UT Austin郑跃兵Sci. Adv.：给光镊降温！

光镊被广泛应用于捕获和操纵微纳颗粒以及生物细胞和分子，在纳米技术、物理学、生命科学和医学等诸多领域有着重要的广泛应用。光镊技术也因此荣获2018年诺贝尔物理学奖。然而，光镊需要一束高强度的聚焦激光去捕获物体，有可能对目标物体造成光损伤和热损伤。近年来，研究者发明了很多新兴的光镊平台来减小所需激光强度，例如热电光镊（点击阅读详细）。但是，潜在的热损伤仍然无法避免。

为克服上述挑战，近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的郑跃兵教授（点击查看介绍）课题组报道了一种新型“低温光镊”（Opto-Refrigerative Tweezers, ORT）可以将纳米颗粒以及生物分子捕获至低温区，并实现对它们的无创操控。该工作发表在Science Advances 上，文章第一作者为博士生李金刚。

图1. 低温光镊的工作原理。通过激光冷却在溶液中建立一个温度梯度场，由于热泳作用，溶液中的纳米颗粒和分子被捕获在低温区域。

低温光镊的研发基于激光冷却和热泳的创新性结合。如图1所示，波长为1020纳米的激光可以对掺杂Yb的YLiF4材料（Yb:YLF）实现激光冷却，从而在溶液中建立一个温度梯度场。由于大多数常见颗粒和分子具有恐热性，溶液中的纳米颗粒和分子会因热泳作用而被捕获在低温区域。实验和计算表明激光冷却和协同的热泳作用可以建立一个稳定的势垒来捕获目标物体。

图2. 基于低温光镊实现对200 纳米荧光颗粒的捕获和操纵。

图3. 与传统光镊相比，低温光镊对200 纳米荧光颗粒的无创捕获。

该团队以200纳米荧光聚苯乙烯（PS）颗粒为例来验证了低温光镊捕获和操纵单粒子的能力。图2A展示了对PS纳米颗粒的吸引、捕获以及释放。与传统光镊和等离激元光镊相比，低温光镊在温度梯度场中实现对物体的捕获，具有工作距离长的优点，可以有效地捕获距离激光超过10微米距离处的纳米颗粒。图2B展示了 Yb:YLF 衬底上对被捕获粒子的动态操控。

与其他光镊平台相比，该低温光镊（ORT）可实现对不同物体的无创捕获和操纵。首先，与传统光镊相比，低温光镊仅依靠温度梯度场来捕获目标物体，因此，可以使用较低强度的弱聚焦激光[数值孔径=0.5-0.7]来显著减少光损伤。同时，将物体捕获至低温区的固有特性可避免其他光镊平台中常见的光热损伤。作为验证，该团队使用相同激光用传统光镊和低温光镊捕获200纳米的荧光PS颗粒，并观察PS颗粒的荧光淬灭。实验显示，一分钟后，传统光镊捕获的PS颗粒荧光强度降低到~65%，而使用低温光镊捕获的PS的荧光强度保持在90%以上（图3）。这种无创捕获物体的能力源自低温光镊可以同时抑制对捕获物体的光损伤和热损伤。

小结

郑跃兵团队通过创新地结合光学制冷和热泳研发了新型低温光镊，可在低温区域捕获物体以避免光热损伤。凭借其稳定捕获、动态操控和无创操纵物体的性能，低温光镊将作为一种新兴纳米工具，为包括材料科学、物理化学和生物科学在内的诸多领域提供全新机遇和重要应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Opto-refrigerative tweezers

Jingang Li, Zhihan Chen, Yaoran Liu, Pavana Siddhartha Kollipara, Yichao Feng, Zhenglong Zhang and Yuebing Zheng*

Sci. Adv., 2021, 7, eabh1101, DOI: 10.1126/sciadv.abh1101

作者简介

郑跃兵，美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系终身教授。郑教授于2010年在宾夕法尼亚州立大学获工程科学与力学博士学位，于2010至2013年在加利福尼亚大学洛杉矶分校担任博士后研究员。其团队致力于纳米光子学的跨学科研究，包括纳米尺度下光与物质的相互作用，数字化纳米操控及加工，和用于生物医学的新型光学材料及器件。目前已在Nature Photonics, Nature Communications, Science Advances, Accounts of Chemical Research, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Materials Today, Advanced Functional Materials 等国际著名刊物上发表论文140余篇，论文引用逾7000次。

郑跃兵

https://www.x-mol.com/university/faculty/38310 

课题组主页

https://zheng.engr.utexas.edu/