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光镊上的“镊子”

发布:HPLlaser    |    2019-10-09 20:03    阅读:184
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由印度科学研究所(IIS)的研究人员最新在二氧化硅微棒的末端使用金属纳米盘来制造可移动的等离子镊子,该镊子能够捕获和操纵光中的亚波长粒子。

获诺贝尔奖的光镊技术在捕获和操纵光场下的小型物体(包括生物细胞)方面取得了许多成功。但是,即使是光镊也有其局限性。传统的光镊受到衍射极限的限制,因此很难捕获亚波长尺寸的物体,例如病毒和胶体纳米粒子。而且,在布朗运动的中将纳米级颗粒固定在适当位置所需的高光焦度可能会损坏样品。一种解决方案是选择等离子镊子,即能够在亚波长范围内聚集光能,从而捕获远低于衍射极限的粒子的纳米级金属结构。然而,等离子镊子有其自身的问题。特别是当进行繁重工作时,等离子体集中器通常固定在特定位置。这使得很难在诸如动态捕捉和操纵流体中的纳米级物体的应用中使用它们。

印度科学研究所(IIS)的一个研究小组现在已经找到了解决该问题的方案。该小组的“镊子钳”结构将金属纳米盘放置在玻璃微棒的末端,从而制造了一种可移动的,可捕捉纳米粒子的等离子镊子,可以通过常规的光学镊子将其操纵到位。研究人员认为,该方案可以在标准的单芯片实验室微流体设备中处理和组装纳米材料中找到应用。

等离激元带来的问题

原则上,等离子镊子的工作原理与传统的光学镊子相同,它们利用强光场所建立的梯度力来捕获颗粒。但是,由金属等离激元纳米结构制成的镊子比传统的镊子在长度尺度上要小得多,约为几十纳米,这是因为纳米结构的金属-介电界面处存在强的,亚波长的集中以及电磁能的限制。相同的光密度意味着,等离子镊子可用于以比常规镊子低得多的总光学强度来捕获纳米颗粒,这减少了对微小生物样本(如病毒)造成光损坏的可能性。

不幸的是,用于制造等离激元纳米镊子的金属结构通常是固定的,被制造在流体腔室的表面上。从本质上讲,这意味着等离子镊子需要等待流体中的病毒或胶体纳米颗粒进入,这限制了它们对流体中的颗粒进行动态操纵的用途。

一些研究人员试图通过使用光学镊子来捕获和移动金属纳米颗粒(例如银盘)来解决这个问题,这些金属纳米颗粒本身就可以充当移动等离子镊子,以捕获更小的样本。然而,在这些较小的长度尺度上,圆盘受到布朗运动的阻碍,布朗运动是由于与周围流体中的分子碰撞而引起的随机波动。在这些波动中,使用传统的镊子将光盘固定在适当的位置需要很高的光学强度,这可能会损坏样品。

棒状等离子镊子上端结合圆盘结构。上图:研究人员在晶片基板上生长了一系列二氧化硅纳米柱;比例尺= 500 nm。下图:单个活性胶体纳米镊子(ACT)颗粒的TEM图像,包括二氧化硅微棒和银纳米盘;比例尺= 300 nm。

为了克服这些挑战,IIS团队的学生Souvik Ghosh和负责人Ambarish Ghosh想到了将金属纳米磁盘连接到更重的介电微棒末端的想法。微棒可以对于承受布朗波动的影响是足够大的,但相对来说足够小,小到可以使用强度相对较低的常规光镊进行操纵。同时,金属纳米盘将充当玻璃棒末端的等离子镊子,集中相同的低强度光能,以产生能够捕获亚波长尺度纳米粒子的强近场。

IIS研究人员创建了一个用于测试该方案的平台,该方案首先使用胶体光刻和反应离子刻蚀在硅晶片基板上以约2.5μm的密度创建硅纳米柱森林,每个纳米柱长约2.5μm,直径约250 nm。每平方厘米1亿个纳米柱。然后,他们在纳米柱的顶部沉积了厚度为50 nm的银,从而形成了细长的玻璃棒,上面盖有250×50 nm的银盘。最终,他们将纳米柱状森林浸入到液体中,并利用声波将其从晶圆上分离下来。

低强度的纳米阱捕获

利用由此产生的金属封闭的微棒解决方案(该团队称为有源胶体镊子(ACTs)),Ghosh和Ghosh在镊子设置中对系统进行了测试,该镊子设置包括1064 nm激光源与倒置光学显微镜以及一个100倍,1.4 NA的物镜他们能够证明捕获和释放100纳米直径的荧光纳米金刚石,以及捕获,操纵和释放200纳米荧光聚苯乙烯纳米球。移动镊子的玻璃-金属混合结构允许以比以前使用镊子单独处理金属纳米粒子的研究低一到两个数量级的光功率进行粒子的处理。在更严格的配置下,该团队能够使用ACT抓住直径仅为40 nm的更小的聚苯乙烯纳米颗粒。

运输潜力

该团队除了具有在低光焦度下捕获和操纵低于衍射极限的纳米粒子的能力外,还在论文中观察到,该系统允许仅使用光能在标准微流体室内主动操纵此类粒子。研究小组认为,这些属性表明,ACTs“可以在标准的芯片实验室平台中使用光镊子进行遥控操作,以捕获和操纵亚波长胶体载体”。

该小组总结说,这项技术“可以实现纳米材料(例如纳米晶体,荧光纳米金刚石和量子点)的分离,操纵和芯片级组装,并允许对细菌,病毒和各种大分子等易碎生物样本进行无创操纵。 ”

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