光力在生物粒子束縛中的應(yīng)用

1、 光力用于粒子束縛和轉(zhuǎn)移文獻(xiàn)調(diào)研產(chǎn)生光力的原理一般有兩種，一種是利用電場幅值的快速變化，產(chǎn)生較大的梯度，在粒子尺寸范圍內(nèi)，電場幅值有明顯的變化，粒子在電場下產(chǎn)生極化，偶極子兩端受力不同，因而受到力的作用。這種結(jié)構(gòu)經(jīng)常利用漸消波或者散射(匯聚)的光波。另一種是對于能使光束產(chǎn)生較大散射效應(yīng)的粒子，由于動量守恒，吸收光子的動量，沿著光波傳播的方向上發(fā)生運動。這兩種現(xiàn)象是同時出現(xiàn)的。目前常見的也是研究較多的結(jié)構(gòu)是金屬表面等離激元調(diào)控的電磁波對于表面的粒子的束縛和移動的作用，等離激元結(jié)構(gòu)的效率一般比較高，產(chǎn)生的力場比較強(qiáng)，控制也更精確。從方向上看，更多的論文是研究如何提高產(chǎn)生光力的效率，如何能夠更精確的

2、控制粒子的運輸，還有如何能供多點控制和篩選粒子。早期用于粒子束縛的結(jié)構(gòu)比較簡單，從原理上，一般直接利用漸消波所產(chǎn)生的電場幅值快速變化所產(chǎn)生的梯度力實現(xiàn)粒子束縛。1. 實現(xiàn)漸消波的結(jié)構(gòu)是下方的不透明的盤子和中間的兩種介質(zhì)的交界面，下方的擋光盤的尺寸需要滿足的條件是：對于從下方入射的部分光線，在兩種介質(zhì)分界面上的入射角要大于臨界角，這樣傳播到小球的光線將存在匯聚的漸消波。傳播到小球的電場包括兩個分量，一個是沿著表面?zhèn)鞑サ碾妶龇至?，另外一個是漸消的電場分量。傳播的電場分量在匯聚點處產(chǎn)生束縛力，使小球靠近束縛點，漸消的電場分量使小球向著電場更強(qiáng)的方向運動，也就是向下運動，這兩個分量的共同作用可以保證小

3、球穩(wěn)定的束縛。對于小球的束縛可以分成橫向束縛和縱向束縛，或者稱為軸向束縛。軸向束縛對于電場的傳播分量的要求比較高，顯然，當(dāng)擋光板的直徑增大時，傳播分量的比例將減小，漸消波的比例將會增大，而漸消波的束縛作用不足以束縛小球，這樣粒子的束縛將逐漸趨于不穩(wěn)定。但是在橫向方向上并沒有這樣的問題，即使全部的傳播分量都被阻擋，只剩下漸消分量，粒子也可以實現(xiàn)穩(wěn)定的束縛。Gu M, Haumonte J B, Micheau Y, et al. Laser trapping and manipulation under focused evanescent wave illuminationJ. Applied

4、 physics letters, 2004, 84(21): 4236-4238.為了實現(xiàn)離子的束縛，主要目的就是要產(chǎn)生一個穩(wěn)定位置，在這個位置上受力為零，而稍微偏離這個位置的時候，將受到光產(chǎn)生的回復(fù)力，使粒子重新回到穩(wěn)定位置。2. 一種實現(xiàn)粒子束縛的方法是使用一個終端開口的環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的兩個對稱的半圓波導(dǎo)可以產(chǎn)生相對運動的傳到光波，在開口處產(chǎn)生相向運動的快速散射的光場。在這種結(jié)構(gòu)中，粒子的束縛由兩種機(jī)理共同作用產(chǎn)生，首先是波導(dǎo)周圍的漸消波場，漸消波產(chǎn)生梯度電場，因而將粒子向著波導(dǎo)的方向拉動，使處于開口上方或者下方的粒子向著開口的位置移動。開口的兩個波導(dǎo)末端產(chǎn)生快速的散射光場，將粒

5、子向著開口的方向拉動。 仿真圖像如下圖，優(yōu)于制備工藝原因，波導(dǎo)末端呈現(xiàn)圓形，優(yōu)于結(jié)構(gòu)對稱，在仿真中只需要對一半的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，另一半由對稱性可以從仿真結(jié)果來看：強(qiáng)度上，垂直方向的光力大于漸消波長光力，也大于水平方向上的光力。從力場分布來看，水平方向上力場的分布是波動的，波動周期是波長除以折射率。波動的位置與兩個末端處光波的相位差有關(guān)。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)了三個穩(wěn)定點，也就是三個震動穩(wěn)定為零的位置，同時還發(fā)現(xiàn)了兩個鞍點，雖然受力為零，但并不穩(wěn)定。(Grier D G. A revolution in optical manipulationJ. Nature, 2003, 424(6950): 810-

