Light综述 | 纳米颗粒的指挥棒——表面等离激元光镊技术与应用
图片来源：Light: Science & Applications
撰稿 | 张聿全
光镊是利用光来捕获和操纵微小粒子的重要技术手段，其基本原理在于光与物质颗粒之间动量传递产生的力学效应，从而实现非接触的高精度操控（图1a）。光镊技术历经数十年的发展和完善，已经成为一种非常有用的光学工具，在物理、化学、生物医学等各领域得到了广泛的应用。其发明者A. Ashkin也因光镊技术在生物学研究领域的应用而获得了2018年诺贝尔物理学奖。
图1 (a)激光光镊捕获示意图，(b)表面等离激元光镊示意图
表面等离激元（SP）是金属表面自由电子与入射光子相互耦合与集体振荡产生的一种仅在金属表面传播的电磁波模式，其强度沿垂直金属表面方向呈指数衰减。表面等离激元突破了传统光学衍射极限的限制，可以产生纳米尺寸的电磁场热点，对于捕获生物分子等纳米尺度样品具有独特优势（图1b）。表面等离激元在金属表面的近场局域性更强，具有更高的表面电磁场增强因子和垂直方向电场梯度。因此，表面等离激元光镊可以显著提高光学梯度力，从而具有更强的捕获能力；同时，表面等离激元更高的电磁场强度，也为捕获物体光学信息的增强和探测提供了便利。
表面等离激元场的激发需要满足特定的波矢匹配条件，按照激发方式不同，表面等离激元可以分为两类：基于微纳金属结构的局域表面等离激元（LSP）以及光滑表面激发的传播型表面等离激元（SPP）。对应地，表面等离激元光镊也可分为结构型和全光调控型表面等离激元光镊，两类光镊技术互为补充，极大地扩展了光镊技术的应用领域。
微纳金属结构表面会激发不同的局域表面等离激元场，通过设计合适的金属纳米结构，可将光场能量局域在远小于衍射极限的区域内形成高强度电磁场热点，从而提供极大的光学梯度力，实现纳米尺度的颗粒捕获，这就是结构型表面等离激元光镊。2007年，Quidant等人率先提出了基于玻璃表面上金属圆盘阵列结构的表面等离激元光镊技术，在每个金属圆盘上激发表面等离激元光场并产生梯度力，捕获溶液中的聚苯乙烯微球并排成字母S、P等特定的图案（图2a）。
图2 结构型表面等离激元光镊示意图（a）及典型光路（b）
近年来，得益于聚焦离子束刻蚀和电子束曝光等微纳加工技术的发展，许多金属纳米结构中的表面等离激元光场特性得到了深入研究，推动了结构型表面等离激元光镊技术的发展。利用金属纳米天线结构、Bowtie结构及金字塔结构等（图2b），产生的多种不同功能的结构型表面等离激元光镊，可实现对纳米结构、生物细胞以及分子等多种样品的稳定捕获。
结构型表面等离激元光镊具有很高的捕获精度，但其固定的结构通常难以实现对表面等离激元光场进行动态调控，为了解决这一问题，人们提出在金属探针或镀膜的光纤端面加工微纳结构，这样既能保证结构型光镊的操控精度，又可通过探针或光纤的空间移动实现三维空间的动态调控。结构型SP光镊对金属微纳结构的加工精度要求较高，通常产生纳米级局域电磁场热点，因而在纳米尺寸样品的捕获与分选等领域具有独特的优势。
全光调制表面等离激元光镊的起源可以追溯到上世纪90年代，Kawata发现入射光在镀金属膜的棱镜表面可以对颗粒产生推力作用，并将其原因归结于传播型表面等离激元的激发与共振。其后的十余年，全光调整表面等离激元光镊技术发展相对缓慢。由于此类传播表面等离激元光镊是基于传统的棱镜激发结构，激发的SP在金属膜表面传播，颗粒会聚集在几微米到几十微米的SP传播范围内。同时，由于表面等离激元场是在光滑的金属膜表面激发，可以通过入射光自由地调控激发SP场的位置，因而具有更高的操控灵活性。
由于传播型SP作用范围大，通常认为传播型表面等离激元难以提供足够大的梯度力实现对物体的精准操控，因而容易造成目标颗粒的大范围团簇。针对这一问题，2013年，深圳大学袁小聪教授课题组提出一种聚焦型全光调制表面等离激元光镊技术（图3），在光滑的金属膜表面实现了对多尺寸、多材料、多形状微纳结构的灵活精准操控，为全光调制SP光镊技术的推广应用打开了思路。
聚焦型表面等离激元光镊形成的SP热点在突破传统光学衍射极限的范围内提供了足够大的梯度力，因而具有对目标物体精准操控的能力，尤其是对于传统光镊技术中难以实现稳定捕获的介观金属颗粒具有优秀的操控效果。
图3 聚焦型全光调控表面等离激元光镊示意图（a），微米尺寸金属颗粒（b）及纳米线（c）操控
基于全光调制的表面等离激元光镊系统无需加工任何金属微纳结构，通过对入射光束的相位、振幅及偏振等光学参量的调制即可实现对目标物体的多种操控效果。基于此可进一步实现对纳米线等结构的旋转、移动等操控，并可根据需要实现对单个目标颗粒的精确控制，为表面等离激元光镊的进一步推广应用奠定了基础。
