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胶体纳米镊子是先进粒子操作的新工具

用于操纵细小悬浮颗粒(如细胞,微粒和纳米粒子)的工具在基础科学的进步和新技术的发现中起着至关重要的作用。特别是,用光处理材料已经在从原子物理学到微生物学和分子医学的各个领域取得了重大突破。30多年前,贝尔实验室的亚瑟·阿什金首次提出了一种利用聚焦激光捕获物体的装置,这些装置在2018年共享了物理学中的诺贝尔奖。这些装置被称为光学镊子,现在是生物学中的关键仪器,软物质物理学和量子光学研究。

光学镊子和其他传统的捕获技术面临的主要问题是它们不能容纳极小尺寸的物体,也称为货物。想象一下只用一针就捡起盐粒!令人难以接受的是捕获粒子所需的力随着尺寸的减小而减小。使这些光学镊子更深入到纳米尺度并成为所谓的“纳米镊子”的关键技术突破已成为等离子体。当被光照射时,贵金属纳米结构在其周围产生强大的电磁场,可以吸引和捕获接近的纳米粒子。

然而,等离子体镊子也有局限性。由于影响范围有限且固定在太空中,这些镊子只能捕捉附近的纳米粒子。这使得整个捕获过程固有地缓慢且运输效率低。因此,设计一种具有传统等离子体镊子效率的技术非常重要,但与传统的光学镊子一样,它具有可操作性。

在早期的工作(发表在科学机器人学),研究人员首次通过磁力和光学力的综合作用展示了等离子体镊子的可操作性。然而,由于这种混合方法,那些镊子不适用于某些类型的胶体,例如磁性纳米颗粒。对于平行操纵练习,也不可能独立控制它们。

在这项发表在Nature Communications杂志上的研究中,研究人员展示了一种先进的纳米操纵技术,该技术仅用于光学力,因此具有多种用途。在实验中,他们将等离子体纳米盘(由银制成)集成到电介质微型棒(由玻璃制成)中,并用聚焦激光束操纵混合结构。这是“镊子在镊子中”概念的独特表现,其中使用单个激光束实现俘获和操纵。这些全光学纳米镊子可以通过精确控制驱动到任何流体环境中的任何目标物体捕获,运输和释放小至40纳米(典型长度的病毒,DNA和各种大分子)的纳米级货物,具有高速度和高效率。研究人员还展示了对各种纳米物体进行操作的平行和独立控制,包括荧光纳米金刚石,具有超低激光功率的磁性纳米粒子,其低于软生物物体的典型损伤阈值。

这种经过验证的技术可以实现纳米材料(例如纳米晶体,荧光纳米金刚石和量子点)的隔离,操作和芯片级组装,并允许对脆弱的生物样本(例如细菌,病毒和各种大分子)进行非侵入性操作。除了将小物体运送到微流体装置的各个点之外,研究人员还可以以高空间分辨率对它们进行定位,然后在必要时将它们带走。这种能力可能为纳米级组装和传感开辟了新的途径。

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