近場光鑷技術利用近場探針或全內反射形成的隱失場來捕獲和操縱納米尺度的微粒,不僅能在單分子捕獲和探測上發揮重要的作用,還可以與近場拉曼光譜技術結合產生新的套用。在當今整個納米研究領域強調器件的小型化、集成化的趨勢中,近場光鑷較遠場光鑷更容易集成在納米器件當中,從而使器件具備納米量級操縱的功能。目前,近場光鑷技術還存在很多問題,例如主動發現並定位納米顆粒位置的技術還不夠成熟,如何判別單個納米微粒是否被捕獲也是值得深入研究的問題。隨著理論研究的深入和找尋、定位技術的發展完備,近場光鑷技術將在納米操縱領域中發揮更加重要的作用。
基本介紹
- 中文名：近場光鑷
- 外文名：Near-fieldopticaltweezers
近場光鑷的基本原理,近場光鑷技術的研究進展,近場光鑷的潛在套用,
1986年,A.Ashkin成功地利用顯微物鏡聚焦後的雷射束對微米尺寸的玻璃球進行捕獲和三維操縱。與傳統機械接觸式方法相比,這種基於光輻射壓力原理的光鑷操縱技術具有無接觸、無損傷等優點。在其後的20年間這一技術得到廣泛的套用和發展,派生出透鏡光纖光鑷、微透鏡陣列光鑷、全息陣列光鑷等可以套用於某些特殊領域的遠場光鑷技術,並成為生物醫學、化學、物理學、光譜學、微細加工等眾多學科領域中的研究工具。與此同時,科學研究也從巨觀領域深入到介觀領域,尤其是隨著生物醫學的發展,單分子水平上的捕獲與操縱變得尤為重要。例如,對DNA分子的切割和拉伸等操作都要求捕獲和操縱的空間精度到納米量級。遠場光鑷技術通常難以直接對單個納米量級的生物分子進行捕獲和操縱,而近場光鑷因為其捕獲範圍的高度局域性,可以做到這一點,從而成為單分子水平操縱的有力工具之一。
近場光鑷的基本原理
近場光鑷中的隱失場在與微粒相互作用的過程中將轉化為傳播場,光子動量發生改變,同時引起微粒動量改變,從而對微粒產生衝力作用。力的大小與隱失場場強梯度的平方成正比。近場光鑷中強度劇烈衰減的隱失場局域在發生全反射的界面和納米孔徑周圍的區域內,對其中的物體產生一個指向界面或孔徑的梯度力,並由此產生近場捕獲。這一點與遠場光鑷通過對入射光會聚並在焦點處捕獲微粒有明顯的區別,因而具有獨特的優勢:
1)遠場光鑷中的背景光不利於觀察單分子的運動狀態,而近場光鑷的作用局域範圍非常小,可以減弱甚至消除這種影響;2)不會產生遠場光鑷中難以克服的熱效應問題,有利於保持生物有機分子的穩定性;3)有利於納米光學器件向小型化和集成化的方向發展。
1)遠場光鑷中的背景光不利於觀察單分子的運動狀態,而近場光鑷的作用局域範圍非常小,可以減弱甚至消除這種影響;2)不會產生遠場光鑷中難以克服的熱效應問題,有利於保持生物有機分子的穩定性;3)有利於納米光學器件向小型化和集成化的方向發展。
近場光鑷技術的研究進展
