光热驱动纳米光镊新原理与新技术研究

The optical tweezers have facilitated lots of biochemical research studies in past decades. Especially the technical innovation of plasmonic optics, it has offered us a significant tool in nanoscale cell manipulation and imaging. However, the plasmonic photothermal effect can destabilize the optical trapping due to the increment of the particles Brownian motion. In this project, we will turn this obstacle into an advantage. Under properly control, the photothermal effect can be utilized to facilitate the optical trapping with its excellent characteristics of the nanosecond response time and nanoscale accuracy. In addition, we will also study the nanoscale photothermal induced hydrodynamic phenomena such as natural convection, Marangoni effect, and the thermophoresis induced by the temperature gradient, so as to reduce the trapping scale from micrometer to nanometer and extend the trapping target range from dielectric particles to the metallic particles. We will carry out a more in-depth and systematic theoretical study on the nanoscale photothermal induced tweezers to build a faster, accurate and stable microfluidic platform for particles and cells manipulation.

近年来，光镊对生物医学的研究与发展提供了巨大促进作用，特别是随着对金属纳米表面等离子体光学研究的深入，纳米尺度的光场调控，更为生物传感，微粒操控以及成像提供了更加精确且不可替代的工具。而光与物质相互作用所伴随的光热效应，可使微粒的布朗运动加剧，导致光镊操控难以稳定。本项目将此劣势转变为优势，利用光热效应的纳秒量级响应速度以及纳米尺度精度的优异特性，辅助操控颗粒。并且逐步完善光热效应所导致的纳米尺度自然对流，马兰戈尼对流，热泳迁移效应等温度梯度引起的流体动力学现象的研究，将光热驱动纳米光镊操纵方法从微米尺度拓展到纳米尺度，操纵目标从介质颗粒拓展到金属颗粒。进而拓展纳米光热效应对微纳颗粒的操控理论认知。并开发新型的光热驱动纳米光镊系统，构建更加快速、精确且稳定的微粒与细胞操控的微流控平台。

传统光镊操控中，光热效应会导致被操控颗粒的布朗运动加剧，使操控难以稳定。因此，一般采用多种抑制方法减小光热效应的扰动。而本课题独辟蹊径的将光镊操控中原本为扰动效果的热效应转变为驱动效应，辅助纳米颗粒的捕获，发展了光热驱动新型光镊，光热镊。首先，我们从操控机理方面研究并建立了理论模型，解释了其操控的光学及热力学机制，实现了多种形式的纳米颗粒捕获。其次，在面向金属钠米颗粒以及多种生物微粒的捕获研究中，构建了光学制冷以及制热的温度场，将操控的精度调节至亚10nm量级，实现了单颗粒操控和单分子探测。最后，构建了基于金纳米球操控技术与CRISPR相结合的单颗粒水平下DNA传感系统。此种新型光热镊，由于利用光场与温度场相结合的方式，可实现传统光力操控所不能及的事情。不仅光功率密度比传统光镊低了三个数量级，而且可突破光学衍射极限对纳米尺度的生物分子进行直接操控。此种新操控方法的研发与继续探究，将对生物医药、单分子检测和基因工程的研究具有巨大价值与促进意义。