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Nanoscribe客戶成就 | 光鑷小型化研究獲得重大突破
用于單細(xì)胞分析的微結(jié)構(gòu)光纖探頭
如何才能實現(xiàn)在顯微鏡下捕獲和控制類似生物分子甚至活細(xì)胞等微小物體？在過去的幾十年里，光鑷已經(jīng)成為科學(xué)上的既定工具，用于捕獲粒子或分析單個分子之間的最小作用力和相互作用。通過集成光纖和衍射微光學(xué)，可以推進(jìn)光鑷的進(jìn)一步發(fā)展和小型化。在此基礎(chǔ)下，斯圖加特大學(xué)的研究人員使用Nanoscribe雙光子聚合技術(shù)(2PP)實現(xiàn)在光纖上進(jìn)行2.5D菲涅耳透鏡和疊堆3D透鏡系統(tǒng)的微納加工。
2018年，Arthur Ashkin因“光鑷及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用” 榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。事實上，在過去幾十年中，這項突破性技術(shù)不僅在生物學(xué)領(lǐng)域，在許多需要捕獲、操縱微觀和亞微觀粒子或?qū)⑵浞胖迷谔囟ㄎ恢玫目茖W(xué)領(lǐng)域，都已成為一種成熟的工具。此外，科學(xué)家也使用這些光學(xué)陷阱來測量最小的分子相互作用和作用力，如DNA的彈性等。光鑷的基本原理是通過光束的小吸引力和排斥力來捕獲折射率與周圍介質(zhì)不同的粒子。
光纖端面上打印光鑷
通常情況下，光鑷需要借助龐大且昂貴的設(shè)置，例如高數(shù)值孔徑的物鏡。而現(xiàn)在，斯圖加特大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)了一種高效的小型化光鑷，即通過基于雙光子聚合(2PP)技術(shù)的Nanoscribe微納加工系統(tǒng)直接打印到光纖末端。這些在光纖上打印的光阱被放置在雙光束反向傳播裝置中。這意味著，兩個帶有附加光學(xué)捕捉系統(tǒng)的光纖端彼此直接相對對齊，并且可以在反向傳播激光源的兩個焦點相交處捕獲粒子。利用光纖端面上打印光鑷，研究人員證明了在水中1µm和500 nm聚苯乙烯珠的高效粒子捕獲。
2.5D 菲涅耳透鏡和堆疊 3D 透鏡組設(shè)計
科學(xué)家們設(shè)計并優(yōu)化了三個工作距離分別為 50、100 和 200 微米的光纖粒子捕捉系統(tǒng)。使用 Nanoscribe Photonic Professional 微納加工系統(tǒng)，他們將這些光學(xué)透鏡直接打印在光纖的切割端。這些 3D 打印光學(xué)設(shè)備的主要架構(gòu)由兩部分組成。第一部分?jǐn)U展了在光纖中引導(dǎo)的光束，這對于達(dá)到目標(biāo)工作距離和相關(guān)高數(shù)值孔徑是必需的。然而，光鑷的關(guān)鍵還是在微調(diào)的菲涅耳透鏡，以確保實現(xiàn)有效地聚焦光線以將粒子捕獲在預(yù)先計算的位置。出于現(xiàn)實原因，科學(xué)家們選擇直接打印這些衍射設(shè)計元件，而非傳統(tǒng)的球面透鏡。光纖上打印折射透鏡的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性曲率的問題。而菲涅耳透鏡設(shè)計可以輕松調(diào)整到所需的工作距離和高數(shù)值孔徑。研究人員在光纖末端直接打印了三種不同的衍射透鏡，設(shè)計外緣的最小橫向特征尺寸達(dá)到 1.67 µm，輪廓高度為 3.88 µm。
單個 2.5D 菲涅耳透鏡的設(shè)計和直接打印在光纖上的衍射透鏡的 SEM 圖像(上圖)。兩個堆疊菲涅爾透鏡的設(shè)計，以及相對應(yīng)在光纖上直接打印結(jié)果的 SEM 圖像(下圖)。基于 2PP 微納加工所具備的*設(shè)計自由度，輕松實現(xiàn)調(diào)整衍射元件的光學(xué)特性。
對于具有高數(shù)值孔徑的光鑷，Nanoscribe的2PP技術(shù)證明了其真正的潛力。如果在光纖端部使用單個菲涅耳透鏡則無法獲得高數(shù)值孔徑。科學(xué)家們另辟蹊徑，將兩個透鏡打印在彼此的頂部，由支撐第二個透鏡的六根柱子隔開。這種設(shè)計離不開真正的3D打印技術(shù)。由于所有的光鑷都能夠在低激光功率下穩(wěn)定捕獲(亞)微米大小的聚苯乙烯測試珠，因此這對于生物學(xué)應(yīng)用中避免高激光功率損壞有機樣品的軟組織至關(guān)重要。
Nanoscribe科技打造未來應(yīng)用
斯圖加特大學(xué)科研小組重要研究成果中的其一則是直接在光纖端面上進(jìn)行菲涅耳透鏡的微納加工。基于2PP技術(shù)的微納加工使這些2.5D透鏡的設(shè)計迭代和修改變得十分容易。此外，該技術(shù)還可以實現(xiàn)復(fù)雜堆疊3D透鏡設(shè)計的微加工。擁有2PP技術(shù)的Nanoscribe全新Quantum X shape系統(tǒng)為類似和更多創(chuàng)新應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)集成了用于制作光滑表面2.5D光學(xué)元件(如所述菲涅耳透鏡)的雙光子灰度光刻(2GL®)革命性技術(shù)，以及用于制作超高精度自由曲面微納結(jié)構(gòu)的強大3D打印功能。歡迎持續(xù)關(guān)注更多令人激動的消息。
科研項目團(tuán)隊：
斯圖加特大學(xué)第四物理研究所
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