近場光鑷技術

近場光鑷是近場光學領域中的新型技術，因其可對納米尺度微粒直接進行捕獲和操縱而受到廣泛關注。

基本介紹

• 中文名：近場光鑷技術
• 外文名：Near-field optical tweezers
• 專業：近場光學技術

背景簡介

光鑷操縱技術

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。

近場光鑷技術

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。傳統光鑷和光纖光鑷都屬於遠場光鑷，光纖光鑷更準確地應稱為遠場光纖光鑷。遠場光鑷所能捕獲的微粒大小與會聚光束所形成的光腰(光束最窄處)尺寸有關。光腰尺寸越小，所能捕獲的微粒尺寸也越小。但是，由於受到光學衍射極限的限制，遠場光鑷都不能捕獲更小微粒 。而近場光鑷則突破衍射極限，有可能實現對幾十納米至幾納米微粒的捕獲 ，從而成為單分子水平操縱的有力工具之一。

近場光鑷

近場光鑷技術與近場光學的發展密不可分。近場光學理論指出 :在物體表面亞波長區域(近場區域)記憶體在兩種光場———可以向遠處傳播的傳播場和迅速衰減的隱失場 ,傳播場可以在遠處(即遠場範圍)接收或探測, 而隱失場為局域場，僅能用納米探針將隱失場轉為傳播場實現探測。在近場區域內隱失場強於傳播場，起主導作用 。近場光學不僅套用於超衍射分辨成像，還套用於納米局域場螢光探測 、近場光譜 、光學存儲 、光學操縱等領域。近場光鑷是近場光學操縱的一種重要方法和工具。

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。

分類

近場光鑷可以分為金屬探針型和光纖探針型兩種基本類型。

金屬探針型近場光鑷

金屬探針型近場光鑷依賴於雷射照射下曲率半徑為納米量級的金屬探針尖端所形成的局域場增強效應 。該效應是近場光學中基本的物理現象。

金屬探針型近場光鑷光強分布

在探針尖端附近，光場主要由迅速衰減的隱失場組成 。由於隱失場僅在近場區域記憶體在，因而減小了作用空間，同時迅速衰減的梯度場提供了捕獲微粒所需要的大梯度力，因此可實現對納米量級微粒的捕獲 。在金屬探針型近場光鑷中，雷射的照射和偏振方向對探針所形成的場分布具有非常重要的影響 。

光纖探針型近場光鑷

光纖探針型近場光鑷的原理與金屬探針型近場光鑷的原理相似, 都是利用探針尖端附近局域增強場所產生的強梯度力來捕獲納米微粒 。雖然其形式與上述光纖光鑷非常相似，都是由耦合入雷射的光纖探針尖端出射的光場來捕獲微粒， 但是兩者卻有本質的不同 。此時的光纖探針尖端的尺寸已不是微米量級，而是納米量級；所形成的光場分布也發生了重大變化，不再是傳播場形成的會聚光斑，而是隱失場形成的局域增強場。

近場光鑷技術的研究套用

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(lab on a chip)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。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。

結語

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。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。