6、816.)3. 另一種比較新穎的利用漸消波形成粒子束縛和移動的方法是利用兩束漸消波形成的駐波。漸消波的傳播方向和漸消方向一般是在垂直的方向上，如果讓兩束相向傳播的漸消波疊加形成駐波，則對于粒子而言，在振幅恒為零的位置上將會形成勢阱。在傳播方向上，將會形成多個勢阱，可以同時束縛多個粒子，可以用于粒子篩選。這種束縛的原理可以從兩個方面解釋，一方面兩束光波分別與粒子作用，需要滿足動量守恒，則粒子將具有傳播方向上的動量。當(dāng)兩束光波振幅和頻率相同的時候，粒子將固定不動。另一方面，在振幅為零的位置上，兩側(cè)振幅逐漸增大，形成電場強(qiáng)度的梯度，也會對粒子產(chǎn)生束縛的作用。在這種結(jié)構(gòu)下，不僅可以實現(xiàn)粒子的束縛，還可

7、以實現(xiàn)粒子的移動。如果調(diào)整兩束光波的相位差值，則振幅為零的位置將會在傳播方向上發(fā)生變化，粒子也就會隨之發(fā)生移動。這種粒子的移動和單梳漸消波產(chǎn)生的粒子移動的原理是不同的。在這種結(jié)構(gòu)下，粒子的移動還會受到熱擾動的影響，可能會在兩個勢阱之間跳動，而對于單束漸消波，熱擾動的影響比較小，但是控制的精度卻低于駐波的控制精度。iler M, imr T, Jon A, et al. Surface delivery of a single nanoparticle under moving evanescent standing-wave illuminationJ. New Journal of Phys

8、ics, 2008, 10(11): 113010. 除過采用漸消波束縛粒子，還有采用匯聚的光線來束縛粒子的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將可以將粒子束縛在光束聚焦的位置。通過產(chǎn)生多個焦點，可以實現(xiàn)多個粒子的束縛。 4. 一束平行的TEM波入射之后分成兩束光波，這兩束光在物鏡的焦平面的中點處匯聚，光線在一邊是匯聚的，在另一邊是散射的。匯聚的一邊，光力的方向向著光線的下游，散射的一邊沿著光線的上游。在早期的光力系統(tǒng)中，通過這種簡單的結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)平面上的光力束縛，但是不能實現(xiàn)三維的束縛。這種結(jié)構(gòu)的束縛點可以通過改變?nèi)肷涔獾姆较騺磉M(jìn)行調(diào)整。目前的趨勢是在多個點上實現(xiàn)粒子束縛。 5. Hansen P等人提出一種C

9、型結(jié)構(gòu)的組合，實現(xiàn)了粒子的束縛和運動。這篇文章的亮點在于：傳統(tǒng)的光力推動粒子移動的原理一般有：利用漸消波推動對于光波有明顯散射作用的較大的粒子，通過改變光波的偏振態(tài)來使粒子圍繞圓柱形物體轉(zhuǎn)動，或者改變粒子的聚焦位置。本篇論文提出使多個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互重疊的力場，改變光束的頻率來加強(qiáng)或者減弱力場，使粒子從一個結(jié)構(gòu)向另一個結(jié)構(gòu)運動。 這種力場相互重疊實現(xiàn)粒子移動需要解決的主要問題是相鄰的兩個結(jié)構(gòu)之間的相互耦合，使相鄰的結(jié)構(gòu)不能獨立工作，本文的解決方法是在金屬基底上設(shè)計納米縫隙，相鄰結(jié)構(gòu)之間的間距大于兩倍趨膚深度，實現(xiàn)相鄰結(jié)構(gòu)的獨立工作。文中設(shè)計了一種C型結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)來束縛粒子，這種C型結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)結(jié)

10、構(gòu)的優(yōu)點在于，功耗較小，效率較高。通過改變C型結(jié)構(gòu)的邊緣寬度，就可以確定這種C型結(jié)構(gòu)的工作頻率。 圖中尺寸稱為特征尺寸。特征尺寸與工作頻率的關(guān)系是：特征尺寸越小，工作頻率越高。當(dāng)光線從表面向上照射時，當(dāng)處于工作頻率時，可以實現(xiàn)粒子的束縛。將多個這樣的結(jié)構(gòu)組合在一起，各個結(jié)構(gòu)在特征尺寸上有區(qū)別，因而工作在不同的頻率下。而各個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力場又相互重合，當(dāng)調(diào)整入射光線的頻率時，各個結(jié)構(gòu)交替產(chǎn)生較強(qiáng)的力場，因而將粒子從一個結(jié)構(gòu)的力場拉向另一個結(jié)構(gòu)的力場中，實現(xiàn)粒子的移動。Hansen P, Zheng Y, Ryan J, et al. Nano-optical conveyor belt, part

11、 I: TheoryJ. Nano letters, 2014, 14(6): 2965-2970.6. Grigorenko A N等人也利用的金屬表面等離激元的原理，所做工作的重點在于提高的光束縛效率，同樣的光頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)的光力束縛作用，并且能實現(xiàn)三維的粒子束縛。通過調(diào)整入射光的照射位置來改變聚焦位置，實現(xiàn)了粒子的束縛和運動。文中描述的主要結(jié)構(gòu)是在玻璃基地上放置金屬納米柱狀諧振對結(jié)構(gòu)，每兩個金屬柱狀結(jié)構(gòu)稱為一對相距200nm，晶格常數(shù)是500nm。通過調(diào)整納米結(jié)構(gòu)的尺寸，可以在其上方形成近場，產(chǎn)生光力束縛。從下方入射的高斯光束照亮一對諧振對，相鄰的諧振對產(chǎn)生的光力場有相互重疊的部分，

