光镊

光学镊子简称光镊，顾名思义，它是利用激光作为操作手段，能够像镊子一样对微观物体进行抓取、捕获、操纵。2018年，阿什金教授在光镊技术领域的开创性贡献获得诺贝尔物理学奖。经过二十多年的发展，气溶胶光镊测量技术，完成了从实验室萌生，到光学技术平台的构建、测量方法的建立等一系列过程，英国目前已经推出了第一代气溶胶光镊仪器（2016，AOT100）。据了解，北京理工大学环境分子科学分子光谱实验室，自2008年开始搭建气溶胶光镊受激拉曼光谱仪器，经过十多年的积累，在仪器的测量精度、重现性、稳定性方面都取得很大进展，已经搭建3套光镊仪器。下面我们走进北京理工大学环境分子科学实验室，了解张韫宏教授实验室搭建的单光束光镊与受激拉曼光谱联合测量系统。第十二届光谱网络会议（iCS2023） 期间，张韫宏教授将在6月15 日下午分享《 单液滴原位物理化学过程的拉曼测量》， 立即报名 》》》 北京理工大学 张韫宏教授《单液滴原位物理化学过程的拉曼测量》（6月15日下午开讲 点击预约席位）张韫宏，北京理工大学化学与化工学院教授，霍英东优秀青年教师基金获得者，入选教育部跨世纪人才培养计划，《光谱学与光谱分析》常务编委；《光散射学报》编委，全国分子光谱专业委员会委员。研究方向为气溶胶物理化学，光谱分析，大气物理化学，分子谱学，胶体与界面化学，结构化学，超分子化学。张韫宏教授课题组多年来一直致力于与环境问题密切相关的大气气溶胶吸湿性的研究，完成国家自然科学基金重点项目1项，面上项目7项，承担国家自然科学基金重大研究计划重点项目1项，面上项目1项。课题组建立了气溶胶流管AFT（Aerosol Flow Tube）结合FTIR观测、气溶胶FTIR-ATR原位探测、压力脉冲技术-快速扫描真空FTIR检测、单液滴光镊悬浮探测、气溶胶液滴两次聚焦共焦拉曼探测等光谱学方法，开展了气溶胶吸湿性、风化动力学过程、非均相化学反应过程等方面的研究，实现了吸湿增长因子、风化结晶速率、分子扩散系数、反应摄取系数等基本理化参数测量。近十几年来在Atmospheric Chem Phys、Anal. Chem.、EST、J. Phys. Chem. A、Phys. Chem. Chem. Phys和化学通报等国内外高水平杂志上发表论文百余篇，被SCI他人引用1500余次。研究论文被EST（2019年11期）和PCCP（2005年14期）选为封页。【摘要】 微液滴是大气气溶胶的一种主要存在形式，与大气水分子、痕量气体时刻发生气液分配和气液化学反应过程，液滴内部也存在风化结晶、传质受阻等过程，本报告主要内容是如何利用拉曼光谱技术，开展气溶胶液滴的物理化学动态过程研究，包括过饱和状态下离子对的形成、风化相变过程、扩散系数测量、pH值测量、反应动力学摄取系数测量等方面的内容。由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国生物物理学会太赫兹生物物理分会等协办由仪器第十二届光谱网络会议（iCS2023）将于6月13-16日举办。iCS2023将聚焦最新、最前沿的光谱技术及应用，特别设立了超快/瞬态光谱最新技术及应用进展、高光谱技术及应用新进展、光谱快检及在线应用技术进展等专场。同时会议也会选择光谱技术在生命科学、环境、材料等领域的应用进展进行深入探讨，为国内外光谱科研工作者及专业技术人士提供一个全新、高效的沟通交流平台，以促进业内交流，提高光谱研究及应用水平。点击立即报名 》》》 报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ics2023/

