金大勇团队首次实现纳米颗粒在无折射率差环境中的光学捕获

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近日，Nature Nanotechnology 以“Optical tweezers beyond refractive index mismatch using highly doped nanoparticles”为题发表了南科大生物医学工程系讲席教授、悉尼科技大学杰出教授金大勇课题组的多学科交叉的研究成果。课题组发现了对低折射率纳米颗粒的光力增强的新机制，首次实现了纳米颗粒在无折射率差环境中的光学捕获。这项成果为细胞内光学操控低折射率的细胞器和研究细胞器间的相互作用提供了新的方法。
       光镊技术已经被广泛应用于材料的组装、表征，以及细胞内抓取和力的测量。通常光镊的捕获力是由捕获颗粒和周围介质的折射率差决定，颗粒的折射率比周围介质越大其受到的光力就越大。此外颗粒的尺寸越小，其受到的光力效果就越小。这两个原因导致了低折射率颗粒（例如纳米颗粒，纳米药物和细胞器）的光学捕获挑战性极大。
选择高介电常数材料，如金属颗粒和半导体颗粒作为光镊的操纵探针是现阶段的主要方法。但是，金属颗粒所产生的光热效果不仅会影响光镊操纵效率，还会影响生物样品。现阶段，半径50纳米金颗粒能提供的光力弹性系数是0.012 pNμm-1mW–1, 而半径52纳米的硅颗粒能提供的光力弹性系数也只有0.022 pNμm-1mW–1。
        掺杂稀土的上转换颗粒是一种可以将近红外光转化为可见光的新型材料。颗粒中掺杂的给体稀土离子可以吸收长波长的红外光，将其传递给受体发光离子，从而发出短波长的可见光。课题组前期系列工作实现了成千上万个稀土离子在每个纳米颗粒中高浓度掺杂，从而赋予纳米颗粒绝佳的非线性光学性质，这种性质可以直接用于单颗粒光纤传感、时间维度光学编码、超分辨成像和单颗粒示踪技术等方向的应用。通过对上转换颗粒的光力研究，课题组发现，这类颗粒虽然具有较低的折射率，但却能产生非常大的光力。在此基础上，课题组进而开发了一种利用单颗粒荧光视频追踪的方法更准确地计算光力，以解决低折射率纳米颗粒无法精确测量的问题。课题组设想这类增强是由于纳米颗粒内镧系离子的共振效果产生的。
       根据设想，课题组开始根据悉尼科技大学王帆博士的模拟结果合成以及测试材料。课题组发现，当镧系（包括镱离子（Yb3+）、铒离子（Er3+）钕离子（Nd3+））掺杂纳米晶体与光镊波长匹配时会产生离子共振效果，该效果会极大程度地提高电磁张量以及介电常数。同时，选择激发波长来增强Clausius–Mossotti系数实数以增强梯度力、避开Clausius–Mossotti系数虚数部的谐振峰以减少散射力能极大程度地提高光镊的捕捉能力。
        上文简述了离子谐振光镊课题的形成与发展。从纳米荧光光镊出发，结合上转换纳米颗粒的荧光和吸收特性，研究人员通过近四年的努力，为低折射率纳米颗粒力学测量和荧光纳米颗粒追踪体统提供了一个解决方案，并且完成了完备的离子共振光力理论。

图1.对比实验显示低折射率的纳米颗粒可以通过稀土高浓度掺杂提高光对纳米颗粒的捕捉能力

        研究团队对比了在相同的尺寸与折射率下，掺杂与未掺杂镧系元素颗粒在光镊捕捉情况下的二维位置分布模拟。从模拟结果可以发现，镧系掺杂颗粒位置分布相比于未掺杂颗粒分布更密集，这是由于掺杂了镧系元素的纳米颗粒在976.5nm的捕获激光下有更高的极化率，导致梯度力增强使得光镊势阱刚度更高。

