基于纳米光子结构的光镊与原位传感技术研究

Optical tweezers has attracted significant research attention for its capability to trap, immobilize, move, and manipulate small objects in a gentle way. In order to generalize the application of optical tweezers to a real, physical environment with the presence of heterogeneous particles and impurities, means of in-situ characterizations need to be integrated into optical tweezers setups. The design of in-situ optical characterization functionalities in optical tweezers is attracting increasing attention in the international research frontier, however, demonstrations have been limited to particles with diameters above 100 nm. We propose to design a nanophotonic structure that is capable of enhancing both the optical force and the optical sensitivity. A thorough study will be conducted on the theoretical modeling, fabrication, and experimental testing of the nanophotonic structure, with a special focus on the local field manipulation and enhanced interaction with matter. As a goal of this project, the trapping and in-situ fluorescent and Raman characterization of particles with sub-10 nm diameters will be demonstrated, preparing for potential applications including single-molecule biology.

光镊是一种利用光子力对微纳粒子进行捕捉与操控的实验手段。为了将光镊应用范围向充满异质性粒子与杂质的真实复杂环境进行推广，需要对被捕捉粒子进行原位传感表征。目前，国际上捕捉-原位传感方面的科研方兴未艾，但应用对象主要局限于微米及亚微米级粒子，对粒径100纳米以下粒子应用较为罕见。本项目依据局域电磁场调控及场与物质相互作用增强的思路，拟设计一种纳米光子结构并利用其对光子力与传感灵敏度进行同时增强。通过对关键纳米结构进行理论建模、制备及实测，最终利用其实现亚10纳米电介质粒子的捕捉及原位荧光与拉曼表征，为应用于研究最小的生物粒子(蛋白质，DNA等生物分子)打下基础。

光镊是一种利用光子力对微纳粒子进行捕捉与操控的实验手段，于2018年分享了诺贝尔物理学奖以表彰其利用对生物大分子的操控对单分子生物学做出的巨大贡献。为了将光镊应用范围向充满异质性粒子与杂质的真实复杂环境进行推广，需要对被捕捉粒子进行原位传感表征。本项目从局域场及辐射方向性调控的思想出发，研究了在纳米光子结构内同时增强光子力与传感灵敏度的设计原则和结构制备手段。创新性地利用纳米光子结构中光波导模式因纳米粒子进入而产生的对称性破缺，或纳米天线结构辐射方向性因纳米粒子进入而产生的前后比变化，将自发反作用光子力增强1个数量级以上，同时，使结构在对被捕获粒子的原位折射率传感、荧光传感及拉曼传感过程中，传感灵敏度得到1-2个数量级的增强。在光子结构制备过程中，创新性的利用金属核@电介质隔层@发光体缀饰的核壳结构，自下而上地制备了高荧光增强纳米结构，并解决了其中发光体在电介质层上的键合关键问题。由于折射率传感、荧光传感和拉曼传感都是生物医学光子学中有着广泛应用的传感方式，因此我们预计，本课题的成果将为生物医学光子学、单分子生物学等学科提供有益的工具和实验手段。