细胞颗粒表面分析仪测试系统 
利用近场散射光分析纳米颗粒表面包覆性能 

背景介绍 
纳米颗粒的表面性能是决定其整体功能的一个重要因素，并对胶体及化学稳定性、生物分布、生物学功能和生物毒性等方面有重要影响。尽管各种纳米颗粒在近现代已经得到了广泛的研究和应用，但如何在溶液中有效地测量颗粒表面作用力仍是一个挑战，现有的商用设备或仪器并不能直观而有效地达到此项分析目的。 
纳米光镊系统（NanoTweezer）基于以波导为基础的光学测量体系，通过监测纳米粒子与特定波导表面的相互作用来表征纳米颗粒表面包覆涂层的机械性能。此方法与吸附色谱法（ Adsorption Chromatography）通过吸附柱中吸附力的大小对物质进行化学分离有一定的相似性。不同的是，我们利用波导表面作用力的大小来对单个纳米颗粒进行测量。在此体系中，纳米颗粒以流体的形式被输送至波导附近，并被波导表面渗透出来的近场光所捕获，从而增加了颗粒与波导表面的作用时间，足够对单个颗粒进行上千次以上的测量。 
此项基于波导的光学捕捉和可视化系统可理解为： 
1）纳米颗粒被光学梯度力“锁”在波导表面。 
2）由于散射力的作用，纳米颗粒沿着波导表面移动。 
3）由于纳米颗粒存在于消逝场中，其表面的散射光使其在暗场背景中成为个亮斑。 
4）显微镜的速摄像功能记录每个纳米颗粒的亮度和位置。 
5）在纳米颗粒与波导相互作用的过程中，其位置和亮度被多次测量，得到上千组数据。

图1. 纳米颗粒会在表面斥力和光学捕捉力形成的平衡度附近做布朗运动，即处于势阱的底部。 
势阱 
被捕捉在纳米光镊（NanoTweezer）波导表面的纳米颗粒可被形容为处于一个势阱当中。该势阱由表 
面排斥力和光的捕捉力构成。纳米颗粒喜欢处于势阱底部（波导表面上方一个特定的度），并在此位置周围做布朗运动，如图1 所示。如果光的捕获力不足，该粒子就会逃离势阱。此势阱可通过分析纳米颗粒的位置（度）随时间的变化计算得出，其形状揭示了光学梯度力和表面作用力两者的特性。 
在此系统中，我们利用已知的波导表面消逝场的衰减指数来完成势阱分析。当纳米颗粒在平衡位置周 
围振动，显微镜可利用其高速摄像功能对颗粒的位置和亮度进行记录。亮点表示粒子距离波导表面更近（被捕捉在消逝场更深的位置），而暗点则表示粒子处于距离波导更远的位置。在2-4 秒的时间内，系统可进行数千次的测量，从而计算出平滑的势阱曲线。随后，在势阱曲线中减去已知的光学梯度力的曲线，从而得到纳米颗粒与波导表面作用力的曲线。每次测量会对几百个颗粒进行表面分析，选取其中10 个纳米粒子的分析结果作图，所得到的作用力曲线如图2 所示。 

图2. 通过分析单个粒子在势阱中不同位置的亮度得到其表面性能曲线
规格参数 

主要功能及优势

1. 把界面作用力作为一个整体进行分析
2. 对单个纳米粒子进行测量
3. 在纳米粒子自身环境下（溶液中）对其进行检测
4. 可定制波导/纳米颗粒表面性能
5. 高测量灵敏度（Piconewton Range）

测量模型 
对波导表面捕获的单个纳米颗粒散射光强度进行测量和分析可以得到粒子与波导表面的作用力信息，此信息与粒子本身的大小或光学性能无关。消逝场动态光散射理论是本套系统的基础，该理论也被应

用于全内反射显微镜中用来研究粒子-表面相互作用。
在此模型中，被捕获粒子由于热力学作用会在平衡度附近振动，而此平衡位置是由该粒子与波导表面相互作用的吸引力与排斥力共同决定的。显微镜的高速摄像机（>500
fps）可以记录下纳米粒子在每个位置的散射光强度，并把得到的数据做成直方图（如图3a 所示）。根据已知的波导表面消逝场指数衰减强度函数，纳米粒子离波导表面的距离可用如下公式计算得出：

其中h 代表粒子距离波导表面的瞬时距离，ho 代表平衡度（出现频率zui的度），I 代表粒子瞬时散射光强度，Io 代表平衡度对应的粒子散射光强度，d 代表波导表面消逝场的衰减波长（由波导和周围介质的材料参数计算得出）。根据玻尔兹曼统计，某状态下的势能与其观测到的占有率呈反相关。于是我们可以设定出现频率zui高的度对应势能的zui低值，并可利用如下公式由直方图计算得出势能曲线（如图3b 所示）：

其中V(h) 代表距离波导表面高度为h 处的势能，kB 代表玻尔兹曼常数，T 代表温度，N[I(h)] 代表高度为h 处光强直方图所对应的频率。消逝场中粒子的光能部分为 Eoptical=A*exp(-λh)，其中A 为常数，h 代表粒子距离波导表面的距离，λ 代表衰减速率。在势能曲线中减去光能曲线就能得到粒子表面作用能曲线，如图3c 所示。该表面能-高度曲线的形状取决于纳米粒子与波导表面存在的表面作用力的类别及其强度。更重要的是，由于我们在势能曲线中减去了光能的部分，所以剩下的表面能曲线与纳米粒子的大小及折射率引起的光学效应无关。基于以上理论，我们可以对波导表面进行修饰，从对特定的纳米粒子-波导表面相互作用力进行分析。

NanoTweezer Publications

NanoTweezer 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 Measurement

• Schein, 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 Measurement

• Kong, 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 Binding

• Kang, 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 Assembly

• O’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).