气溶胶是悬浮在大气中的固态或者液态的颗粒物，极大地影响气候变化、人体健康和大气化学反应过程。不同于伦敦雾和洛杉矶光化学烟雾污染，我国雾霾污染是复合型霾化学机制，存在成分复杂、机制不清状况，需要建立精确的测量方法，获得气溶胶的重要物理化学参数。面对气溶胶对太阳能辐射平衡的不确定性、雾霾关键理化参数的缺失，在迫切期待获得气溶胶的浓度、折射率、吸湿性、挥发性、反应性的数据时，气溶胶光镊应运而生。经过二十多年的发展，气溶胶光镊测量技术，完成了从实验室萌生，到光学技术平台的构建、测量方法的建立等一系列过程，英国目前已经推出了第一代气溶胶光镊仪器（2016，AOT100）。光学镊子简称光镊，顾名思义，它是利用激光作为操作手段，能够像镊子一样对微观物体进行抓取、捕获、操纵。2018年，阿什金教授在光镊技术领域的开创性贡献获得诺贝尔物理学奖。图1 光镊-受激拉曼光谱装置示意图气溶胶光镊如图1所示，以532nm激光作为光源，激光经过100倍油镜（1.25数值孔径），形成光阱能够稳定捕获悬浮单液滴，球形液滴作为一个光学共振腔能够产生很强的受激拉曼信号，即耳语回音模式（WGM），水的OH伸缩振动自发拉曼峰出现在620-660 nm，在水的自发拉曼峰上，会出现4-8组尖锐的受激拉曼共振峰，采用米氏散射模型对受激拉曼信号进行拟合，就能够精确给出悬浮液滴的半径和折射率，具有极高的精度。可以说，气溶胶光镊技术是当前大气气溶胶的物理化学参数最精确的测量技术，它的独特性和精准性，体现在以下几个方面：（1）激光悬浮单个微米尺度的液滴，能稳定悬浮几天的时间，特别适合气溶胶各种老化过程和反应过程的长时间检测；（2）受激拉曼的测量可以提供悬浮液滴半径、折射率、浓度的精准信息，半径的精度可以超过1nm、折射率可达± 2×10-4、浓度的精度可以达到千分之一水平半径（5微米的液滴）。目前，本课题组采用自行搭建的光镊-受激拉曼光谱装置开展了以下几个方面的研究：（1）半挥发性有机物（SVOC）的饱和蒸气压测量，测量范围在10-2到10-7pa；（2）气溶胶液滴中的相分离过程分析；（3）高粘态气溶胶非平衡态动力学传质；（4）痕量气体与液滴反应动力学速率常数测量，能判断痕量气体与悬浮液滴之间的反应，是表面反应还是体相反应。（光镊技术在气溶胶物理化学表征中的应用，中国光学，doi: 10．3788 /CO.20171005.0641 ）特别是，我国雾霾事件中二次硫酸盐生成速度严重被低估，不清楚低二氧化硫排放条件下，为什么还有大量硫酸铵形成。作为一个突出案例，我们通过光镊受激拉曼的测量发现，气溶胶的气液界面加快了过渡金属离子催化SO2氧化过程，痕量的Fe（III）和Mn（II）可以使转化速率提升1000倍。对各种条件如液滴的pH、反应场所、离子强度、氧化剂种类、温度、化学组成是如何影响转化速率的，光镊受激拉曼技术都可以给出明确的分析。（Directly measuring Fe(III)-catalyzed SO2 oxidation rate in single optically levitated droplets，RSC Environ. Sci: Atmos. 2023，https://doi.org/ 10.1039/d2ea00125j ）。另外一个案例，我们利用受激拉曼光谱的高精度，确定了氧化过程到底是发生在表面，还是液滴内部。我们观测了SO2与悬浮硫酸铵单液滴的自氧化反应过程，实现了单液滴中反应引起的纳米级尺寸变化的精确测量，进而给出了反应的动力学参数。通过精确控制环境相对湿度（RH）、反应气体（SO2、NH3）浓度，我们考察了液滴pH（~3.5-~5.5）、离子强度（最高~40 mol/kg）对SO2自氧化过程的影响。在RH、反应物浓度恒定条件下，反应速率在不同的pH区域内表现出不同的变化趋势：pH 4.5时，速率随pH的增大而增大，即与[H+]-1成正比；pH 4.5是反应速率维持恒定，不受pH的影响。据此我们推断在两个pH范围内，SO2自氧化通过不同的机制进行，前者为体相反应过程，后者为表面反应过程。为进一步验证此推断，我们进一步考察了体相、表面条件下，液滴反应过程中半径变化率（dr/dt）与液滴半径（r）的依变关系。结果表明：对于体相条件（pH = 5.04），反应过程中液滴的dr/dt随着液滴半径的增大而增大；而对于界面条件（pH = 3.83），不同半径液滴的dr/dt为常数。由此证明了在这两种条件下，SO2的自氧化过程确实是存在着体相、界面两种反应机制。上述发现不仅为深入认识大气溶胶诸如硫酸盐生成之类的气粒转化问题提供了新的理论视角，也再次证明光镊-受激拉曼光谱技术是研究气溶胶物理化学过程的一个优异手段。（Rapid sulfate formation via uncatalyzed autoxidation of sulfur dioxide in aerosol microdroplets. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 7637-7646） 气溶胶光镊测量液滴的质量在纳克级，液滴的半径精度优于1nm，折射率精度在10-4量级，该仪器在气溶胶计量科学中前景无量。北京理工大学环境分子科学分子光谱实验室，自2008年开始搭建气溶胶光镊受激拉曼光谱仪器，经过十多年的积累，在仪器的测量精度、重现性、稳定性方面都取得很大进展，已经搭建3套光镊仪器，应用于科学研究，培养了一批高水平人才队伍，2022年获得国家自然科学基金重大仪器项目资助，在高端仪器国产化方面进行孵化，力图形成具有自主知识产权的光学仪器。（作者：北京理工大学化学与化工学院 陈哲 曹雪 刘雨昕 刘湃 黄启燊 张韫宏 ）北京理工大学分子光谱实验室简介：北京理工大学分子光谱实验室成立于2003年，隶属于北京理工大学化学与化工学院化学物理研究所。实验室拥有Renishaw共聚焦拉曼光谱仪、Nicolet红外光谱仪、VERTEX 80V真空红外光谱仪、Nicolet iN10显微红外光谱仪、Tweez250si多光阱光镊系统、比表面仪、高速摄像仪等多种先进仪器设备，自主搭建了3台气溶胶光镊受激拉曼仪器。实验室在张韫宏教授带领下，科研队伍逐年壮大。现已经拥有博士生导师2名，副教授1名，预聘助理教授2名，博士后、在读博士、硕士研究生十余名。主要围绕大气物理化学，开展颗粒物形成机制研究。

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 Lenseshttps://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.9b01024更多有关3D双光子无掩模光刻技术和产品咨询欢迎联系Nanoscribe中国分公司 - 纳糯三维科技（上海）有限公司 德国Nanoscribe 超高精度双光子微纳3D无掩模光刻系统： Photonic Professional GT2 双光子微纳3D无掩模光刻系统 Quantum X 双光子灰度光刻微纳打印设备 Quantum X shape 双光子高性能3D微纳加工系统