細胞顆粒表面分析儀測試系統
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一個重要因素，并對膠體及化學穩定性、生物分布、生物學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代已經得到了廣泛的研究和應用，但如何在溶液中有效地測量顆粒表面作用力仍是一個挑戰，現有的商用設備或儀器并不能直觀而有效地達到此項分析目的。
納米光鑷系統（NanoTweezer）基于以波導為基礎的光學測量體系，通過監測納米粒子與特定波導表面的相互作用來表征納米顆粒表面包覆涂層的機械性能。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進行化學分離有一定的相似性。不同的是，我們利用波導表面作用力的大小來對單個納米顆粒進行測量。在此體系中，納米顆粒以流體的形式被輸送至波導附近，并被波導表面滲透出來的近場光所捕獲，從而增加了顆粒與波導表面的作用時間，足夠對單個顆粒進行上千次以上的測量。
此項基于波導的光學捕捉和可視化系統可理解為：
1）納米顆粒被光學梯度力“鎖"在波導表面。
2）由于散射力的作用，納米顆粒沿著波導表面移動。
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亮斑。
4）顯微鏡的速攝像功能記錄每個納米顆粒的亮度和位置。
5）在納米顆粒與波導相互作用的過程中，其位置和亮度被多次測量，得到上千組數據。 
圖1. 納米顆粒會在表面斥力和光學捕捉力形成的平衡度附近做布朗運動，即處于勢阱的底部。
勢阱
被捕捉在納米光鑷（NanoTweezer）波導表面的納米顆粒可被形容為處于一個勢阱當中。該勢阱由表
面排斥力和光的捕捉力構成。納米顆粒喜歡處于勢阱底部（波導表面上方一個特定的度），并在此位置周圍做布朗運動，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）隨時間的變化計算得出，其形狀揭示了光學梯度力和表面作用力兩者的特性。
在此系統中，我們利用已知的波導表面消逝場的衰減指數來完成勢阱分析。當納米顆粒在平衡位置周
圍振動，顯微鏡可利用其高速攝像功能對顆粒的位置和亮度進行記錄。亮點表示粒子距離波導表面更近（被捕捉在消逝場更深的位置），而暗點則表示粒子處于距離波導更遠的位置。在2-4 秒的時間內，系統可進行數千次的測量，從而計算出平滑的勢阱曲線。隨后，在勢阱曲線中減去已知的光學梯度力的曲線，從而得到納米顆粒與波導表面作用力的曲線。每次測量會對幾百個顆粒進行表面分析，選取其中10 個納米粒子的分析結果作圖，所得到的作用力曲線如圖2 所示。
圖2. 通過分析單個粒子在勢阱中不同位置的亮度得到其表面性能曲線
規格參數
主要功能及優勢
- 把界面作用力作為一個整體進行分析
- 對單個納米粒子進行測量
- 在納米粒子自身環境下（溶液中）對其進行檢測
- 可定制波導/納米顆粒表面性能
- 高測量靈敏度（Piconewton Range）
測量模型
對波導表面捕獲的單個納米顆粒散射光強度進行測量和分析可以得到粒子與波導表面的作用力信息，此信息與粒子本身的大小或光學性能無關。消逝場動態光散射理論是本套系統的基礎，該理論也被應 用于全內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作用會在平衡度附近振動，而此平衡位置是由該粒子與波導表面相互作用的吸引力與排斥力共同決定的。顯微鏡的高速攝像機（>500
fps）可以記錄下納米粒子在每個位置的散射光強度，并把得到的數據做成直方圖（如圖3a 所示）。根據已知的波導表面消逝場指數衰減強度函數，納米粒子離波導表面的距離可用如下公式計算得出：
其中h 代表粒子距離波導表面的瞬時距離，ho 代表平衡度（出現頻率zui的度），I 代表粒子瞬時散射光強度，Io 代表平衡度對應的粒子散射光強度，d 代表波導表面消逝場的衰減波長（由波導和周圍介質的材料參數計算得出）。根據玻爾茲曼統計，某狀態下的勢能與其觀測到的占有率呈反相關。于是我們可以設定出現頻率zui高的度對應勢能的zui低值，并可利用如下公式由直方圖計算得出勢能曲線（如圖3b 所示）：
其中V(h) 代表距離波導表面高度為h 處的勢能，kB 代表玻爾茲曼常數，T 代表溫度，N[I(h)] 代表高度為h 處光強直方圖所對應的頻率。消逝場中粒子的光能部分為 Eoptical=A*exp(-λh)，其中A 為常數，h 代表粒子距離波導表面的距離，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表面存在的表面作用力的類別及其強度。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效應無關。基于以上理論，我們可以對波導表面進行修飾，從對特定的納米粒子-波導表面相互作用力進行分析。 NanoTweezer PublicationsNanoTweezer 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 MeasurementSchein, 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 MeasurementKong, 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 BindingKang, 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 AssemblyO’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"Nature457, 71-75 (2009).
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