自1997年近場光捕獲納米尺度微粒的構想提出以來,近場光鑷的發展已經有10年的歷史,這其中既有理論模型也有實驗方面的進展。理論上圍繞雷射照射無孔徑的金屬探針和納米孔徑通光這兩種基本模型發展出若干種近場捕獲的理論模型。1997年L.Novotny提出利用雷射照射納米尺寸的金針尖產生增強的隱失場來捕獲納米尺寸微粒的想法。他利用多重偶極子(MMP)的方法模擬了波長810nm的雷射照射尖端曲率半徑5nm的金針尖時激發的近場光的分布,通過對探針和微粒組成的系統的麥克斯韋應力張量在空間上進行積分來計算微粒所受到的近場光的作用力,計算結果表明其作用力足夠大,可以實現對納米微粒的捕獲。雷射照射到金屬針尖會在其表面產生增強的隱失場,增強效果可以達到幾十倍甚至上千倍。根據數值模擬結果,L.Novotny發現這種增強效果和入射光的偏振狀態、金屬探針的金屬類別有很大的關係。對於入射光偏振方向沿著金屬針尖的情況來說,增強效果非常明顯,可以達到3000倍,而對於偏振方向垂直於金屬針尖的入射光來說,其增強效果極其有限。此外,鎢和鉑的針尖增強效果不太明顯,而電介質針尖的激發場相比入射場來說還要弱。L.Novotny指出利用這種無孔徑金屬探針捕獲納米微粒有如下優點:高度局域的近場光可以減小捕獲空間;增強效果產生的大的梯度場有利於獲得更大的捕獲力;增強效果的存在可以使所需的入射光強減小從而有利於減少輻射熱量對捕獲微粒造成的損害。
與此類似,P.C.Chaumet等人利用雙重偶極子(CoupleDipole)方法建立了利用金屬鎢針尖操縱置於真空或空氣中玻璃基底上的納米尺寸玻璃球的模型。波長為514.5nm的雷射從玻璃基底入射,在玻璃基底上表面形成隱失場,所使用的鎢針和玻璃球的半徑均為10nm。玻璃球主要受三種力的作用:1)玻璃基底上衰減的隱失場對球產生的沿負Z軸方向的梯度力;2)針尖對球的作用力;3)針尖激發的電磁場經基底反射後對球的作用。其中第3種情況下產生的作用力相比於前兩種來說比較弱,在分析玻璃球受力時可以忽略不計。當入射光為TM偏振時,針尖對球產生的作用力沿Z軸正方向,而當TE偏振入射時,針尖對球的作用力沿Z軸負向。並且在一定的距離內,TM偏振下針尖產生的力大於玻璃基底上的隱失場對微粒的作用力。通過改變入射光的偏振狀態,可以達到有選擇地捕獲微粒的效果,即將入射光置於TE偏振狀態,此時將針尖在玻璃基底上進行掃描,當掃描到需要捕獲的微粒時,將入射光的偏振狀態改為TM模式,逼近針尖至某一範圍,此時針尖的作用力大於全反射產生的隱失場對微粒的作用,實現捕獲。這一模型與L.Novotny建立的模型主要有三點不同:1)所用金屬材質不一樣,此處所用為鎢針尖,後者主要利用的是金針尖;2)所處介質不同,這裡是處在真空或者空氣中的,而後者主要是處在水溶液中;3)光照的對象不同,該模型中,雷射從玻璃基底下表面入射在上表面形成全反射,產生隱失場,而後者中,雷射是直接照射在金屬針尖上通過改變偏振方向獲得不同的增強效果。此外,P.C.Chaumet計算發現雷射入射角越接近臨界角時,玻璃球越易被捕獲,當入射角增大時,捕獲力逐漸減弱。同時入射光波長越大,也越容易捕獲。