12、通過移動入射光的位置，以此照亮不同的諧振對可以實現(xiàn)粒子的移動。通過實驗發(fā)現(xiàn)，處于這結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力場中的粒子，布朗運動被有效抑制，粒子擺脫力場束縛的速度要求較高。Grigorenko A N, Roberts N W, Dickinson M R, et al. Nanometric optical tweezers based on nanostructured substratesJ. Nature Photonics, 2008, 2(6): 365-370.7. 一種更簡單的納米盤狀結(jié)構(gòu)也利用金屬表面等離激元原理來產(chǎn)生光力。亮點在于結(jié)構(gòu)簡單，便于制備?？梢酝ㄟ^調(diào)整入射波長來讓粒子沿著預(yù)設(shè)路

13、徑運動，也可以通過調(diào)整偏振態(tài)實現(xiàn)粒子沿著柱狀結(jié)構(gòu)的邊緣運動。文章提出的納米盤狀結(jié)構(gòu)材料是銀，所研究的束縛對象是以金作為材料的小球。納米盤厚度是35nm，小球直徑30nm。納米盤的直徑不同，所產(chǎn)生的光力場也有所不同，一般的規(guī)律是，納米盤的直徑越大，所對應(yīng)的工作波長越長，圖中給出的一大一小兩個納米盤，較大的納米盤的直徑是150nm，較小的是100nm。入射光線從上方入射，當(dāng)入射光線波長位于775nm時，較大的納米盤產(chǎn)生較強(qiáng)的光力場，而較小的納米盤產(chǎn)生的力 的作用較弱。當(dāng)入射光波長是622nm時，較小的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)的力場。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，不需要嚴(yán)格控制照射范圍。通過改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL就可以讓小球移

14、動。同時還發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整x-y面上的偏振，可以讓小球沿著納米盤的邊緣發(fā)生移動。Grigorenko A N, Roberts N W, Dickinson M R, et al. Nanometric optical tweezers based on nanostructured substratesJ. Nature Photonics, 2008, 2(6): 365-370.8. 另一種采用表面等離激元產(chǎn)生光力場的結(jié)構(gòu)是以金為材料構(gòu)造的蝴蝶結(jié)對結(jié)構(gòu)，示意圖如下： 這種蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)能激發(fā)出較強(qiáng)的局部場，電場梯度較大，相對于傳統(tǒng)的光嵌，這種結(jié)構(gòu)的效率提高了約20倍，能夠?qū)崿F(xiàn)單個粒子分別束縛，

15、多個粒子同時束縛和粒子的篩選。iler M, imr T, Jon A, et al. Surface delivery of a single nanoparticle under moving evanescent standing-wave illuminationJ. New Journal of Physics, 2008, 10(11): 113010.9. Tan Y Y等人設(shè)計了一種上下兩層的金屬薄膜來激發(fā)表面等離子激元，從而加強(qiáng)光力推動粒子運動的作用。在等離子體表面，由于電子的集體運動，可以用諧振來描述這種集體運動，會在表面產(chǎn)生橫向的和徑向的電磁場，這種電磁場表現(xiàn)為一種漸消波

16、的形式，電磁場的強(qiáng)度隨著離表面的距離而增加，因而產(chǎn)生較強(qiáng)的電場梯度，產(chǎn)生比較大的光力。文中采用的是金銀兩層金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)。金的化學(xué)穩(wěn)定性較好，但是不能很好地加強(qiáng)表面電磁波，銀產(chǎn)生的表面漸消波的強(qiáng)度較大，但化學(xué)穩(wěn)定性上不如金，將兩者相結(jié)合，作為兩層結(jié)構(gòu)。這種兩層結(jié)構(gòu)由40nm銀和10nm金構(gòu)成。從試驗中可以看到，其相對于單層金的結(jié)構(gòu)，光力顯著增強(qiáng)，在這種漸消波的作用下，粒子的運動速度加快，大約是7.23m/s。如圖為實驗儀器的結(jié)構(gòu)，光源采用的是1064nm激光器，首先通過一個偏振片和一個棱鏡的匯聚，然后由反射鏡引導(dǎo)進(jìn)入高折射率的玻璃棱鏡。在1064nm光波作用下，棱鏡的折射率是1.77。在玻璃的金屬界面處激發(fā)電磁場，當(dāng)所測試的粒子(聚苯乙烯小球)接近與金屬表面時，就會被漸消波推動而產(chǎn)生運動。在這種結(jié)構(gòu)下，漸消波同樣對粒子有兩種作用，沿著金屬表面的推動力，和向下的拉力，推動力由動量守恒原理原理產(chǎn)生。當(dāng)粒子對電磁波有比較明顯