近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授和施宇智教授团队提出了一种基于环形极子响应的介电超表面近场光镊，实现了超高精度的纳米颗粒分选。相关研究成果以“1 nm-Resolution Sorting of Sub-10 nm Nanoparticles Using a Dielectric Metasurface with Toroidal Responses”为题发表于Small Science期刊，并入选Front Cover。
纳米颗粒广泛用于物理、生物、医学、催化和化妆品等领域，颗粒尺寸剧烈影响着其物理、化学等性质。目前，众多纳米颗粒分选手段，如微流控、声镊、介电泳、光镊等，在介电纳米颗粒的分选中，尺寸和分辨率极限分别为20 nm和10 nm左右，进一步突破颗粒分选极限存在挑战。
超表面（metasurface）是一种人工设计的纳米结构，通过精确控制其几何形状和电磁学特性，可以对光、声波或其他波的传播和转换进行高度可定制的调控。当激光垂直照射在对称性破缺的介电超表面时，超表面会出现环形共振响应，电场被局域在数十纳米的热点区域，这种突破衍射光学极限的性质在近场光镊捕获极小尺寸颗粒方面具有优势。
图1. 介电质超表面中多极子模式用于颗粒操控示意图
图1展示了该介电超表面的结构，主要由两种半径不同的硅圆柱组成，在不同波长的线偏振光垂直照射下，会激发出电偶极子、电四极子、磁偶极子和电环偶极子等不同的光学模式，通过这几种不同模式的切换，可以实现纳米颗粒捕获、分选和运输等多种功能。
图2.磁偶极子和电环偶极子模式下聚苯乙烯和外泌体的极限筛选
当波长为1550 nm时，该近场光镊会出现四个十纳米左右的局域热点，如图2（a）所示，此时，在光场梯度主导的梯度力作用下，纳米颗粒在光场中的受力使颗粒倾向于被捕获在热点中。在合适的激光功率下，该近场光镊能捕获亚10纳米的聚苯乙烯颗粒，且不同大小颗粒的势阱深度有显著区别。这意味着，能在特定的激光功率下捕获10 nm的聚苯乙烯颗粒，释放9 nm的聚苯乙烯颗粒，实现亚10 nm聚苯乙烯颗粒的1 nm分选精度。同时，可实现3纳米精度的亚20纳米外泌体分离。
图3.磁偶极子和电环偶极子模式下从颗粒簇中准确分选出中等尺寸颗粒
对于金属颗粒来说，在上述模式的光场中不仅会受到光场梯度主导的梯度力，还会受到电磁能流主导的辐射力。该模式下的能流方向如图3（a）中箭头所示。该能流产生的辐射力会使金属颗粒从热点中被推开，破坏稳定的捕获，从而造成一种反常的现象，即随着颗粒尺寸的增大，势阱深度反而会变小，如图3（b）所示。通过控制激光能量，我们可以实现从30 nm、50 nm、70 nm三种不同的混合金颗粒中，仅捕获50 nm金颗粒，实现中等尺寸的金属颗粒分选。
图4.电偶极子模式下金颗粒的快速分选和运输
在电偶极子模式下，会同时激发出中间的热点和上下的热点槽，在较大的流速条件下，如1500 μm/s，颗粒的运动情况由光力和流体力共同决定。流速变大会破坏颗粒在槽或热点中的捕获，当颗粒的尺寸变大时，其更容易在槽中被捕获，而不是在热点中被捕获。因而，我们可以在高流速的情况下，实现100 nm金颗粒沿光阱槽运输，而80 nm金颗粒保持和流速相同的方向运动，实现金颗粒的快速分选和运输，如图4所示。
本研究对于分选细小生物颗粒如细菌、病毒、外泌体等，具有重要意义，有利于疾病诊断、药物开发、精准医疗等领域的发展。
中国计量科学研究院方向研究员，同济大学施宇智教授，同济大学程鑫彬教授为论文共同通讯作者，同济大学博士研究生罗洪为论文的第一作者，其他具有突出贡献的作者还包括同济大学博士研究生李程峰，中国计量科学研究院戴新华研究员、茹宁副研究员，上海交通大学尤敏敏助理研究员，同济大学博士后何涛，台湾成功大学吴品颉副教授等。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smsc.202300100
