能好五倍,从而为有效捕获小分子提供了一种替代方法。