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—— 第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼 ——

  光镊技术从1986年问世以来迅速发展,基于不同种类激光束产生的光镊研究越来越全面,光镊的应用范围也越来越广。1997年美籍华人朱棣文教授由于其利用激光光镊冷却、囚禁原子的卓越研究成果而获得了诺贝尔物理学奖。预计在本世纪,随着纳米科学和生命科学的极大发展,利用光镊技术操作纳米尺度的单个生物大分子及其复合体、以及微米尺度的单个细胞,对于生命医学的研究将具有十分重要的意义。正如朱棣文的合作者、光镊技术发明人Ashkin所说:“光镊为我们打开了精确研究细胞功能的大门”。

  深圳大学袁小聪教授团队基于多年在矢量光束、表面等离激元方面的研究基础,首次实现了一种新型聚焦表面等离激元光镊,并在其机理和应用方面进行了深入的研究。2013年以来,该研究团队在Nature Communication、Scientific Reports、Applied Physics Letters等期刊上发表了一系列重要研究成果,获得了国内外同行的广泛认可。

  传统激光光镊虽然发展多年,依然存在一个亟待解决的空白,即聚焦激光光束无法实现对介观尺寸金属颗粒(~100nm到μm量级)的稳定捕获,而介观金属颗粒作为表面场增强媒介对化学催化、磁性材料、生命医学等研究具有重要应用价值。袁小聪团队采用径向偏振光束聚焦激发表面等离激元,形成特定的表面虚拟探针场,与金属颗粒形成“Gap Mode”,实现了对几十纳米至几微米尺寸金属粒子的稳定捕获和动态操纵,成功解决了这一难题。该技术同样可以应用于更小尺寸金属粒子以及介质粒子的捕获,扩宽了传统光镊的应用范围。该团队在此基础上,利用光镊操纵金属粒子作为探针,实现了特定位置的拉曼信号增强检测以及超分辨的拉曼扫描成像,目前实验上已经实现了约109的拉曼信号增强,并得到44纳米的理论成像分辨率,有望通过选取合适尺寸的金属粒子进一步增强拉曼信号和成像分辨率。区别于探针型拉曼成像技术只能应用于表面成分的拉曼分析,此项技术由于被操纵金属粒子能够被细胞吞噬,因此可以进一步应用于细胞内部的物质成分分析,对于生物医学研究具有特别重要的意义。

  该团队通过研究表面等离激元光镊“Gap Mode”对于拉曼信号增强的物理机制,发现表面场的纵向分量在拉曼信号增强中起主要作用,并利用此原理发展出一种新型的表面场纵向分量测量技术,成功实现了对金属薄膜表面近场的电场纵向分量的精确测量。该技术解决了目前近场光学扫描探针显微镜技术的关键问题,即由于扫描探针与表面光场耦合方式的限制,只能测量平行于表面的光场横向分量,而不能有效测量垂直于表面的光场纵向分量的难题。由于该技术能够精确还原表面光场的分布,尤其对纵向分量占主导的表面等离激元光场的测量有较大改进,因此对于表面等离激元光学的相关研究意义重大,并有望形成新一代的科学仪器。以上研究成果均得到国家自然科学基金重点项目支持。

 
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