細(xì)胞顆粒表面分析儀測試系統(tǒng) 
利用近場散射光分析納米顆粒表面包覆性能 

背景介紹 
納米顆粒的表面性能是決定其整體功能的?個(gè)重要因素，并對膠體及化學(xué)穩(wěn)定性、生物分布、生物學(xué)功能和生物毒性等方面有重要影響。盡管各種納米顆粒在近現(xiàn)代已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，但如何在溶液中有效地測量顆粒表面作用力仍是?個(gè)挑戰(zhàn)，?現(xiàn)有的商用設(shè)備或儀器并不能直觀?有效地達(dá)到此項(xiàng)分析目的。 
納米光鑷系統(tǒng)（NanoTweezer）基于以波導(dǎo)為基礎(chǔ)的光學(xué)測量體系，通過監(jiān)測納米粒子與特定波導(dǎo)表面的相互作用來表征納米顆粒表面包覆涂層的機(jī)械性能。此方法與吸附?色譜法（ Adsorption Chromatography）通過吸附柱中吸附力的大小對物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分離有一定的相似性。不同的是，我們利用波導(dǎo)表面作用力的大小來對單個(gè)納米顆粒進(jìn)行測量。在此體系中，納米顆粒以流體的形式被輸送?至波導(dǎo)附近，并被波導(dǎo)表面滲透出來的近場光所捕獲，從?增加了顆粒與波導(dǎo)表面的作用時(shí)間，足夠?qū)蝹€(gè)顆粒進(jìn)行上千次以上的測量。 
此項(xiàng)基于波導(dǎo)的光學(xué)捕捉和可視化系統(tǒng)可理解為： 
1）納米顆粒被光學(xué)梯度力“鎖”在波導(dǎo)表面。 
2）由于散射力的作用，納米顆粒沿著波導(dǎo)表面移動。 
3）由于納米顆粒存在于消逝場中，其表面的散射光使其在暗場背景中成為?個(gè)亮斑。 
4）顯微鏡的?速攝像功能記錄每個(gè)納米顆粒的亮度和位置。 
5）在納米顆粒與波導(dǎo)相互作用的過程中，其位置和亮度被多次測量，得到上千組數(shù)據(jù)。

圖1. 納米顆粒會在表面斥力和光學(xué)捕捉力形成的平衡?度附近做布朗運(yùn)動，即處于勢阱的底部。 
勢阱 
被捕捉在納米光鑷（NanoTweezer）波導(dǎo)表面的納米顆?？杀恍稳轂樘幱?個(gè)勢阱當(dāng)中。該勢阱由表 
面排斥力和光的捕捉力構(gòu)成。納米顆粒喜歡處于勢阱底部（波導(dǎo)表面上方?個(gè)特定的?度），并在此位置周圍做布朗運(yùn)動，如圖1 所示。如果光的捕獲力不足，該粒子就會逃離勢阱。此勢阱可通過分析納米顆粒的位置（?度）隨時(shí)間的變化計(jì)算得出，其形狀揭示了光學(xué)梯度力和表面作用力兩者的特性。 
在此系統(tǒng)中，我們利用已知的波導(dǎo)表面消逝場的衰減指數(shù)來完成勢阱分析。當(dāng)納米顆粒在平衡位置周 
圍振動，顯微鏡可利用其?速攝像功能對顆粒的位置和亮度進(jìn)行記錄。亮點(diǎn)表示粒子距離波導(dǎo)表面更近（被捕捉在消逝場更深的位置），而暗點(diǎn)則表示粒子處于距離波導(dǎo)更遠(yuǎn)的位置。在2-4 秒的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可進(jìn)行數(shù)千次的測量，從而計(jì)算出平滑的勢阱曲線。隨后，在勢阱曲線中減去已知的光學(xué)梯度力的曲線，從而得到納米顆粒與波導(dǎo)表面作用力的曲線。每次測量會對幾百個(gè)顆粒進(jìn)行表面分析，選取其中10 個(gè)納米粒子的分析結(jié)果作圖，所得到的作用力曲線如圖2 所示。 

圖2. 通過分析單個(gè)粒子在勢阱中不同位置的亮度得到其表面性能曲線
規(guī)格參數(shù) 

主要功能及優(yōu)勢

1. 把界面作用力作為?個(gè)整體進(jìn)行分析
2. 對單個(gè)納米粒子進(jìn)行測量
3. 在納米粒子自身環(huán)境下（溶液中）對其進(jìn)行檢測
4. 可定制波導(dǎo)/納米顆粒表面性能
5. 高測量靈敏度（Piconewton Range）

測量模型 
對波導(dǎo)表面捕獲的單個(gè)納米顆粒散射光強(qiáng)度進(jìn)行測量和分析可以得到粒子與波導(dǎo)表面的作用力信息，此信息與粒子本身的大小或光學(xué)性能無關(guān)。消逝場動態(tài)光散射理論是本套系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該理論也被應(yīng)

用于全內(nèi)反射顯微鏡中用來研究粒子-表面相互作用。
在此模型中，被捕獲粒子由于熱力學(xué)作用會在平衡?度附近振動，?此平衡位置是由該粒子與波導(dǎo)表面相互作用的吸引力與排斥力共同決定的。顯微鏡的?速攝像機(jī)（>500
fps）可以記錄下納米粒子在每個(gè)位置的散射光強(qiáng)度，并把得到的數(shù)據(jù)做成直方圖（如圖3a 所示）。根據(jù)已知的波導(dǎo)表面消逝場指數(shù)衰減強(qiáng)度函數(shù)，納米粒子離波導(dǎo)表面的距離可用如下公式計(jì)算得出：