光与物质作用过程是研究光镊的物理基础，其中广泛地涉及了光-热-电等物理过程，在这些领域近年来也不乏各种新现象和新技术的研究，如异常受力现象、非线性效应、光热电效应等。这些研究工作进一步提高了表面等离激元光镊的性能，丰富了其物理内涵，也拓展了其应用研究。经过近二十年的发展，表面等离激元光镊已经发展成为一种重要的研究工具，在物理、化学、生命科学等领域发挥着巨大作用。
在研究生命现象过程中，常常需要对研究对象（如，单个分子、细胞等）进行精确的操作，这就需要一种精细的操控方式。表面等离激元光镊可操控的物体尺寸范围从几纳米到几微米，几乎涵盖了生命科学领域从单分子到单细胞的多个研究层面，成为生命科学研究中一种不可或缺的工具。
国内外多个课题组针对蛋白质、DNA/RNA等构成生命体重要的分子进行了精确捕获（图4a-b），为研究底层的生命活动过程及新一代基因测序提供了技术手段。在更大尺度上研究人员还实现了对病毒、细菌、细胞器以及细胞个体的灵活操控（图4c），并通过对其光谱信号的探测分析推动了对分选、受精及分离等过程的研究。这些研究为构建高效的生物传感检测芯片铺平了道路，为各种以生物分子、细胞为基础的研究提供了重要手段。
图4 基于表面等离激元光镊的（a）DNA，（b）蛋白质，（c）细胞捕获与探测
由于表面等离激元的激发需要严格的匹配条件，环境或样品的微小变化将导致表面等离激元场发生改变，因而可以实现对环境/样品的高灵敏度传感。同时，表面等离激元可产生很高的电磁场局域增强，为样品的多种光学信号，尤其是拉曼光谱信号的增强及探测提供了可行性。
基于这一性质，表面等离激元光镊在捕获样品后，可以进一步实现对样品光谱信号的探测，因此可以用来对捕获样品的性质进行分析，以及对捕获时间内样品的生化反应过程进行实时监测（图5a-b）。另外，样品的拉曼光谱信号也反映了其空间分布情况，由此可实现对目标样品的无标记高分辨空间成像（图5c-d），基于光镊的动态特性甚至可以实现高分辨的扫描成像。
图5 基于SP光镊的传感与成像检测。（a）荧光探测及分析，（b）基于散射光谱的反应过程探测，（c）表面增强拉曼光谱探测，（d）基于增强拉曼光谱的成像
光学力是产生光镊捕获功能的基础，颗粒的捕获与输运是光学力的最直接表现。对于全光调控表面等离激元光镊技术，可通过改变激发位置实现对样品的灵活操控。由于结构型表面等离激元光镊通常只能在结构周围实现对样品的束缚，因此需要设计微纳结构以及改变入射激发光参数（如位相、偏振等）等手段，实现对激发局域表面等离激元场的调控进而达到动态操控样品的目的。此外，通过SP光镊对微小样品的精确操控，可进一步实现复杂微纳结构的搭建，为构建功能性片上结构器件提供了一种可能的方向。
应用与展望
表面等离激元光镊技术不仅增强了人们对光与物质相互作用的理解，也提升了人们对光的驾驭能力及对微纳样品的操控能力，推动了光学与其他学科的交叉结合。展望未来，基于光与物质非线性相互作用的新型表面等离激元光镊技术（图6a）以及其在细胞内部的操控及探测应用（图6b）将是未来表面等离激元光镊发展和取得突破的可能方向之一。表面等离激元光镊技术的发展，必将促进更广泛的创新应用出现，为纳米光电子学、纳米生物学和医药学等学科领域的发展带来深远影响。
图6 表面等离激元光镊技术展望。（a）非线性表面等离激元光镊技术，（b）基于表面等离激元光镊的细胞内操控与检测
深圳大学纳米光子学研究中心张聿全副教授为论文的第一作者，闵长俊教授与袁小聪教授为论文的共同通讯作者，深圳大学为第一单位。该研究获得国家自然科学基金、广东省领军人才/自然科学基金、深圳市孔雀计划团队/科技计划基础研究等项目的资助，获得深圳大学纳米光子学研究中心及微尺度光信息技术深圳市重点实验室等平台的支持。
欢迎课题组投递成果宣传稿
走进新刊
开 放 投 稿：Light: Advanced Manufacturing
ISSN 2689-9620
期 刊 网 站：www.light-am.com
期 刊 网 站：elight.springeropen.com
《Light：Science & Applications》
（简称Light）高被引文章数量
统计数据来自Web of Science，Light发表的高被引文章数量在国内同类期刊中稳居领军地位，截至目前，
https://doi.org/10.1038/lsa.2015.67
https://doi.org/10.1038/lsa.2015.97
☞ 本文编辑：丁帅
☞
☞ 本文来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心