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光热泳操控

光学操控技术是认识和探索微观世界的一项重要技术,目前在纳米光学、胶体科学及生命科学等领域具有广泛应用。通常而言,光学操控技术源于直接或间接的光机械耦合,将光能转换为待操控对象的机械能,从而实现对物体的高精度微纳操控。在传统光镊中,光学梯度力源于直接的光机械耦合,而较低的耦合效率导致传统光镊面临高激光功率、辐照损伤及热损伤等难题,限制了其在实际中的进一步应用。等离激元光镊利用金属微纳结构对电磁场的局域增强能力,可显著降低光学操控功率,然而却缺乏动态操控能力。相对而言,基于间接光机械耦合的光学操控技术则另辟蹊径,如:光电光镊、光声镊子等。光电光镊利用颗粒在光控非均匀电场中的介电泳迁移可实现对颗粒的低功率、动态操控,然而该技术对颗粒及溶液环境的物化特性具有特定要求。光声镊子则利用光热气泡和声辐射力来富集粒子或细胞,但其操控精度受限。因此,如何开发一种低功率、高精度并具有通用性的光学操控技术成为当前的主要挑战。


为了解决这一难题,光热泳操控技术利用高效的光热转换效率及物体在局域温度梯度场中显著的热泳迁移速率实现高效的光-热-机械耦合,从而实现对物体的低功率、高精度操控。此外,通过合理设计温度梯度场和构筑光热力场,光热泳操控技术适用于多种操控对象,如微纳颗粒(金属颗粒、介电颗粒、聚合物颗粒)、微泳体、生物细胞及生物分子等。近日,清华大学精密仪器系孙洪波教授(点击查看介绍)和林琳涵副教授(点击查看介绍)在ACS Nano 上发表了题为“Opto-Thermophoretic Manipulation”的综述文章,该文主要讨论了热泳的物理机制、光热泳操控技术的发展,并总结了该技术在胶体科学和生命科学等领域的应用。

图1. 光热泳操控技术的物理机制、技术类型及应用实例


热泳,指的是物体沿着温度梯度场的定向迁移现象。首先,该文章介绍了不同的热泳机制,如溶剂非对称膨胀引起的色散力、固液界面溶剂分子的取向排布诱导的界面熵驱动力、正负离子的非均匀分布引发的热电效应、热渗透效应及溶质分子的非均匀分布引发的耗散力。正确理解物体在温度梯度场中的迁移规律为光热泳操控技术的设计与开发提供了理论基础。

图2. 热泳物理机制小结


接着,文章着重介绍了光热泳操控技术的发展并比较了不同操控技术的特点及优势,具体包括:大规模操控、单物体操控和有源光热泳操控。


(1)大规模操控(massive manipulation):大规模操控技术指的是利用外加的光控温度梯度场同时操控大量分子或胶体颗粒,对其实现高通量的富集作用。通过调控环境温度、溶液组分等手段,物体由“疏热”变为“亲热”并在温度场中心处富集。由于局域温度梯度场的影响范围有限,流体效应的引入则可用来输运远离加热区的物体,之后结合热泳将其限制在温度场中心,从而实现更大范围的富集作用。


(2)单物体操控(single-object manipulation):与大规模操控技术相比,单物体操控技术指的是对单个物体(如颗粒、细胞、分子等)的高精度操控。其关键在于构筑一个与操控对象尺寸相当的局域光热捕获势垒,并通过降低操控对象的浓度从而降低多个物体进入捕获势垒中心形成聚集物的可能性。基于界面熵驱动力及热电效应,目前已成功开发了多种热泳光镊技术,如界面熵驱动的热泳光镊、光热电光镊等,可实现对单个纳米颗粒及生物细胞的低功率、非侵入式操控。之后将光热衬底与光纤集成,光热电光镊可进一步实现对物体的三维操控。

图3. 光热电光镊


(3)有源光热泳操控(active opto-thermophoretic manipulation):利用颗粒自身的光热响应在颗粒表面产生非均匀的温度梯度场来驱动颗粒的运动,也被称之为自热泳。颗粒自身产生非均匀温度梯度场主要有两种方式,一种是利用激光定向辐照对称颗粒,另一种则是设计具有非对称光热响应的结构,如乔纳斯粒子。通过引入光学散射力及光热电场,该技术实现了纳米颗粒的真三维热泳操控及长程牵引作用。此外,通过设计粒子结构及引入反馈算法控制,实现了微泳体在复杂液体环境中的自导航及实时取向调控。


此外,该文章系统总结了光热泳操控技术在胶体科学及生命科学领域的应用,如胶体组装、胶体印刷、癌症检测及分子间相互作用探测等。最后,作者对光热泳操控技术做出了展望,主要包括新型热泳机制的探索、高通量光热泳胶体组装/印刷技术的开发及提升热泳光镊的生物兼容性等。


论文的第一作者是清华大学精密仪器系博士生刘少峰,共同通讯作者为孙洪波教授和林琳涵副教授。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Opto-Thermophoretic Manipulation

Shaofeng Liu, Linhan lin and Hong-Bo Sun

ACS Nano2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c10427


导师介绍

孙洪波

https://www.x-mol.com/university/faculty/60750 

林琳涵

https://www.x-mol.com/university/faculty/257818 


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