微流控芯片纳米颗粒操纵表面分析显微镜

NanoTweezer显微镜升级为纳米颗粒操纵及表面分析系统

NanoTweezer新型纳米光镊转换装置，是个显微镜附上装置。该装置使研究人员使用现有显微镜能够捕获、操纵纳米级微粒。

NanoTweezer系统采用以芯片为基础的光子共振捕获技术与微流体**结合的，可以实现多种应用，如操作远远小于传统的光学镊子的样品，并保持粒子结构不被破坏;实行新类型的试验和分析;避免表面化学;创造新的纳米结构;保留了生物分子方面的基础上，改变了背景的解决方案;捕获单一的**，并观察它的分裂等。

配备强大的光学捕获系统和纳米表面分析系统，可以在5分钟内将显微镜变成纳米操纵及表面分析工具，进行不同细胞、病毒、核酸、金属纳米粒子、碳纳米管、蛋白的捕获及其表面分析。 
NanoTweezer系统采用以芯片为基础的光子共振捕获技术与微流体**结合的，可以实现多种应用，如操作远远小于传统的光学镊子的样品，并保持粒子结构不被破坏;实行新类型的试验和分析;避免表面化学;创造新的纳米结构;保留了生物分子方面的基础上，改变了背景的解决方案;捕获单一的**，并观察它的分裂等。 
NanoTweezer系统将用户的台式仪器和**的光学谐振nanotweezer芯片技术相结合。特殊设计的显微 
镜载能够直接将芯片与现有的显微镜设备连接。 
NanoTweezer系统规格: 
新一代纳米激光光镊系统，采用新型集成光学技术，能对纳米至微米级的粒子轻松操作和捕获。 
系统主要包括： 
光波导芯片、1064nm激光器、控制系统与显微流动池等。 
技术参数如下： 
1、系统联机能力： 
1.1 能与科研级正置显微镜联用 
1.2 能与激光显微镜拉曼光谱仪联用 
2、系统联机能力： 
2.1 粒子捕获操纵尺寸范围：10nm-5微米 
2.2 捕获操纵粒子种类： 
A)生物材料，诸如蛋白质聚集体、蛋白质晶体、抗体与微管等等； 
B)纳米材料，诸如量子点、碳纳米管、高分子小珠、纳米硅、纳米二氧化钛等。 
3、激光器参数： 
波长: 1065nm，2纳米线宽（可变） 
激光功率:0--500mW 连续可调 
光学隔离度:33-38 dB的隔离度，偏光纤耦合 
光纤输出接口: FC / APC SMPM，NA =0.12，6.6μmMFD
光源类型:  半导体光纤连接法布里 - 珀罗激光器 - TE模式耦合 
波长可调性:从中心波长为+ /- 3nm
4、显微镜流动池 
4.1 *大压力：20psci
4.2 流动速度：80nl/min- 1000ml/hr 
5．与显微拉曼光谱仪连用附件 
5.1 载物台联接件 
5.2 OD6带阻滤光片（1064nm）

颗粒表面分析 
利用近场散射光分析纳米颗粒表面包覆性能 

背景介绍 
纳米颗粒的表面性能是决定其整体功能的一个重要因素，并对胶体及化学稳定性、生物分布、生物学功能和生物毒性等方面有重要影响。尽管各种纳米颗粒在近现代已经得到了广泛的研究和应用，但如何在溶液中有效地测量颗粒表面作用力仍是一个挑战，而现有的商用设备或仪器并不能直观而有效地达到此项分析目的。

