美國開發出生物友好型納米級光源

科學家開發出生物友好型納米級光源　可在可見光譜范圍內發出相干光

　　據physorg網站2007年6月28日報告，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的研究小組開發出一種能夠在可見光譜范圍內發出相干光的生物友好型納米級光源。一旦該技術得到加強和改進，這種納米級光源的應用前景將十分廣闊，這些應用包括單細胞內窺鏡檢查、其它形式的“亞波長”生物成像技術、基于納米光子技術的集成電路和先進的新型計算機加密法。

　　該項目的主要研究員之一，化學家楊培東說：“我們利用個體納米線開發出了第一種無電極的，持續可調式相干光源，這種光源可以與生理環境相互兼容。”楊培東是納米科學界的權威人士，他在伯克利國家實驗室分子鑄造分部、材料科學分部和加州大學伯克利分校化學系身兼數職。“我們的試驗還表明，這種光源可以利用光學鑷子誘捕并操縱單一納米線，這種能力十分重要，它不僅可以應用于生物成像技術，還可以應用于納米光子集成電路。”

　　生物物理學家簡·里法茨是另一名主要的研究人員，他身兼伯克利國家實驗室物理生物科學分部和加州大學伯克利分校物理系的兩項任職。里法茨說：“有了這種納米線光源好比有了一個微型手電筒，我們可以利用它來掃描整個活細胞，從而在與細胞進行機械式接合的同時用肉眼觀察細胞。”

　　楊培東和里法茨等人發表的文章出現在2007年6月28日版《自然》雜志的封面上，文章的標題是：“可調式納米非線性光學探測器。這篇文章的其它合著者分別為：尤里.納卡亞瑪、彼得.鮑左斯基、亞歷山德拉.拉德諾維克、羅伯特.奧諾拉托和理查德.塞卡里。

　　這些研究員在文章中闡述了一種技術，在這項技術中，鈮酸鉀納米線被合成為特殊的熱水溶液并利用超聲波使其分離。這些納米線的大小高度統一，它們的長度均為數微米，而直徑僅為50納米左右。紅外線激光器發出的一道光束被用于創造允許捕獲和操縱個體納米線的光學“陷阱”。由于鈮酸鉀具有獨特的光學屬性，這種紅外線激光光束還可以充當促使納米線發出可見光的光泵，而這種可見光的色彩是可以選擇的。為了展示該技術的潛力，這些納米線光源被用于從經過特殊處理的光束中產生熒光。

　　“我們的鈮酸鉀納米線的直徑遠遠小于可見光的波長，”楊培東說：“它們還具有優秀的光電屬性和低毒性，此外，它們在常溫條件下的化學屬性是穩定的。因此，它們可以為“亞波長”激光和成像技術提供理想的光源。”里法茨說：“對于顯微鏡觀察法而言，通常的規則是，你要么可以觀察物體，要么可以觸摸物體，利用我們的納米線光源技術，我們把這些能力結合在一個單一的設備中。這將使得我們在肉眼觀察樣本的同時能夠操縱樣本。”

　　納米線光源取得成功的關鍵之處在于鈮酸鉀的非線性光學屬性。這種光學屬性使得正在進入的紅外線光束在被作為可見光發射出去之前，通過相關技術，即二次諧波產生技術（SHG）或和頻產生技術（SFG），其頻率可以被合成或加倍。其結果是光即是可調的，又是相干的，從而實現了相關的技術需求，而這種技術需求曾經一度成為“亞波長”光學中的光電成像和光電控測的主要難題。

　　楊培東和他的研究小組以前曾創造出紫外線納米線納米激光并研制出可以引導和指引光線通過電路的納米帶光學波導，現在他們又開發出新的納米級光源，這些成果為未來的納米光子學技術打下了堅實的基礎。在光子技術中，光波運動取代電子運動成為信息的載體。光子技術有望使未來的計算機和網絡比現在快數千倍。“激光、波導、非線性光學轉換器和光電探測器都是光子技術的重要組成部分，”楊培東說：“一套成熟的納米光子技術將需要這些組成部分創造出納米光子集成電路。它們在其它方面也有著十分重要的應用價值，比如“芯片型實驗室技術（lab-on-a-chip）”或量子加密技術。

　　納米級光源最為重要的影響有可能是在生物成像領域。光學或可見光顯微鏡技術始終是生物學研究的最前沿，因為它允許科學家研究活細胞和組織。然而，鑒于衍射使得光學顯微鏡的分辨率受到限制，通過“亞波長”技術，科學家將可以利用波長小于可見光的光源肉眼觀察物體。對于生物學而言，該技術將使正常條件下看不到的亞細胞結構進入人們的視線。里法茨說：“我們假設單一鈮酸鉀納米線被光線捕獲后可以使該光線的頻率加倍，然后始終為這種本地產生的光線提供波導，這樣一來，開發一種全新的光掃描顯微鏡觀察法將成為可能。除了示范這種掃描傳輸方式，我們還示范了一種熒光模式。”

　　當納米線光源與熒光光束相接觸時，熒光光束在接觸點發射出一種明顯的橙色熒光。當納米線被移開時，橙色熒光立即減弱了80倍，這證明納米線是一種優秀的熒光激發源。“這項試驗表明我們可以在液體環境中創造并操作生物友好型納米級相干光源并利用它們來進行‘亞波長’ 成像，”楊培東說：“我們下一步希望推動單一細胞內窺鏡檢查技術，在該技術中，我們將利用納米級光源和‘亞波長’波導在個體細胞內部進行高分辨率成像。監控活細胞內部進程的能力將極大地改善我們對細胞功能、細胞內生理進程和細胞信號路徑的基本認知。

　　楊培東和里法茨警告稱，納米線光源技術的發展才剛剛起步。里法茨把它比喻為10年前的原子顯微鏡觀察法，那時原子顯微鏡技術也是剛剛起步。里法茨說，這種技術不會取代現有的顯微鏡技術，但是它將幫助科學家做到現在不能做到的事情。“當然，這種納米線光源的潛力如果得到全面發掘，它將會生產大量的新知識。”

　　圖注：本圖展示了納米線光源的熒光模式。抓住紅外光束的納米線與一條熒光光束相接觸，使得熒光光束在接觸點呈現橙色。圖中a的右方有一對可控光束；b是光束的明視場光學圖，其中納米線與最左邊的光束相接觸；c是彩色電荷耦合器熒光圖，圖中可以看到納米線發射出的綠光和光束發射出的橙光；d是相同光束的控制圖，這些光束帶有紅外輻射，但是沒有被捕獲的納米線；e是從c到d的數字減損。

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