Plasmonische pincet: voor optische trapping op nanoschaal en nog veel meer

Optische pincetten en bijbehorende manipulatietools in het verre veld hebben een grote impact gehad op wetenschappelijk en technisch onderzoek door nauwkeurige manipulatie van kleine objecten aan te bieden. Meer recentelijk heeft near-field-manipulatie met oppervlakteplasmonen kansen geopend die niet haalbaar zijn met conventionele optische far-field-methoden. Het gebruik van oppervlakte plasmon-technieken maakt excitatie van hotspots mogelijk die veel kleiner zijn dan de golflengte in de vrije ruimte; met deze opsluiting vergemakkelijkt het plasmonische veld het vangen van verschillende nanostructuren en materialen met een hogere precisie. Het wordt algemeen gebruikt bij het vangen van objecten van micro- en nanometerformaat in verschillende wetenschapsgebieden.

In een nieuw overzichtsartikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingenheeft een team van wetenschappers onder leiding van professor Xiaocong Yuan van Nanophotonics Research Center, Shenzhen University, China, en collega’s de principes, ontwikkelingen en toepassingen van de plasmonische pincettechnieken besproken, waaronder zowel nanostructuur-ondersteunde platforms als structuurloze systemen.

Afhankelijk van excitatiesituaties kan oppervlakteplasmon worden onderverdeeld in twee typen: gelokaliseerd oppervlakteplasmon in begrensde geometrieën zoals nanodeeltjes en volledig optische geëxciteerde structuurloze oppervlakteplasmonpolaritonen op een gladde diëlektrisch-metaalinterface. Dienovereenkomstig kan het plasmonische pincetsysteem worden onderverdeeld in structuurtype en volledig optisch gemoduleerd type. Het structurele platform biedt een effectieve benadering om objecten op micro- en nanoschaal te vangen met de voordelen van hoge precisie; terwijl het volledig optisch gemoduleerde type een effectieve aanvulling is voor dynamische manipulatie en het bereik van de trappinggrootte uitbreidt tot mesoscopisch en Mie-bereik. Deze twee soorten plasmonische pincetten vullen elkaar aan en hebben geleid tot talloze en groeiende toepassingen.

Dankzij grote vooruitgang in de fundamentele wetenschap zijn plasmonische pincetten gebruikt om vele soorten materie met verschillende vormen, eigenschappen en composities te manipuleren. Dankzij deze techniek kunnen kleine objecten dynamisch worden gemanipuleerd om te worden gesorteerd en getransporteerd voor lithografie en fabricage op de chip. In het bijzonder zijn biologische deeltjes van alle groottes belangrijke doelwitten voor het vangen, en de plasmonische platforms bieden precies stabiele niet-invasieve sondes voor manipulatie en detectie ervan.

Bovendien kunnen plasmonische hotspots selectief worden gegenereerd als specifieke vallen door het ontwerp van structuren of modulatie van de polarisatie en faseverdeling van excitatie laserstralen. Dergelijke hotspots hebben de voordelen van sterke nabij-veld-energie, waardoor de mogelijkheid wordt geboden om spectroscopische metingen van moleculen die zich in het gebied bevinden te verbeteren door middel van technieken zoals SERS, infraroodabsorptie en fluorescentie-emissiespectroscopie. De precisie van de methode op nanoschaal maakt manipulatie en detectie op moleculair niveau mogelijk, waardoor plasmonische pincetten een belangrijk hulpmiddel zijn voor natuurkundigen, scheikundigen en levenswetenschappers.

“Het mechanisme en relevante verschijnselen in niet-lineaire licht-materie-interacties, en de intracellulaire manipulatie- en detectietoepassingen zullen de mogelijke ontwikkelingsrichtingen en breekpunten van de plasmonische pincettechniek in de toekomst zijn”, voorspellen de wetenschappers.

“Er zijn nog uitdagingen die moeten worden overwonnen in termen van de inherente eigenschappen om de toepasbaarheid van de techniek uit te breiden. Desondanks zijn we ervan overtuigd dat het gebruik van plasmonische pincettechnieken in de nabije toekomst zal blijven groeien, en dat er veel nieuwe toepassingen op dit gebied zullen zijn. zal worden ontwikkeld, ‘voegde ze eraan toe.