纳米光镊系统（NanoTweezer）基于以波导为基础的光学测量体系，通过监测纳米粒子与特定波导表面的相互作用来表征纳米颗粒表面包覆涂层的机械性能。此方法与吸附色谱法（ Adsorption Chromatography）通过吸附柱中吸附?的大小对物质进行化学分离有一定的相似性。不同的是，我们利用波导表面作用力的大小来对单个纳米颗粒进行测量。在此体系中，纳米颗粒以流体的形式被输送至波导附近，并被波导表面渗透出来的近场光所捕获，从而增加了颗粒与波导表面的作用时间，足够对单个颗粒进行上千次以上的测量。 
此项基于波导的光学捕捉和可视化系统可理解为： 
1）纳米颗粒被光学梯度力“锁”在波导表面。 
2）由于散射力的作用，纳米颗粒沿着波导表面移动。 
3）由于纳米颗粒存在于消逝场中，其表面的散射光使其在暗场背景中成为一个亮斑。 
4）显微镜的高速摄像功能记录每个纳米颗粒的亮度和位置。 
5）在纳米颗粒与波导相互作用的过程中，其位置和亮度被多次测量，得到上千组数据。 

图1. 纳米颗粒会在表面斥力和光学捕捉力形成的平衡?高度附近做布朗运动，即处于势阱的底部。 
势阱 
被捕捉在纳米光镊（NanoTweezer）波导表面的纳米颗粒可被形容为处于一个势阱当中。该势阱由表 
面排斥力和光的捕捉力构成。纳米颗粒喜欢处于势阱底部（波导表面上方一个特定的高度），并在此 
位置周围做布朗运动，如图1 所示。如果光的捕获力不足，该粒子就会逃离势阱。此势阱可通过分析纳米颗粒的位置（?高度）随时间的变化计算得出，其形状揭示了光学梯度力和表面作用力两者的特性。 
在此系统中，我们利用已知的波导表面消逝场的衰减指数来完成势阱分析。当纳米颗粒在平衡位置周 
围振动，显微镜可利用其高速摄像功能对颗粒的位置和亮度进行记录。亮点表示粒子距离波导表面更 
近（被捕捉在消逝场更深的位置），而暗点则表示粒子处于距离波导更远的位置。在2-4 秒的时间内， 
系统可进行数千次的测量，从而计算出平滑的势阱曲线。随后，在势阱曲线中减去已知的光学梯度力的曲线，从而得到纳米颗粒与波导表面作用力的曲线。每次测量会对几百个颗粒进行表面分析，选取其中10 个纳米粒子的分析结果作图，所得到的作用力曲线如图2 所示。 

测量模型 
对波导表面捕获的单个纳米颗粒散射光强度进行测量和分析可以得到粒子与波导表面的作用力信息，此信息与粒子本身的大小或光学性能无关。消逝场动态光散射理论是本套系统的基础，该理论也被应用于全内反射显微镜中用来研究粒子-表面相互作用。 
在此模型中，被捕获粒子由于热力学作用会在平衡高度附近振动，而此平衡位置是由该粒子与波导表面相互作用的吸引力与排斥力共同决定的。显微镜的高速摄像机（>500fps）可以记录下纳米粒子在每个位置的散射光强度，并把得到的数据做成直方图（如图3a 所示）。根据已知的波导表面消逝场指数衰减强度函数，纳米粒子离波导表面的距离可用如下公式计算得出： 
 
其中h 代表粒子距离波导表面的瞬时距离，ho 代表平衡?高度（出现频率*?高的?高度），I 代表粒子瞬时散射光强度，Io 代表平衡?高度对应的粒子散射光强度，d 代表波导表面消逝场的衰减波长（由波导和周围介质的材料参数计算得出）。根据玻尔兹曼统计，某状态下的势能与其观测到的占有率呈反相关。于是我们可以设定出现频率*?高的?高度对应势能的*低值，并可利用如下公式由直方图计算得出势能曲线（如图3b 所示）： 
 
