光力在生物粒子束缚中的应用

1、 光力用于粒子束缚和转移文献调研产生光力的原理一般有两种，一种是利用电场幅值的快速变化，产生较大的梯度，在粒子尺寸范围内，电场幅值有明显的变化，粒子在电场下产生极化，偶极子两端受力不同，因而受到力的作用。这种结构经常利用渐消波或者散射(汇聚)的光波。另一种是对于能使光束产生较大散射效应的粒子，由于动量守恒，吸收光子的动量，沿着光波传播的方向上发生运动。这两种现象是同时出现的。目前常见的也是研究较多的结构是金属表面等离激元调控的电磁波对于表面的粒子的束缚和移动的作用，等离激元结构的效率一般比较高，产生的力场比较强，控制也更精确。从方向上看，更多的论文是研究如何提高产生光力的效率，如何能够更精确的

2、控制粒子的运输，还有如何能供多点控制和筛选粒子。早期用于粒子束缚的结构比较简单，从原理上，一般直接利用渐消波所产生的电场幅值快速变化所产生的梯度力实现粒子束缚。1. 实现渐消波的结构是下方的不透明的盘子和中间的两种介质的交界面，下方的挡光盘的尺寸需要满足的条件是：对于从下方入射的部分光线，在两种介质分界面上的入射角要大于临界角，这样传播到小球的光线将存在汇聚的渐消波。传播到小球的电场包括两个分量，一个是沿着表面传播的电场分量，另外一个是渐消的电场分量。传播的电场分量在汇聚点处产生束缚力，使小球靠近束缚点，渐消的电场分量使小球向着电场更强的方向运动，也就是向下运动，这两个分量的共同作用可以保证小

3、球稳定的束缚。对于小球的束缚可以分成横向束缚和纵向束缚，或者称为轴向束缚。轴向束缚对于电场的传播分量的要求比较高，显然，当挡光板的直径增大时，传播分量的比例将减小，渐消波的比例将会增大，而渐消波的束缚作用不足以束缚小球，这样粒子的束缚将逐渐趋于不稳定。但是在横向方向上并没有这样的问题，即使全部的传播分量都被阻挡，只剩下渐消分量，粒子也可以实现稳定的束缚。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.为了实现离子的束缚，主要目的就是要产生一个稳定位置，在这个位置上受力为零，而稍微偏离这个位置的时候，将受到光产生的回复力，使粒子重新回到稳定位置。2. 一种实现粒子束缚的方法是使用一个终端开口的环形波导结构。这种结构的两个对称的半圆波导可以产生相对运动的传到光波，在开口处产生相向运动的快速散射的光场。在这种结构中，粒子的束缚由两种机理共同作用产生，首先是波导周围的渐消波场，渐消波产生梯度电场，因而将粒子向着波导的方向拉动，使处于开口上方或者下方的粒子向着开口的位置移动。开口的两个波导末端产生快速的散射光场，将粒

5、子向着开口的方向拉动。 仿真图像如下图，优于制备工艺原因，波导末端呈现圆形，优于结构对称，在仿真中只需要对一半的结构进行计算，另一半由对称性可以从仿真结果来看：强度上，垂直方向的光力大于渐消波长光力，也大于水平方向上的光力。从力场分布来看，水平方向上力场的分布是波动的，波动周期是波长除以折射率。波动的位置与两个末端处光波的相位差有关。仿真结果发现了三个稳定点，也就是三个震动稳定为零的位置，同时还发现了两个鞍点，虽然受力为零，但并不稳定。(Grier D G. A revolution in optical manipulationJ. Nature, 2003, 424(6950): 810-

6、816.)3. 另一种比较新颖的利用渐消波形成粒子束缚和移动的方法是利用两束渐消波形成的驻波。渐消波的传播方向和渐消方向一般是在垂直的方向上，如果让两束相向传播的渐消波叠加形成驻波，则对于粒子而言，在振幅恒为零的位置上将会形成势阱。在传播方向上，将会形成多个势阱，可以同时束缚多个粒子，可以用于粒子筛选。这种束缚的原理可以从两个方面解释，一方面两束光波分别与粒子作用，需要满足动量守恒，则粒子将具有传播方向上的动量。当两束光波振幅和频率相同的时候，粒子将固定不动。另一方面，在振幅为零的位置上，两侧振幅逐渐增大，形成电场强度的梯度，也会对粒子产生束缚的作用。在这种结构下，不仅可以实现粒子的束缚，还可

7、以实现粒子的移动。如果调整两束光波的相位差值，则振幅为零的位置将会在传播方向上发生变化，粒子也就会随之发生移动。这种粒子的移动和单梳渐消波产生的粒子移动的原理是不同的。在这种结构下，粒子的移动还会受到热扰动的影响，可能会在两个势阱之间跳动，而对于单束渐消波，热扰动的影响比较小，但是控制的精度却低于驻波的控制精度。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. 除过采用渐消波束缚粒子，还有采用汇聚的光线来束缚粒子的结构，这种结构将可以将粒子束缚在光束聚焦的位置。通过产生多个焦点，可以实现多个粒子的束缚。 4. 一束平行的TEM波入射之后分成两束光波，这两束光在物镜的焦平面的中点处汇聚，光线在一边是汇聚的，在另一边是散射的。汇聚的一边，光力的方向向着光线的下游，散射的一边沿着光线的上游。在早期的光力系统中，通过这种简单的结构就可以实现平面上的光力束缚，但是不能实现三维的束缚。这种结构的束缚点可以通过改变入射光的方向来进行调整。目前的趋势是在多个点上实现粒子束缚。 5. Hansen P等人提出一种C

