NanoTweezer新型激光光镊系统,NanoTweezer显微镜纳米操控转换装置
原子力显微镜-扫描电子显微镜共定位表征系统的研发与应用
第 30 卷第 1 期分析测试技术与仪器Volume 30 Number 1 2024年1月ANALYSIS AND TESTING TECHNOLOGY AND INSTRUMENTS Jan. 2024大型仪器功能开发(53 ~ 57)原子力显微镜-扫描电子显微镜共定位表征系统的研发与应用蔡 蕊，万 鹏，徐 强，吕天明，孙智广（大连理工大学分析测试中心，辽宁大连 116024）摘要：微纳加工过程中，常有样品需要进行聚焦离子束（FIB）溅射、切割，扫描电子显微镜（SEM）以及原子力显微镜（AFM）表征，而这三类仪器都需要将样品固定在样品台上才可测试，固定不佳会影响表征结果. 但固定好的样品在不同仪器之间转移、拆卸、再固定的过程中极易受到破坏. 基于以上问题，设计了AFM-SEM-FIB样品共定位系统，可实现样品在此三种仪器之间的无损转移及共定位，避免珍贵样品破坏及目标丢失，以及解决AFM扫描无法控制方向、迅速调整位点等问题. 在微纳表征中有优异的表现，系统已被开发成产品并量产销售.关键词：共定位系统；原子力显微镜；扫描电子显微镜；聚焦离子束；微纳表征中图分类号：O657；TH742 文献标志码：B 文章编号：1006-3757（2024）01-0053-05DOI：10.16495/j.1006-3757.2024.01.009Development and Application of Atomic Force Microscope-Scanning Electron Microscope Co-positioning Characterization SystemCAI Rui， WAN Peng， XU Qiang， LV Tianming， SUN Zhiguang（Instrumental Analysis Center, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning China）Abstract：In the process of micro-nano machining, samples often need to be sputtered and cut by focused ion beam (FIB), and characterized by scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). Samples need to be fixed on the sample table before tested by these three instruments. However, poor fixation will affect the characterization results, but the firmly fixed samples are easy to be destroyed in the process of transfer, disassembly and re-fixation between different instruments. Based on the above problems, the AFM-SEM-FIB sample co-positioning system was designed, which could realize non-destructive transfer and co-positioning of samples between the three instruments, and avoid the precious samples destruction and loss of targets. And the problems were solved that AFM scanning cannot control the direction and quickly adjust the location. With excellent performance in micro-nano characterization, the system has been developed into products and sold in large quantities.Key words：co-positioning system；atomic force microscope；scanning electron microscope；focused ion beam；micro-nano characterization收稿日期：2023−11−15； 修订日期：2023−12−19.基金项目：大连理工大学大型设备开发改造项目（SYSWX202205）[Dalian University of Technology, Large-Scale Instrument Function Development Technology Innovation Project (SYSWX202205)]作者简介：蔡蕊（1984−），女，博士，主要从事微区表征研究工作，Email：***************.cn通信作者：徐强（1978−），女，高级工程师，主要从事分子光谱及管理工作，Email：****************.cn.原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）[1]是亚微米、纳米级形貌[2]，纳米磁学[3]、电学[4]、力学[5]、生物学[6]研究领域必要的表征手段[7-8]. 