用于单细胞分析的微结构光纤探头

如何才能实现在显微镜下捕获和控制类似生物分子甚至活细胞等微小物体？在过去的几十年里，光镊已经成为科学上的既定工具，用于捕获粒子或分析单个分子之间的最小作用力和相互作用。通过集成光纤和衍射微光学，可以推进光镊的进一步发展和小型化。在此基础下，斯图加特大学的研究人员使用Nanoscribe双光子聚合技术（2PP）实现在光纤上进行2.5D菲涅耳透镜和叠堆3D透镜系统的微纳加工。

2018年，Arthur Ashkin因“光镊及其在生物系统中的应用” 荣获诺贝尔物理学奖。事实上，在过去几十年中，这项突破性技术不仅在生物学领域，在许多需要捕获、操纵微观和亚微观粒子或将其放置在特定位置的科学领域，都已成为一种成熟的工具。此外，科学家也使用这些光学陷阱来测量最小的分子相互作用和作用力，如DNA的弹性等。光镊的基本原理是通过光束的小吸引力和排斥力来捕获折射率与周围介质不同的粒子。

光纤端面上打印光镊

通常情况下，光镊需要借助庞大且昂贵的设置，例如高数值孔径的物镜。而现在，斯图加特大学的科学家们已经开发了一种高效的小型化光镊，即通过基于双光子聚合（2PP）技术的Nanoscribe微纳加工系统直接打印到光纤末端。这些在光纤上打印的光阱被放置在双光束反向传播装置中。这意味着，两个带有附加光学捕捉系统的光纤端彼此直接相对对齐，并且可以在反向传播激光源的两个焦点相交处捕获粒子。利用光纤端面上打印光镊，研究人员证明了在水中1µm和500 nm聚苯乙烯珠的高效粒子捕获。

2.5D 菲涅耳透镜和堆叠 3D 透镜组设计

科学家们设计并优化了三个工作距离分别为 50、100 和 200 微米的光纤粒子捕捉系统。使用 Nanoscribe Photonic Professional 微纳加工系统，他们将这些光学透镜直接打印在光纤的切割端。这些 3D 打印光学设备的主要架构由两部分组成。在第一部分扩展了在光纤中引导的光束，这对于达到目标工作距离和相关高数值孔径是必需的。然而，光镊的关键还是在微调的菲涅耳透镜，以确保实现有效地聚焦光线以将粒子捕获在预先计算的位置。出于现实原因，科学家们选择直接打印这些衍射设计元件，而非传统的球面透镜。光纤上打印折射透镜的设计具有挑战性曲率的问题。而菲涅耳透镜设计可以轻松调整到所需的工作距离和高数值孔径。研究人员在光纤末端直接打印了三种不同的衍射透镜，设计外缘的最小横向特征尺寸达到 1.67 µm，轮廓高度为 3.88 µm。

单个 2.5D 菲涅耳透镜的设计和直接打印在光纤上的衍射透镜的 SEM 图像（上图）。两个堆叠菲涅尔透镜的设计，以及相对应在光纤上直接打印结果的 SEM 图像（下图）。基于 2PP 微纳加工所具备的极高设计自由度，轻松实现调整衍射元件的光学特性。

对于具有高数值孔径的光镊，Nanoscribe的2PP技术证明了其真正的潜力。如果在光纤端部使用单个菲涅耳透镜则无法获得高数值孔径。科学家们另辟蹊径，将两个透镜打印在彼此的顶部，由支撑第二个透镜的六根柱子隔开。这种设计离不开真正的3D打印技术。由于所有的光镊都能够在低激光功率下稳定捕获（亚）微米大小的聚苯乙烯测试珠，因此这对于生物学应用中避免高激光功率损坏有机样品的软组织至关重要。

Nanoscribe科技打造未来应用

斯图加特大学科研小组重要研究成果中的其一则是直接在光纤端面上进行菲涅耳透镜的微纳加工。基于2PP技术的微纳加工使这些2.5D透镜的设计迭代和修改变得十分容易。此外，该技术还可以实现复杂堆叠3D透镜设计的微加工。拥有2PP技术的Nanoscribe全新Quantum X shape系统为类似和更多创新应用奠定了基础。该系统集成了用于制作光滑表面2.5D光学元件（如所述菲涅耳透镜）的双光子灰度光刻（2GL®）革命性技术，以及用于制作超高精度自由曲面微纳结构的强大3D打印功能。欢迎持续关注更多令人激动的消息。

科研项目团队：

斯图加特大学第四物理研究所

欢迎阅读相关科学出版物：

Highly Efficient Dual-Fiber Optical Trapping with 3D Printed Diffractive Fresnel Lenses

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.9b01024

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