图2.系统研究不同稀土元素掺杂与激发态能级谐振在光镊作用力增强方面的效果

       通过模拟可以看出，镱离子（Yb3+）对于不同波长有不同的吸收曲线，铒离子（Er3+）和钕离子（Nd3+）由于能级的不同也在对应波长有不同的吸收。这一特性使不同波长的捕获激光适用于不同材料，产生不同的极化率，从而使同一掺杂颗粒在波长变化时有不同的捕获力。

图3.系统研究不同掺杂浓度在光镊作用力增强方面的效果

        课题组通过模拟计算，通过镧系元素的掺杂浓度优化转换纳米颗粒的捕获力，从而在相同尺寸的前提下提高捕获力。在对应的谐振波长下，相同的镱离子（Yb3+）掺杂浓度在相同尺寸下的捕获力基本相同，与荧光离子的浓度无关。

图4.系统研究纳米粒子大小对光镊作用力增强的效果，增强后的光力是传统高折射率纳米金和半导体材料一个数量级以上

        课题组还测试了在相同镧系掺杂浓度下（NaYF4: 20% Yb3+, 2% Er3+），不同体积上转换纳米颗粒在相同激光下的捕获力。结果与模拟结果完全一直。课题组进而分析了在不同尺寸下不同种类的光力强度的比例，包括离子共振光力、表面电势光力和传统光力。当纳米颗粒大于17纳米时，这种新型的离子共振光力开始起主导效果。同时，结果还展示出了25纳米的低折射率的上转换纳米颗粒捕获力，比同体积的高折射率金纳米颗粒还要高30倍。

图5.应用这种新型的纳米颗粒作为细胞标记物可以大大提升光镊对单细胞的操控能力

        最终，研究团队将上转换纳米颗粒绑定到海拉细胞表面，并且用光镊抓取细胞在水中快速拖动以观测细胞的脱离速度是否因为绑定了上转换颗粒而改变。结果表明，表面绑定了上转换颗粒的细胞脱离速度更高，捕获力更强，这一实验为上转换纳米颗粒在生物力学应用方向上提供了新思路。
       与其他纳米颗粒相比，高掺杂的镧系粒子在电磁场中有很强的谐振特性，从而使光镊捕获力显著提升。这项技术使纳米颗粒在较小的折射率差溶液中的抓取成为了可能，同时更高的捕获力可以提供更高精度的力学测量与应用。低折射率导致的低热量吸收也打开了高效、长期利用光镊抓取生物样品的大门。
       十万稀土离子高掺，加上激发态能级与激发光波长的匹配谐振，可以实现光对低折射率纳米材料的“大力”操控! 未来，结合上转换纳米颗粒独特的光学传感特性与光镊操控技术将可能实现细胞内部纳米尺度的温度、pH和力的同时测量。
        该课题是课题组研究方向之一，其进展主要得益于金大勇教授提供的高水平科研平台与王帆博士的悉心指导，该课题也得到了新南威尔士大学Peter Reece博士的支持。金大勇为论文共同通讯作者。
        金大勇教授专业领域涵盖生物工程光学、纳米探针技术、生物医疗诊断、精密光学仪器、微流控芯片等领域，先后组建了澳洲科研基金委资助的可集成生物医学器件与技术转化中心、中澳科学与研究基金资助的便携式体外诊断技术联合研究中心、悉尼科大-南科大生物医学材料和器件联合研究中心和悉尼科大生物医学材料及仪器研究所，已发表SCI高水平论文150余篇，其中包括Nature及其子刊25篇。


       文章来源：南方科技大学
       金大勇， 2007年6月于澳大利亚麦考瑞大学获博士学位。曾先后任职于麦考瑞大学及悉尼科技大学，并于2017年晋升为悉尼科技大学杰出教授。现为南方科技大学生物医学工程系讲席教授。迄今共发表了百余篇高水平学术文章，包括十余篇原创性工作发表在《自然》及子刊中。他的专业领域涵盖了生物工程光学、纳米探针技术、生物医疗诊断、精密光学仪器、自动化等领域。并于2015年荣获澳洲科研最高奖尤里卡奖交叉学科创新奖，2016年当选澳大利亚百名科技创新领军人物，2017年荣获澳洲科学院工程科学奖以及同年荣获澳大利亚总理奖 - 年度物理学家奖。