[2]
其中V(h) 代表距离波导表面高度为h 处的势能，kB 代表玻尔兹曼常数，T 代表温度，N[I(h)] 代表高度为h 处光强直方图所对应的频率。消逝场中粒子的光能部分为 Eoptical=A*exp(-λh)，其中A 为常数，h 代表粒子距离波导表面的距离，λ 代表衰减速率。在势能曲线中减去光能曲线就能得到粒子表面作用能曲线，如图3c 所示。该表面能-高度曲线的形状取决于纳米粒子与波导表面存在的表面作用力的类别及其强度。更重要的是，由于我们在势能曲线中减去了光能的部分，所以剩下的表面能曲线与纳 
米粒子的大小及折射率引起的光学效应无关。基于以上理论，我们可以对波导表面进行修饰，从?而对特定的纳米粒子-波导表面相互作用力进行分析。 

图3. 势能曲线可以从纳米粒子的亮度直?方图中计算得出。在势能曲线中减去光能曲线的部分就能得到粒子-波导表面作用能曲线，该曲线与粒子的大小无关。
仪器规格 

NanoTweezer应用文献
NanoTweezer technology has enabled researchers to make numerous advancements in nanoparticle systems, with resulting publications appearing in a wide range of journals including Nature, Nano Letters, Lab-on-a-Chip and others. ?Provided below is a partial list.

Nanoparticle Surface Measurement

• Schein, P., Kang, P., O’Dell, D., Erickson, D., “Nanophotonic Force Microscopy: Characterizing Particle-Surface Interactions Using Near-field Photonics” Nano Letters 15(2), 1414-1420 (2015).

• Schein, P., Ashcroft, C.K., O’Dell, D., Adam, I.S., DiPaolo, B., Sabharwal, M., Shi, Ce., Hart, R., Earhart, C., Erickson, D., "Near-field Light Scattering Techniques for Measuring Nanoparticle-Surface Interaction Forces" Under Review (2015)

Nanoparticle Raman Measurement

• Kong, L., Lee, C., Earhart, C.M., Cordovez, B., Chan, J.W. “A nanotweezer system for evanescent wave excited surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) of single nanoparticles” Optics Express 23(5), 6793-6802 (2015).

Nanoparticle Receptor-Ligand Binding

• Kang, P., Schein, P., Serey, X., O’Dell, D., Erickson, D., “Nanophotonic detection of freely interacting molecules on a single influenza virus” Under Review (2015)

• O’Dell, D., Serey, X., Kang, P., Erickson, D., “Localized Opto-Mechanical Control of Protein Adsorption onto Carbon Nanotubes” Scientific Reports 4, 6706 (2014).

• Serey, X., Mandal, S., Chen, Y.-F., Erickson, D., “DNA Delivery and Transport in Thermal gradients near optofluidic resonators” Physical Review Letters 108, 048102 (2012).??

Nanomanipulation and Directed Assembly

• O’Dell, D., Serey, X., Erickson, D., “Self-assembled photonic-plasmonic nanotweezers for directed self-assembly of hybrid nanostructures” Applied Physics Letters, 104, 043112 (2014).

• Coffey, V. "The Tiniest Traps: Optical Manipulation Gets Smaller" Optics and Photonics News, 24(4), 24-31 (2013)

• Kang, P., Serey, X., Chen, Y.-F., Erickson, D., “Angular Orientation of Nanorods using Nanophotonic Tweezers” Nano Letters 12, 6400-6407 (2012).?

• Chen Y.-F., Serey, X., Sarkar, R., Chen, P., Erickson, D., “Controlled photonic manipulation of proteins and other nanomaterials”?Nano Letters 12 (3), 1633-1637 (2012).

• Erickson, D., Serey, X., Chen, Y.-F., Mandal, S., “Review: Nanomanipulation using Near Field Photonics” Lab-on-a-Chip, 11, 995-1009 (2011)

• Mandal, S., Serey, X., Erickson, D., “Nanomanipulation using Silicon Photonic Crystal Resonators” Nano Letters 10, 99-104 (2010).

• Yang, A.H.J., Moore, S.D., Schmidt, B.S, Klug, M., Lipson, M., Erickson, D., “Optical Manipulation of Nanoparticles and Biomolecules in Sub-Wavelength Slot Waveguides”?Nature?457, 71-75 (2009).

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