據(jù)報道，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校開發(fā)了一款光制冷光鑷，可將光鑷熱效應(yīng)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(qiáng)梯度，實(shí)現(xiàn)捕獲、操控粒子和生物細(xì)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(diǎn)處會因?yàn)檫^熱而受到熱損傷。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一個項(xiàng)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(shè)計的光鑷可以去除目標(biāo)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(jī)械工程系的Yuebing Zheng介紹說：“光鑷有很多優(yōu)點(diǎn)，但它們的局限性在于每當(dāng)光束捕捉到物體時，就會產(chǎn)生加熱效應(yīng)。我們的工具解決了這一關(guān)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。”

以前，用來抵消光鑷固有加熱效應(yīng)的方法包括利用近場和等離子體效應(yīng)來降低光功率，或者在光學(xué)元件附近加入熱流體動力使捕獲的物體遠(yuǎn)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(xué)項(xiàng)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(diǎn)處。

該項(xiàng)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(gòu)。激光波長在摻雜晶體中誘導(dǎo)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(qiáng)下工作的弱聚焦激光仍可產(chǎn)生光鑷效應(yīng)，從而進(jìn)一步降低對所研究細(xì)胞造成熱損傷的可能性。

該團(tuán)隊(duì)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(diǎn)并將它們捕獲在激光束中心的熱梯度。

光學(xué)控制的新可能

在對200納米的熒光聚苯乙烯納米粒子進(jìn)行驗(yàn)證測試后，該項(xiàng)目組將其平臺應(yīng)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(yīng)用是分析DNA分子。據(jù)德克薩斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(xùn)的情況下更易于使用，并且擴(kuò)展光鑷處理血液和尿液等生物液體的能力。該項(xiàng)目組正致力于將這一研究商業(yè)化。

該項(xiàng)目組在論文中寫道：“這種新穎的無創(chuàng)光鑷技術(shù)將為光學(xué)控制納米材料和生物分子技術(shù)在納米技術(shù)、光子學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用帶來新的可能性。”

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