但在微纳极窄样品表征时，AFM的探针只沿固定方向扫描，无法调整所需角度. 若样品放置的方向不正，受针尖性状、力学性质等影响[9]，不但无法得到高质量扫描图像，而且还为后期谱图的处理（拉平基线）制造困难. 除此以外，在纳米力学摩擦力测试中，对于各向异性样品的摩擦力测试，需要样品在特定的方向上进行[10]. 而现有的AFM，尤其是生物型AFM，在对微纳极窄型等需要以一定方向呈现的样品进行扫描时，无法迅速、可控的变换样品方向，移动远距离的扫描位点.在微纳加工时，常使用聚焦离子束（focused ion beam，FIB）对样品表面原子进行剥离，以完成微纳米级表面形貌加工，加工后需要使用AFM进行形貌表征[11]，或者转移到其他扫描电子显微镜（SEM）观察，以精准测量尺寸等. 而这三类仪器在测试过程中，都需要将样品固定于样品台上，保证在测试中不会移动（均为纳米级形貌表征，微小移动也会影响溅射、成像的精准度）才可进行测试. 而样品一般比较脆弱，从导电胶上取下再向不同仪器的样品台上转移时十分容易损坏样品，导致直接碎裂或者镊子用力夹持导致碎渣崩到样品表面，影响成像效果，如图1所示.为解决以上现有技术的缺点和不足之处，本设计计划提供一种AFM、SEM和FIB的样品共定位系统，其可实现仪器间样品无损转移，并通过参照点的辅助定位找到测试位点，建立起三个重要表征仪器之间的桥梁，还可实现AFM扫描方向可控、迅速调整位点等功能.1 试验部分1.1 仪器与试剂共定位系统（自主研制）；原子力显微镜Nanowizard 4XP（美国Bruker公司）；超高分辨场发射扫描电子显微镜7900F（JEOL日本电子株式会社）；聚焦离子束Helios G4 UX（美国赛默飞世尔科技有限公司）；光刻图案化后的样品（自制）；FIB溅射后的沟槽样品（自制）；探针SNL-10（美国Bruker公司）.崩到表面的硅片渣取下时, 样品损伤碎渣、杂物, 严重影响形貌表征导致图1 样品由于拆卸造成的损坏及对AFM形貌表征的影响Fig. 1 Damage of sample caused by disassembly and its effect on AFM morphology characterization1.2 试验方法1.2.1 共定位系统的研发装置功能：（1）在AFM检测过程中，固定、快速移动样品（扫描位点），转换样品方向. （2）FIB、SEM和AFM的样品共定位系统：AFM、FIB、SEM 样品台适配模块，具有辅助定位点（与操作系统XY 坐标关联，实现定位），样品固定在该模块上，将模块放入固定器的卡槽中，即可用于AFM扫描. 将该模块从卡槽拆卸下来，即可直接作为SEM和FIB 样品台，带着固定好的样品进行检测，避免样品在不同仪器样品台间的拆卸转移过程中受到破坏.装置构造及用途：（1）转盘A，转盘下方的圆形凸起可嵌入底盘F的圆形镂空，且紧密接触，有一定阻尼，可转动，但不易打滑. 包括：两根长方形夹棍C，每根夹棍靠两根弹簧轴B固定到转盘两侧，两根夹棍C可依靠弹簧B的推力夹紧样品或样品托盘D，防止滑动. 把手螺丝E，与底盘F保持水平位置，拧松把手螺丝E可作为转动转盘A的把手，拧紧把手螺丝E，螺丝的另一端抵住底盘F的边缘，可固定好转盘. 用于调整样品的角度. 脚柱槽H-3用于放置脚柱H-2. （2）底盘F，铁质或者铝制，可吸附在AFM的载物台上（依靠磁力或吸力），底盘F 中心有圆形镂空，可将转盘A嵌入，底盘F和转盘A的接触位置有一定阻尼，可转动，但不易打滑. 形状可根据实际调节，不限制. （3）FIB、SEM样品台适配模块H，因考虑到SEM不可用带有磁性的样54分析测试技术与仪器第 30 卷品台，因此模块H为铝制. 模块H包括类圆形样品台H-1和脚柱H-2，脚柱H-2取下时为防止丢失可置于转盘A上的脚柱槽H-3中，使用时取出. 样品固定在该模块的类圆形样品台H-1上，将该类圆形样品台H-1对准位置放入样品托盘D的凹槽D-1中，两边由夹棍C夹住，用于AFM的扫描，通过转动转盘A、沿着夹棍C方向推拉样品托盘D改变角度和位置. （4）样品托盘D，长方形. 带两种尺寸的凹槽. 凹槽D-1：尺寸与普通市售载玻片尺寸吻合.尺寸微小、比较薄的样品可以先固定在载玻片上，再将载玻片置于此凹槽内，载玻片、样品托盘D被夹棍固定住，有阻尼，但可以拖动，可沿着夹棍C的方向移动样品，迅速更换扫描位置. 凹槽D-2：尺寸与FIB、SEM样品台适配模块H中类圆形样品台H-1形状一致，可放置该类圆形样品台H-1，夹棍C 夹住后，随样品托盘D移动. 如图2所示.类圆形样品台H-1取下后可直接作为SEM样品台使用. 底部中央有螺纹孔，脚柱H-2的螺纹和尺寸与SEM内用于固定样品台的螺纹柱尺寸一致，可通用. 将该模块的类圆形样品台H-1从样品托盘D的凹槽D-1中拆卸下来，即可直接拧在SEM样品台固定位置，作为SEM样品台直接用于测试，具有辅助定位点（与操作系统XY坐标关联，实现定位）. 类圆形样品台H-1拧上与之匹配的脚柱H-2，即可作为FIB样品台，用于FIB的溅射等操作. 该适配模块H的尺寸适用于大部分品牌的FIB和SEM仪器，或根据SEM、FIB所需具体的尺寸制作.脚柱H-2尺寸较小，为防止丢失，不使用时可放置于转盘A上的特定脚柱槽H-3内保存. 该适配模块H无需将固定好的样品取下来转移到另外的样品台上，可避免样品在不同仪器样品台的拆卸转移过程中受到破坏，具有保护测试样品、便捷、实用性强等优点.1.2.2 微纳表面形貌表征方法AFM形貌表征条件：将微纳图案化样品或由FIB溅射的沟槽样品置于自主研制的共定位系统上，导电胶粘牢，且保证水平. 