撰稿 | Hector Qin（加州大学伯克利分校 博士生）
光镊（最初称为单光束梯度力阱）使用高度聚焦的激光束以类似于镊子的方式固定和移动诸如原子、纳米粒子和液滴之类的微观物体。如果物体在没有其他支撑的情况下被保持在空气或真空中，则可以称为光学悬浮。激光根据颗粒与周围介质之间的相对折射率提供吸引力或排斥力（通常为皮牛的量级）。
光镊常用于：生物学和医学领域（用于捕获和保持单个细菌或细胞，如精子细胞、血细胞或DNA）、纳米工程和纳米化学（用于研究和构建单分子材料）、量子光学和量子光力学（研究单个粒子与光的相互作用）。
图源：SWR
2018年的诺贝尔物理学奖被授予了发明光镊的Arthur Ashkin，他使用紧密聚焦的激光束来分离和移动微米级的物体（红细胞的大小）。
在其被发明以后的三十多年时间内，光镊已成为一种无创捕获、处理胶体颗粒和生物细胞的强大工具。然而，衍射极限的存在限制了光镊对纳米级物体的低功率捕获。尽管增加激光功率可提供足够俘获纳米级物体的俘获力，大强度的光会在捕获的生物样本中引起光毒性和热应力。
图源：Nature Nanotech 11, 53–59 (2016).
为了解决这些问题，研究人员开发了多物理场耦合的微纳镊子，例如电场辅助、热辅助的光镊以及电热等离子体镊子。在图2所示的电热等离子体镊子中，借助等离子体激元对光学俘获的增强的作用，纳米天线的光致热效应与所施加的交流电的耦合物理场可以以超过10μm/s的速度实现快速的微尺度流体运动和粒子传输。
现在，这种多场耦合实现光学镊子的方法被进一步发展。为了解决传统光镊无法实现低功率捕获的问题，来自范德比尔特大学电气工程学助理教授Justus Ndukaife开发出了首款光-热-电动流体纳米镊子（OTET）（图3），并以“Stand-off trapping and manipulation of sub-10 nm objects and biomolecules using opto-thermo-electrohydrodynamic tweezers”为题发表在Nature Nanotechnology杂志上。
光-热-电动流体纳米镊子包含了一个有限的等离子纳米孔阵列，这些纳米孔被光照射并垂直施加了交流电，从而建立了电热等离子流和交流电致电渗流的相互作用。
纳米孔阵列与光的耦合导致高度局部化增强的电磁热点（如图4），从而促进了光吸收，增强的光吸收导致流体中的温度升高和热梯度出现，从而形成了径向向内的涡流。同时在垂直于纳米孔阵列方向施加交流电场，由于纳米孔阵列的形貌，施加的交流电会出现失真，电场产生法向和切向交流电电场分量。切线方向上的电场将库仑力施加到在纳米孔阵列与流体之间的界面处的感应双电层中的扩散电荷上。这样，扩散电荷运动引起流体和悬浮颗粒的电渗运动，就出现了径向向外定向的涡流。
这两个相反的涡流会在合速度为零处形成一个停滞区，即是粒子被捕获的位置。停滞区的位置距离激光焦点的位置较远（几微米），避免了激光束直接照射可能出现的损伤。如果激光束偏离纳米孔阵列中心，粒子可以沿着纳米孔阵列的外围路径平移，同时仍保持停滞区的位置。
研究人员利用含蛋白质和聚苯乙烯珠（20nm和100nm）的稀释溶液进行了实验。通过交流电的开关实现了单个蛋白质分子的运输、捕获和释放，并且利用激光束的运动展示了单个分子跟随激光运动的动态操纵过程。同时，控制交流电频率还可以实现对粒子俘获位置的操纵，并应用于物体的大小分选。如图5中，100 nm的聚苯乙烯珠变得不稳定并被分选出来，而20 nm的磁珠仍然处于俘获状态。
文章信息
论文地址
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0760-z
来源：LAM
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