目前,關於金屬無孔徑探針捕獲微粒的理論研究還需進一步深入。例如在P.C.Chaumet的模型中採用的是兩束相向傳播的平行光,如果採用會聚光束入射產生隱失場獲得的捕獲效果則有可能不同。另外L.Novotny的模型中主要考慮的是重力、捕獲力,並未考慮在溶液中對微粒運動狀態影響較大的布朗力。光通過納米孔徑也可以產生隱失場,從而可以對微粒進行捕獲。基於納米孔徑通光也發展出了一系列的理論模型,例如孔徑探針、平面小孔以及金屬膜層上的納米通光孔徑等。M.Tanaka於1998年提出孔徑探針捕獲納米微粒的模型。他利用邊界元素方法(BoundaryElementMethod)仿真計算了通光的孔徑探針對納米微粒作用力的大小。結果表明鍍膜的孔徑探針對微粒的吸引力要小於非鍍膜探針的吸引力,這可能是因為鍍膜探針的出射光場強度較弱,形成的隱失場梯度較小的緣故。與金屬無孔徑探針類似,入射光的偏振狀態決定了隱失場對微粒吸引力的大小和方向。
張國平等提出可以將錐形光纖探針裝置在掃描近場光學顯微鏡(SNOM)系統上對納米微粒進行捕獲,並利用多重偶極子方法進行理論計算。這種方法的好處是:1)光學系統大大簡化;2)耦合效率比較高;3)把光纖探針裝置在SNOM上可以實現對被捕獲微粒的精確移動。王克逸等也進行了納米通光孔徑捕獲的模型計算。他們在一個理想平面上開上直徑為67nm的小孔,選用波長為670nm的雷射照射,分析了小孔出射光場的分布,計算得出重力<輻射力<梯度力,從理論上證明了捕獲納米微粒的可能性。仿真結果表明梯度力的影響範圍在以小孔中心為球心的孔徑半徑的範圍內。他們模型中的微粒要遠小於孔徑的大小,因此在此基礎上還可以對較大尺寸微粒以及不同孔徑形狀的模型中的微粒的受力進行計算。
與此類似,P.C.Chaumet等人利用雙重偶極子(CoupleDipole)方法建立了利用金屬鎢針尖操縱置於真空或空氣中玻璃基底上的納米尺寸玻璃球的模型。波長為514.5nm的雷射從玻璃基底入射,在玻璃基底上表面形成隱失場,所使用的鎢針和玻璃球的半徑均為10nm。玻璃球主要受三種力的作用:1)玻璃基底上衰減的隱失場對球產生的沿負Z軸方向的梯度力;2)針尖對球的作用力;3)針尖激發的電磁場經基底反射後對球的作用。其中第3種情況下產生的作用力相比於前兩種來說比較弱,在分析玻璃球受力時可以忽略不計。當入射光為TM偏振時,針尖對球產生的作用力沿Z軸正方向,而當TE偏振入射時,針尖對球的作用力沿Z軸負向。並且在一定的距離內,TM偏振下針尖產生的力大於玻璃基底上的隱失場對微粒的作用力。通過改變入射光的偏振狀態,可以達到有選擇地捕獲微粒的效果,即將入射光置於TE偏振狀態,此時將針尖在玻璃基底上進行掃描,當掃描到需要捕獲的微粒時,將入射光的偏振狀態改為TM模式,逼近針尖至某一範圍,此時針尖的作用力大於全反射產生的隱失場對微粒的作用,實現捕獲。這一模型與L.Novotny建立的模型主要有三點不同:1)所用金屬材質不一樣,此處所用為鎢針尖,後者主要利用的是金針尖;2)所處介質不同,這裡是處在真空或者空氣中的,而後者主要是處在水溶液中;3)光照的對象不同,該模型中,雷射從玻璃基底下表面入射在上表面形成全反射,產生隱失場,而後者中,雷射是直接照射在金屬針尖上通過改變偏振方向獲得不同的增強效果。此外,P.C.Chaumet計算發現雷射入射角越接近臨界角時,玻璃球越易被捕獲,當入射角增大時,捕獲力逐漸減弱。同時入射光波長越大,也越容易捕獲。