其中h 代表粒子距離波導(dǎo)表面的瞬時(shí)距離，ho 代表平衡?度（出現(xiàn)頻率zui?的?度），I 代表粒子瞬時(shí)散射光強(qiáng)度，Io 代表平衡?度對應(yīng)的粒子散射光強(qiáng)度，d 代表波導(dǎo)表面消逝場的衰減波長（由波導(dǎo)和周圍介質(zhì)的材料參數(shù)計(jì)算得出）。根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)，某狀態(tài)下的勢能與其觀測到的占有率呈反相關(guān)。于是我們可以設(shè)定出現(xiàn)頻率zui高的?度對應(yīng)勢能的zui低值，并可利用如下公式由直方圖計(jì)算得出勢能曲線（如圖3b 所示）：

其中V(h) 代表距離波導(dǎo)表面高度為h 處的勢能，kB 代表玻爾茲曼常數(shù)，T 代表溫度，N[I(h)] 代表高度為h 處光強(qiáng)直方圖所對應(yīng)的頻率。消逝場中粒子的光能部分為 Eoptical=A*exp(-λh)，其中A 為常數(shù)，h 代表粒子距離波導(dǎo)表面的距離，λ 代表衰減速率。在勢能曲線中減去光能曲線就能得到粒子表面作用能曲線，如圖3c 所示。該表面能-高度曲線的形狀取決于納米粒子與波導(dǎo)表面存在的表面作用力的類別及其強(qiáng)度。更重要的是，由于我們在勢能曲線中減去了光能的部分，所以剩下的表面能曲線與納米粒子的大小及折射率引起的光學(xué)效應(yīng)無關(guān)。基于以上理論，我們可以對波導(dǎo)表面進(jìn)行修飾，從?對特定的納米粒子-波導(dǎo)表面相互作用力進(jìn)行分析。

NanoTweezer Publications

NanoTweezer technology has enabled researchers to make numerous advancements in nanoparticle systems, with resulting publications appearing in a wide range of journals including Nature, Nano Letters, Lab-on-a-Chip and others. ?Provided below is a partial list.

Nanoparticle Surface Measurement

• ?Schein, P., Kang, P., O’Dell, D., Erickson, D., “Nanophotonic Force Microscopy: Characterizing Particle-Surface Interactions Using Near-field Photonics” Nano Letters 15(2), 1414-1420 (2015).

Schein, P., Ashcroft, C.K., O’Dell, D., Adam, I.S., DiPaolo, B., Sabharwal, M., Shi, Ce., Hart, R., Earhart, C., Erickson, D., "Near-field Light Scattering Techniques for Measuring Nanoparticle-Surface Interaction Forces" Under Review (2015)

Nanoparticle Raman Measurement

• Kong, L., Lee, C., Earhart, C.M., Cordovez, B., Chan, J.W. “A nanotweezer system for evanescent wave excited surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) of single nanoparticles” Optics Express 23(5), 6793-6802 (2015).

Nanoparticle Receptor-Ligand Binding

• Kang, P., Schein, P., Serey, X., O’Dell, D., Erickson, D., “Nanophotonic detection of freely interacting molecules on a single influenza virus” Under Review (2015)

• O’Dell, D., Serey, X., Kang, P., Erickson, D., “Localized Opto-Mechanical Control of Protein Adsorption onto Carbon Nanotubes” Scientific Reports 4, 6706 (2014).

• Serey, X., Mandal, S., Chen, Y.-F., Erickson, D., “DNA Delivery and Transport in Thermal gradients near optofluidic resonators” Physical Review Letters 108, 048102 (2012).??

?

Nanomanipulation and Directed Assembly

• O’Dell, D., Serey, X., Erickson, D., “Self-assembled photonic-plasmonic nanotweezers for directed self-assembly of hybrid nanostructures” Applied Physics Letters, 104, 043112 (2014).

• Coffey, V. "The Tiniest Traps: Optical Manipulation Gets Smaller" Optics and Photonics News, 24(4), 24-31 (2013)

• Kang, P., Serey, X., Chen, Y.-F., Erickson, D., “Angular Orientation of Nanorods using Nanophotonic Tweezers” Nano Letters 12, 6400-6407 (2012).?

• Chen Y.-F., Serey, X., Sarkar, R., Chen, P., Erickson, D., “Controlled photonic manipulation of proteins and other nanomaterials”?Nano Letters 12 (3), 1633-1637 (2012).

• Erickson, D., Serey, X., Chen, Y.-F., Mandal, S., “Review: Nanomanipulation using Near Field Photonics” Lab-on-a-Chip, 11, 995-1009 (2011)

• Mandal, S., Serey, X., Erickson, D., “Nanomanipulation using Silicon Photonic Crystal Resonators” Nano Letters 10, 99-104 (2010).

• Yang, A.H.J., Moore, S.D., Schmidt, B.S, Klug, M., Lipson, M., Erickson, D., “Optical Manipulation of Nanoparticles and Biomolecules in Sub-Wavelength Slot Waveguides”?Nature?457, 71-75 (2009).