激光冷却新方案，解决光镊过热问题
2021-07-03 11:29:27   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

激光冷却：更冷的光镊

据麦姆斯咨询报道，德克萨斯大学奥斯汀分校开发了一款光制冷光镊，可将光镊热效应对样品的损伤降至最低。

光镊是一种利用聚焦的激光束产生光强梯度，实现捕获、操控粒子和生物细胞的通用方法。

然而，这种方法仍然存在着一个问题，那就是被操控的材料在光束的焦点处会因为过热而受到热损伤。

德克萨斯大学奥斯汀分校的一个项目组近期已经开发出一种可能解决上述问题的方案，他们设计的光镊可以去除目标的热量而不会提供热量，并将该研究成果发表在Science Advances上。

该校沃克机械工程系的Yuebing Zheng介绍说：“光镊有很多优点，但它们的局限性在于每当光束捕捉到物体时，就会产生加热效应。我们的工具解决了这一关键挑战，被捕获的物体会被控制在较低的温度，而不会被加热损伤。”

以前，用来抵消光镊固有加热效应的方法包括利用近场和等离子体效应来降低光功率，或者在光学元件附近加入热流体动力使捕获的物体远离激光束。然而，没有一种方案令人完全满意的。

德克萨斯大学项目组的解决方案是开发了一种光制冷光镊（ORT），其中光镊产生的温度梯度不均匀，被操控的粒子会位于激光产生的冷点处。

该项目组发表的论文表明，他们研制了一种以掺镱氟化钇锂（Yb:YLF）为衬底的1020纳米激光器架构。激光波长在掺杂晶体中诱导反斯托克斯荧光，然后在较短波长处发射光子并在纳米晶体内部冷却，从而产生温度梯度。

由于ORT原理依赖于温度梯度场，因此在较低光强下工作的弱聚焦激光仍可产生光镊效应，从而进一步降低对所研究细胞造成热损伤的可能性。

该团队在其系统中成功测量到6~10K的有效温降，具体效果取决于具体条件，系统产生了一个可用于将粒子和分子驱动到冷点并将它们捕获在激光束中心的热梯度。

光学控制的新可能

在对200纳米的荧光聚苯乙烯纳米粒子进行验证测试后，该项目组将其平台应用于更脆弱的生物分子，并使用相同的激光成功捕获了蛋白质分子。

这种新方法的其中一个应用是分析DNA分子。据德克萨斯大学研究团队称，由于蛋白质本身很容易被激光破坏，因此通常需要通过将玻璃纳米珠连接到蛋白质上，然后使用光镊作用于纳米珠来操纵DNA。利用他们的ORT，就可以免去这项额外要求。

未来的研究工作包括为ORT开发自主控制系统，使其在没有经过专门培训的情况下更易于使用，并且扩展光镊处理血液和尿液等生物液体的能力。该项目组正致力于将这一研究商业化。

该项目组在论文中写道：“这种新颖的无创光镊技术将为光学控制纳米材料和生物分子技术在纳米技术、光子学和生命科学领域的重要应用带来新的可能性。”