目前,關於金屬無孔徑探針捕獲微粒的理論研究還需進一步深入。例如在P.C.Chaumet的模型中採用的是兩束相向傳播的平行光,如果採用會聚光束入射產生隱失場獲得的捕獲效果則有可能不同。另外L.Novotny的模型中主要考慮的是重力、捕獲力,並未考慮在溶液中對微粒運動狀態影響較大的布朗力。光通過納米孔徑也可以產生隱失場,從而可以對微粒進行捕獲。基於納米孔徑通光也發展出了一系列的理論模型,例如孔徑探針、平面小孔以及金屬膜層上的納米通光孔徑等。M.Tanaka於1998年提出孔徑探針捕獲納米微粒的模型。他利用邊界元素方法(BoundaryElementMethod)仿真計算了通光的孔徑探針對納米微粒作用力的大小。結果表明鍍膜的孔徑探針對微粒的吸引力要小於非鍍膜探針的吸引力,這可能是因為鍍膜探針的出射光場強度較弱,形成的隱失場梯度較小的緣故。與金屬無孔徑探針類似,入射光的偏振狀態決定了隱失場對微粒吸引力的大小和方向。
張國平等提出可以將錐形光纖探針裝置在掃描近場光學顯微鏡(SNOM)系統上對納米微粒進行捕獲,並利用多重偶極子方法進行理論計算。這種方法的好處是:1)光學系統大大簡化;2)耦合效率比較高;3)把光纖探針裝置在SNOM上可以實現對被捕獲微粒的精確移動。王克逸等也進行了納米通光孔徑捕獲的模型計算。他們在一個理想平面上開上直徑為67nm的小孔,選用波長為670nm的雷射照射,分析了小孔出射光場的分布,計算得出重力<輻射力<梯度力,從理論上證明了捕獲納米微粒的可能性。仿真結果表明梯度力的影響範圍在以小孔中心為球心的孔徑半徑的範圍內。他們模型中的微粒要遠小於孔徑的大小,因此在此基礎上還可以對較大尺寸微粒以及不同孔徑形狀的模型中的微粒的受力進行計算。
1999年S.Kawata等提出了利用雷射照射金屬膜層上納米孔徑對微粒實現捕獲的模型。在玻璃基底上鍍上l/5的金屬膜層(l為入射雷射波長),在其上開一個l/4直徑的小孔,玻璃球的直徑為l/2。利用時域有限差分法(FDTD)比較了重力、布朗力和梯度力的大小。可以看到梯度力要比重力和布朗力的合力還要大,因此可以實現微粒捕獲。理論分析表明無論是金屬探針還是納米通光孔徑都可以對納米尺寸的微粒實現捕獲,但近場光鑷的理論發展多以建立模型進行理論計算為主,而較少涉及對近場光與微粒相互作用機理的解釋和分析。造成這一現象的主要原因是近場光學理論的發展還不夠完善。此外,所建立的模型均比較理想化,沒有更多考慮實際中可能遇到的諸如定位、觀察等問題,在入射光的波長、孔徑的形狀和大小對捕獲效果的影響方面還有很多值得探索的地方
近場光鑷的實驗發展不如理論發展的系統和深入,通常是利用全內反射或者納米孔徑通光產生隱失場來對微粒進行捕獲。2004年,Eun-SooKwak等利用雷射照射金屬膜層上納米尺寸小孔,在孔的另一端產生迅速衰減的隱失場對納米尺寸螢光小球加以捕獲。在平頭光纖端面鍍上一層擋光金膜,然後在金膜表面製作納米尺度通光小孔。將光纖的鍍膜端置入充滿螢光聚苯乙烯球的水溶液中。耦合入光纖中的光傳播到光纖的鍍膜端時,大部分因為金屬膜層的阻擋而不能傳播出來。在膜層外部開孔處形成強度急劇衰減的隱失場,對處在小孔附近的納米微粒產生指向孔徑的梯度力作用。利用這種鍍金屬膜層開納米孔徑的方法,Eun-SooKwak等成功捕獲了直徑200nm的聚苯乙烯球。