細(xì)胞顆粒表面分析儀測(cè)試系統(tǒng)
利用近場(chǎng)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(gè)重要因素，并對(duì)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(cè)量顆粒表面作用力仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的商用設(shè)備或儀器并不能直觀而有效地達(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(cè)量體系，通過(guò)監(jiān)測(cè)納米粒子與特定波導(dǎo)表面的相互作用來(lái)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(guò)吸附柱中吸附力的大小對(duì)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(lái)對(duì)單個(gè)納米顆粒進(jìn)行測(cè)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(lái)的近場(chǎng)光所捕獲，從而增加了顆粒與波導(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(cè)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(dòng)。
3）由于納米顆粒存在于消逝場(chǎng)中，其表面的散射光使其在暗場(chǎng)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(guò)程中，其位置和亮度被多次測(cè)量，得到上千組數(shù)據(jù)。 
圖1. 納米顆粒會(huì)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(dòng)，即處于勢(shì)阱的底部。
勢(shì)阱
被捕捉在納米光鑷（NanoTweezer）波導(dǎo)表面的納米顆?？杀恍稳轂樘幱谝粋€(gè)勢(shì)阱當(dāng)中。該勢(shì)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(shì)阱底部（波導(dǎo)表面上方一個(gè)特定的度），并在此位置周?chē)霾祭蔬\(yùn)動(dòng)，如圖1 所示。如果光的捕獲力不足，該粒子就會(huì)逃離勢(shì)阱。此勢(shì)阱可通過(guò)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(chǎng)的衰減指數(shù)來(lái)完成勢(shì)阱分析。當(dāng)納米顆粒在平衡位置周
圍振動(dòng)，顯微鏡可利用其高速攝像功能對(duì)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(chǎng)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(cè)量，從而計(jì)算出平滑的勢(shì)阱曲線。隨后，在勢(shì)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(cè)量會(huì)對(duì)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(guò)分析單個(gè)粒子在勢(shì)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(shì)
- 把界面作用力作為一個(gè)整體進(jìn)行分析
- 對(duì)單個(gè)納米粒子進(jìn)行測(cè)量
- 在納米粒子自身環(huán)境下（溶液中）對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)
- 可定制波導(dǎo)/納米顆粒表面性能
- 高測(cè)量靈敏度（Piconewton Range）
測(cè)量模型
對(duì)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(cè)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(wú)關(guān)。消逝場(chǎng)動(dòng)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(lái)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(huì)在平衡度附近振動(dòng)，而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。顯微鏡的高速攝像機(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(chǎng)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(duì)應(yīng)的粒子散射光強(qiáng)度，d 代表波導(dǎo)表面消逝場(chǎng)的衰減波長(zhǎng)（由波導(dǎo)和周?chē)橘|(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(shì)能與其觀測(cè)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(duì)應(yīng)勢(shì)能的zui低值，并可利用如下公式由直方圖計(jì)算得出勢(shì)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(shì)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(duì)應(yīng)的頻率。消逝場(chǎng)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(shì)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(lèi)別及其強(qiáng)度。更重要的是，由于我們?cè)趧?shì)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(wú)關(guān)?；谝陨侠碚?，我們可以對(duì)波導(dǎo)表面進(jìn)行修飾，從對(duì)特定的納米粒子-波導(dǎo)表面相互作用力進(jìn)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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