9、型结构的组合，实现了粒子的束缚和运动。这篇文章的亮点在于：传统的光力推动粒子移动的原理一般有：利用渐消波推动对于光波有明显散射作用的较大的粒子，通过改变光波的偏振态来使粒子围绕圆柱形物体转动，或者改变粒子的聚焦位置。本篇论文提出使多个结构产生相互重叠的力场，改变光束的频率来加强或者减弱力场，使粒子从一个结构向另一个结构运动。 这种力场相互重叠实现粒子移动需要解决的主要问题是相邻的两个结构之间的相互耦合，使相邻的结构不能独立工作，本文的解决方法是在金属基底上设计纳米缝隙，相邻结构之间的间距大于两倍趋肤深度，实现相邻结构的独立工作。文中设计了一种C型结构作为基础来束缚粒子，这种C型结构相对于传统结

10、构的优点在于，功耗较小，效率较高。通过改变C型结构的边缘宽度，就可以确定这种C型结构的工作频率。 图中尺寸称为特征尺寸。特征尺寸与工作频率的关系是：特征尺寸越小，工作频率越高。当光线从表面向上照射时，当处于工作频率时，可以实现粒子的束缚。将多个这样的结构组合在一起，各个结构在特征尺寸上有区别，因而工作在不同的频率下。而各个结构产生的力场又相互重合，当调整入射光线的频率时，各个结构交替产生较强的力场，因而将粒子从一个结构的力场拉向另一个结构的力场中，实现粒子的移动。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等人也利用的金属表面等离激元的原理，所做工作的重点在于提高的光束缚效率，同样的光频率下能够实现更强的光力束缚作用，并且能实现三维的粒子束缚。通过调整入射光的照射位置来改变聚焦位置，实现了粒子的束缚和运动。文中描述的主要结构是在玻璃基地上放置金属纳米柱状谐振对结构，每两个金属柱状结构称为一对相距200nm，晶格常数是500nm。通过调整纳米结构的尺寸，可以在其上方形成近场，产生光力束缚。从下方入射的高斯光束照亮一对谐振对，相邻的谐振对产生的光力场有相互重叠的部分，

12、通过移动入射光的位置，以此照亮不同的谐振对可以实现粒子的移动。通过实验发现，处于这结构产生的力场中的粒子，布朗运动被有效抑制，粒子摆脱力场束缚的速度要求较高。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. 一种更简单的纳米盘状结构也利用金属表面等离激元原理来产生光力。亮点在于结构简单，便于制备。可以通过调整入射波长来让粒子沿着预设路

13、径运动，也可以通过调整偏振态实现粒子沿着柱状结构的边缘运动。文章提出的纳米盘状结构材料是银，所研究的束缚对象是以金作为材料的小球。纳米盘厚度是35nm，小球直径30nm。纳米盘的直径不同，所产生的光力场也有所不同，一般的规律是，纳米盘的直径越大，所对应的工作波长越长，图中给出的一大一小两个纳米盘，较大的纳米盘的直径是150nm，较小的是100nm。入射光线从上方入射，当入射光线波长位于775nm时，较大的纳米盘产生较强的光力场，而较小的纳米盘产生的力 的作用较弱。当入射光波长是622nm时，较小的结构产生较强的力场。这种结构的优点在于，不需要严格控制照射范围。通过改变入射光的波长就可以让小球移

14、动。同时还发现，通过调整x-y面上的偏振，可以让小球沿着纳米盘的边缘发生移动。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. 另一种采用表面等离激元产生光力场的结构是以金为材料构造的蝴蝶结对结构，示意图如下： 这种蝴蝶结结构能激发出较强的局部场，电场梯度较大，相对于传统的光嵌，这种结构的效率提高了约20倍，能够实现单个粒子分别束缚，

15、多个粒子同时束缚和粒子的筛选。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等人设计了一种上下两层的金属薄膜来激发表面等离子激元，从而加强光力推动粒子运动的作用。在等离子体表面，由于电子的集体运动，可以用谐振来描述这种集体运动，会在表面产生横向的和径向的电磁场，这种电磁场表现为一种渐消波

16、的形式，电磁场的强度随着离表面的距离而增加，因而产生较强的电场梯度，产生比较大的光力。文中采用的是金银两层金属复合结构。金的化学稳定性较好，但是不能很好地加强表面电磁波，银产生的表面渐消波的强度较大，但化学稳定性上不如金，将两者相结合，作为两层结构。这种两层结构由40nm银和10nm金构成。从试验中可以看到，其相对于单层金的结构，光力显著增强，在这种渐消波的作用下，粒子的运动速度加快，大约是7.23m/s。如图为实验仪器的结构，光源采用的是1064nm激光器，首先通过一个偏振片和一个棱镜的汇聚，然后由反射镜引导进入高折射率的玻璃棱镜。在1064nm光波作用下，棱镜的折射率是1.77。在玻璃的金属界面处激发电磁场，当所测试的粒子(聚苯乙烯小球)接近与金属表面时，就会被渐消波推动而产生运动。在这种结构下，渐消波同样对粒子有两种作用，沿着金属表面的推动力，和向下的拉力，推动力由动量守恒原理原理产生。当粒子对电磁波有比较明显