顶置10X光镜XY坐标协助定位. 使用Quantitative Imaging（QI）模式，Setpoint为 0.3 V，Zlength为 200 nm，Zspeed为 77µm/s. SEM形貌表征测试加速电压为10 kV.底盘 F 俯视图把手螺丝 E转盘 A脚柱 H-2/脚柱槽 H-3脚柱 H-2类圆形样品台 H-1类圆形样品台 H-1弹簧 B夹棍 C样品托盘 D FIB、SEM 样品台适配模块 H图2 共定位系统整体及分解图Fig. 2 Overall and decomposition diagrams of co-positioning system2 应用案例-微纳加工材料表征中的应用效果以光刻图案化后的样品为案例，对设计的共定位系统进行应用. 极紫外光刻材料的研发一直是半导体芯片产业的瓶颈之一[12]，开发新型极紫外光刻胶材料具有重大的战略意义. 光刻胶膜表面形貌和粗糙度是评价光刻胶质量的重要指标[13-16]. 图案化的光刻有机膜，需要使用AFM和SEM表征证实其在电子束光刻和极紫外光刻测试中的表现. 使用本文设计的共定位系统，可以很好实现该样品在SEM、FIB和AFM之间的转换和样品定位，并且在AFM 表征中轻松实现方向调整和样品快速移位.如图3所示，光刻图案化后的样品（自制）需要先在SEM或FIB上进行电子束光刻蚀，刻蚀完毕后，在AFM上进行粗糙度测试以及3D成像. 使用所设计的共定位系统中的适配模块H作为样品台，实现了样品在三种仪器间的自由切换，无需拆卸，避免了样品损伤，还可以使用共定位功能，锁定目标区域分别进行SEM、AFM成像，操作便捷，节省了大量时间. 除此之外，以沟槽样品（自制）作为样本，使用AFM测试其沟槽的尺寸时，调整溅射的参数第 1 期蔡蕊，等：原子力显微镜-扫描电子显微镜共定位表征系统的研发与应用55后，需要先在FIB 上完成溅射，再置于AFM 上成像和测量. 若沟槽放置倾斜，会使计算存在偏差或成像出现瑕疵. 因此需要将沟槽角度调整于合适方向.如图4所示，使用所设计的适配模块H 固定样品，先后进行了FIB 和AFM 测试，利用所设计的共定位系统使得操作简便，并且测试结果优异.图4 固定于FIB 、SEM 样品台适配模块H 的类圆形样品台H-1上的FIB 溅射后的沟槽样品，需要测试其沟槽尺寸（a ）经AFM 表征，发现沟槽方向倾斜，（b ）经转盘调整角度后，摆正方向Fig. 4 Groove samples after FIB sputtering fixed on disk-like sample stage H-1 of FIB and SEM sample tablesadaptation module H, tested size of groove(a) groove direction was tilted after AFM characterization,(b) groove positioned in right direction after adjusting angleof turntable3 结论与现有的技术相比，所设计的共定位系统可建立AFM 、SEM 和FIB 三大形貌表征仪器之间的桥梁，不但可以保护珍贵样品不被损坏，还可大幅提高样品测试效率以及效果. 另外，其快速移位和变换方向功能可大幅提升方向依赖形貌、磁学、摩擦力等测试的成功率和图像效果，并且提升原有载物台的样品测试范围和速度，方便快捷，实用性强.参考文献：Binnig G, Quate C F, Gerber C. Atomic force micro-scope [J ]. Physical Review Letters ，1986，56 （9）：930-933.［ 1 ］Kim Y J, Son K, Choi I C, et al. Exploring nanomech-anical behavior of silicon nanowires: AFM bending versus nanoindentation [J ]. Advanced Functional Ma-terials ，2011，21 （2）：279-286.［ 2 ］Meng X H, Zhang H, Song J M, et al. Publisher cor-rection: broad modulus range nanomechanical map-ping by magnetic-drive soft probes [J ]. Nature Com-munications ，2018，9 （1）：1-2.［ 3 ］Wang M H, Zhao Y P, Jiang X Q, et al. Rational selec-tion of the polymeric structure for interface engineer-ing of perovskite solar cells [J ]. Joule ，2022，6 （5）：1032-1048.［ 4 ］Xia F N, Wang H, Xiao D, et al. Two-dimensional ma-terial nanophotonics [J ]. Nature Photonics ，2014，8（12）：899-907.［ 5 ］骆芸尔, 高珊, 伊艺, 等. 脱氧核糖核酸变性和损伤的原子力显微镜液相观察[J ]. 