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膠體納米鑷子是先進粒子操作的新工具

用于操縱細小懸浮顆粒(如細胞,微粒和納米粒子)的工具在基礎科學的進步和新技術的發現中起著至關重要的作用。特別是,用光處理材料已經在從原子物理學到微生物學和分子醫學的各個領域取得了重大突破。30多年前,貝爾實驗室的亞瑟·阿什金首次提出了一種利用聚焦激光捕獲物體的裝置,這些裝置在2018年共享了物理學中的諾貝爾獎。這些裝置被稱為光學鑷子,現在是生物學中的關鍵儀器,軟物質物理學和量子光學研究。

光學鑷子和其他傳統的捕獲技術面臨的主要問題是它們不能容納極小尺寸的物體,也稱為貨物。想象一下只用一針就撿起鹽粒!令人難以接受的是捕獲粒子所需的力隨著尺寸的減小而減小。使這些光學鑷子更深入到納米尺度并成為所謂的“納米鑷子”的關鍵技術突破已成為等離子體。當被光照射時,貴金屬納米結構在其周圍產生強大的電磁場,可以吸引和捕獲接近的納米粒子。

然而,等離子體鑷子也有局限性。由于影響范圍有限且固定在太空中,這些鑷子只能捕捉附近的納米粒子。這使得整個捕獲過程固有地緩慢且運輸效率低。因此,設計一種具有傳統等離子體鑷子效率的技術非常重要,但與傳統的光學鑷子一樣,它具有可操作性。

在早期的工作(發表在科學機器人學),研究人員首次通過磁力和光學力的綜合作用展示了等離子體鑷子的可操作性。然而,由于這種混合方法,那些鑷子不適用于某些類型的膠體,例如磁性納米顆粒。對于平行操縱練習,也不可能獨立控制它們。

在這項發表在Nature Communications雜志上的研究中,研究人員展示了一種先進的納米操縱技術,該技術僅用于光學力,因此具有多種用途。在實驗中,他們將等離子體納米盤(由銀制成)集成到電介質微型棒(由玻璃制成)中,并用聚焦激光束操縱混合結構。這是“鑷子在鑷子中”概念的獨特表現,其中使用單個激光束實現俘獲和操縱。這些全光學納米鑷子可以通過精確控制驅動到任何流體環境中的任何目標物體捕獲,運輸和釋放小至40納米(典型長度的病毒,DNA和各種大分子)的納米級貨物,具有高速度和高效率。研究人員還展示了對各種納米物體進行操作的平行和獨立控制,包括熒光納米金剛石,具有超低激光功率的磁性納米粒子,其低于軟生物物體的典型損傷閾值。

這種經過驗證的技術可以實現納米材料(例如納米晶體,熒光納米金剛石和量子點)的隔離,操作和芯片級組裝,并允許對脆弱的生物樣本(例如細菌,病毒和各種大分子)進行非侵入性操作。除了將小物體運送到微流體裝置的各個點之外,研究人員還可以以高空間分辨率對它們進行定位,然后在必要時將它們帶走。這種能力可能為納米級組裝和傳感開辟了新的途徑。

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