據(jù)報道，德克薩斯大學奧斯汀分校開發(fā)了一款光制冷光鑷，可將光鑷熱效應對樣品的損傷降至最低。

光鑷是一種利用聚焦的激光束產(chǎn)生光強梯度，實現(xiàn)捕獲、操控粒子和生物細胞的通用方法。

然而，這種方法仍然存在著一個問題，那就是被操控的材料在光束的焦點處會因為過熱而受到熱損傷。

德克薩斯大學奧斯汀分校的一個項目組近期已經(jīng)開發(fā)出一種可能解決上述問題的方案，他們設計的光鑷可以去除目標的熱量而不會提供熱量，并將該研究成果發(fā)表在Science Advances上。

該校沃克機械工程系的Yuebing Zheng介紹說：“光鑷有很多優(yōu)點，但它們的局限性在于每當光束捕捉到物體時，就會產(chǎn)生加熱效應。我們的工具解決了這一關鍵挑戰(zhàn)，被捕獲的物體會被控制在較低的溫度，而不會被加熱損傷?！?/p>

以前，用來抵消光鑷固有加熱效應的方法包括利用近場和等離子體效應來降低光功率，或者在光學元件附近加入熱流體動力使捕獲的物體遠離激光束。然而，沒有一種方案令人完全滿意的。

德克薩斯大學項目組的解決方案是開發(fā)了一種光制冷光鑷（ORT），其中光鑷產(chǎn)生的溫度梯度不均勻，被操控的粒子會位于激光產(chǎn)生的冷點處。

該項目組發(fā)表的論文表明，他們研制了一種以摻鐿氟化釔鋰（Yb:YLF）為襯底的1020納米激光器架構。激光波長在摻雜晶體中誘導反斯托克斯熒光，然后在較短波長處發(fā)射光子并在納米晶體內(nèi)部冷卻，從而產(chǎn)生溫度梯度。

由于ORT原理依賴于溫度梯度場，因此在較低光強下工作的弱聚焦激光仍可產(chǎn)生光鑷效應，從而進一步降低對所研究細胞造成熱損傷的可能性。

該團隊在其系統(tǒng)中成功測量到6~10K的有效溫降，具體效果取決于具體條件，系統(tǒng)產(chǎn)生了一個可用于將粒子和分子驅(qū)動到冷點并將它們捕獲在激光束中心的熱梯度。

光學控制的新可能

在對200納米的熒光聚苯乙烯納米粒子進行驗證測試后，該項目組將其平臺應用于更脆弱的生物分子，并使用相同的激光成功捕獲了蛋白質(zhì)分子。

這種新方法的其中一個應用是分析DNA分子。據(jù)德克薩斯大學研究團隊稱，由于蛋白質(zhì)本身很容易被激光破壞，因此通常需要通過將玻璃納米珠連接到蛋白質(zhì)上，然后使用光鑷作用于納米珠來操縱DNA。利用他們的ORT，就可以免去這項額外要求。

未來的研究工作包括為ORT開發(fā)自主控制系統(tǒng)，使其在沒有經(jīng)過專門培訓的情況下更易于使用，并且擴展光鑷處理血液和尿液等生物液體的能力。該項目組正致力于將這一研究商業(yè)化。

該項目組在論文中寫道：“這種新穎的無創(chuàng)光鑷技術將為光學控制納米材料和生物分子技術在納米技術、光子學和生命科學領域的重要應用帶來新的可能性?！?/p>

責任編輯：lq6