這種方法最大的特點是通光後,各個小孔可以同時捕獲納米顆粒,但也因此而不能實現對單個微粒的捕獲。同時,M.Gu等利用環形中空光束經過高倍顯微物鏡聚焦後在玻璃-溶液界面形成全反射所產生的隱失場捕獲了直徑1~2mm的酵母細胞,光闌將光路中不能發生全反射的光全部擋住,其餘光經顯微物鏡會聚之後在界面上的最小入射角也大於發生全反射所需的臨界角,從而在玻璃-溶液界面處發生全反射產生隱失場,由於入射光束的對稱特性,產生的隱失場將在焦點中心處形成干涉,從而起到強度增強和縮小捕獲空間的作用。同時,由於隱失場在垂直方向上急劇衰減,微粒也將受到一個向下的梯度力作用。微粒在這些對稱的干涉隱失場作用下將被推向焦點,即捕獲位置。
傳統的遠場光捕獲微粒時,會聚的光場在焦點周圍呈橢球型分布,橢球的長軸沿光軸方向,形成比較強烈的背景光,這非常不利於對單分子運動狀態的觀察,而近場光鑷由於利用高度局域的隱失場捕獲,所以捕獲空間大大減小,有利於對單分子運動狀態進行觀察。
傳統的遠場光捕獲微粒時,會聚的光場在焦點周圍呈橢球型分布,橢球的長軸沿光軸方向,形成比較強烈的背景光,這非常不利於對單分子運動狀態的觀察,而近場光鑷由於利用高度局域的隱失場捕獲,所以捕獲空間大大減小,有利於對單分子運動狀態進行觀察。
近場光鑷的潛在套用
隨著生物醫學領域研究的不斷深化,研究對象也由微米量級的細胞縮小到納米量級的病毒或者DNA分子,由此發展出了晶片實驗室(labonachip)等技術,它們通常不能對單個病毒分子進行捕獲,只能研究病毒群體所表現出來的一些特性,因而所獲取的信息還不夠細緻和精確。但如果在此類晶片上集成近場光鑷則有可能對單個病毒分子進行捕獲和觀測。
近場光鑷除了可以用於實現單分子的捕獲和操縱,還可以用於近場拉曼光譜領域的研究。拉曼光譜在表征物質特徵和成分方面起著重要的作用,近場拉曼光譜在表征物質精細結構方面的信息比遠場拉曼譜更有優勢。目前為獲得研究對象的近場拉曼光譜,通常需要將研究對象(例如溶液中的分子)稀釋到非常低的濃度,以保證收集範圍內只有單個分子存在,在實際中不易做到這一點,因而所獲得的信息往往仍然包含了大量分子的平均信息。
引入近場光鑷技術之後,可以只對捕獲的單個分子進行研究,獲得其近場拉曼光譜信號。同時因為近場光鑷的捕獲空間很小,在此空間中又只包含一個單分子,所以其信噪比可能會比普通的近場拉曼光譜技術高。此外,近場光鑷在物理、微流體力學等方面也有著廣泛的套用。
近場光鑷除了可以用於實現單分子的捕獲和操縱,還可以用於近場拉曼光譜領域的研究。拉曼光譜在表征物質特徵和成分方面起著重要的作用,近場拉曼光譜在表征物質精細結構方面的信息比遠場拉曼譜更有優勢。目前為獲得研究對象的近場拉曼光譜,通常需要將研究對象(例如溶液中的分子)稀釋到非常低的濃度,以保證收集範圍內只有單個分子存在,在實際中不易做到這一點,因而所獲得的信息往往仍然包含了大量分子的平均信息。
引入近場光鑷技術之後,可以只對捕獲的單個分子進行研究,獲得其近場拉曼光譜信號。同時因為近場光鑷的捕獲空間很小,在此空間中又只包含一個單分子,所以其信噪比可能會比普通的近場拉曼光譜技術高。此外,近場光鑷在物理、微流體力學等方面也有著廣泛的套用。
