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Nanoscribe客戶成就 | 光鑷小型化研究獲得重大突破

閱讀：1291 發(fā)布時(shí)間：2021/11/12

　　用于單細(xì)胞分析的微結(jié)構(gòu)光纖探頭

　　如何才能實(shí)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(guò)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(gè)分子之間的最小作用力和相互作用。通過(guò)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(shí)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(jiǎng)。事實(shí)上，在過(guò)去幾十年中，這項(xiàng)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(lái)測(cè)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(guò)光束的小吸引力和排斥力來(lái)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(kāi)發(fā)了一種高效的小型化光鑷，即通過(guò)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(gè)帶有附加光學(xué)捕捉系統(tǒng)的光纖端彼此直接相對(duì)對(duì)齊，并且可以在反向傳播激光源的兩個(gè)焦點(diǎn)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(jì)

　　科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)并優(yōu)化了三個(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn)有效地聚焦光線以將粒子捕獲在預(yù)先計(jì)算的位置。出于現(xiàn)實(shí)原因，科學(xué)家們選擇直接打印這些衍射設(shè)計(jì)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(jì)具有挑戰(zhàn)性曲率的問(wèn)題。而菲涅耳透鏡設(shè)計(jì)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(jì)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(gè) 2.5D 菲涅耳透鏡的設(shè)計(jì)和直接打印在光纖上的衍射透鏡的 SEM 圖像(上圖)。兩個(gè)堆疊菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)，以及相對(duì)應(yīng)在光纖上直接打印結(jié)果的 SEM 圖像(下圖)?；?2PP 微納加工所具備的*設(shè)計(jì)自由度，輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)整衍射元件的光學(xué)特性。

　　對(duì)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(gè)菲涅耳透鏡則無(wú)法獲得高數(shù)值孔徑?？茖W(xué)家們另辟蹊徑，將兩個(gè)透鏡打印在彼此的頂部，由支撐第二個(gè)透鏡的六根柱子隔開(kāi)。這種設(shè)計(jì)離不開(kāi)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(cè)試珠，因此這對(duì)于生物學(xué)應(yīng)用中避免高激光功率損壞有機(jī)樣品的軟組織至關(guān)重要。

　　Nanoscribe科技打造未來(lái)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?；?PP技術(shù)的微納加工使這些2.5D透鏡的設(shè)計(jì)迭代和修改變得十分容易。此外，該技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜堆疊3D透鏡設(shè)計(jì)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(qiáng)大3D打印功能。歡迎持續(xù)關(guān)注更多令人激動(dòng)的消息。

　　科研項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)：

　　斯圖加特大學(xué)第四物理研究所