分析测试技术与仪器，2022，28（3）：241-246. [LUO Yuner, GAO Shan, YI Yi, et al. Study on denaturation and damage of［ 6 ］SEMAFMAFM-3DSEMAFM5 μm5 μm5 μm8 nmYZ 0X 30 nmAFM-3D30 nmY ZX 20 nm45.3 nm20.5 nm0 nm0 nm1 μm图3 图案化微纳有机膜表面SEM 、AFM 表征Fig. 3 Characterization of SEM and AFM on surface of patterned micro-nano organic films56分析测试技术与仪器第 30 卷deoxyribonucleic acid in liquid phase using atomic force microscopy [J ]. Analysis and Testing Techno-logy and Instruments ，2022，28 （3）：241-246.]Deng W, Zhang X J, Wang L, et al. Wafer-scale pre-cise patterning of organic single-crystal nanowire ar-rays via a photolithography-assisted spin-coating method [J ]. Advanced Materials ，2015，27 （45）：7305-7312.［ 7 ］Garcia R, Knoll A W, Riedo E. Advanced scanningprobe lithography [J ]. Nature Nanotechnology ，2014，9（8）：577-587.［ 8 ］Li P P, Ju P F, Ji L, et al. Toward robust macroscalesuperlubricity on engineering steel substrate [J ]. Ad-vanced Materials (Deerfield Beach, Fla)，2020，32（36）：e2002039.［ 9 ］Ling X, Lee Y H, Lin Y X, et al. 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光镊实验的研究内容
光镊实验的研究内容光镊实验是一种基于光力学原理的实验方法，通过利用光的动量对微小颗粒施加力的特性，实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的研究内容主要包括光镊原理、光镊系统设计和应用等方面。
光镊原理是光镊实验的基础，其核心思想是利用激光束对微小颗粒施加光压力，产生一个与光束传播方向相反的恒力，从而实现对微小颗粒的操纵。
根据光镊原理，可以将光束聚焦到一个微小的焦点，形成一个光学陷阱，通过调整光束的参数，可以调节光陷阱的位置和力度，实现对微小颗粒的精确操纵。
光镊系统的设计是光镊实验的关键环节，它包括光源、透镜、光阑、光学陷阱等组成部分。
其中，光源是提供激光束的光源装置，通常使用激光器作为光源，激光器可以提供高强度、单色、相干性好的激光束。
透镜用于对激光束进行聚焦，可以将激光束聚焦到一个微小的焦点。
光阑用于控制激光束的直径和形状，可以调节光束的参数。
光学陷阱是光镊系统的核心部分，通过光学陷阱可以实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的应用非常广泛，涉及生物医学、纳米技术、物理学等多个领域。
在生物医学领域，光镊实验可以用于单细胞操纵、细胞捕获和操纵、蛋白质分子的定位等研究。
在纳米技术领域，光镊实验可以用于纳米颗粒的组装、纳米器件的制造等研究。
在物理学领域，光镊实验可以用于研究光与物质的相互作用、光与物质的能量转换等基础问题。
光镊实验的研究还面临一些挑战和困难。
首先，光镊实验需要高质量的激光束，因此对光源的要求较高。
其次，光镊实验对光学系统的要求也较高，需要高质量的透镜和光阑。
此外，光镊实验对环境的要求也较高，需要较低的振动和干扰。
光镊实验是一种基于光力学原理的实验方法，通过利用光的动量对微小颗粒施加力的特性，实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的研究内容包括光镊原理、光镊系统设计和应用等方面。
光镊实验在生物医学、纳米技术、物理学等领域有广泛的应用前景，但也面临一些挑战和困难。
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比色杯检测模块Thermo Scientific TM NanoDrop TM One C分光光度计增加了实验的灵活性，拓宽了动态范围。
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光学镊子(optical tweezers)
光學鑷子(optical tweezers)清華大學物理系近代物理實驗室初稿2003/10/31一、 目的使用雷射光捕捉微米粒子。
二、 原理粒子被拉向焦點來自物鏡的光 粒子受到向上的力 粒子受到向下的力 粒子受到向左的力 =粒子中心 =光焦點 F三、儀器二極體雷射(658nm,23mW)，修改過的鹵素桌燈20W，平凸透鏡，三軸式移動平台，100倍油物鏡(NA=1.25)，高黏滯性物鏡油，網路攝影機。
實驗裝置如圖一所示。
四、裝置實驗裝置如圖一所示。
本實驗裝置分成兩部分:光學顯微鏡系統和雷射光源系統。
實驗者可透過光學顯微鏡(先架設)，看到微米粒子的運動情況。
用來捕捉微米粒子的雷射光束由雷射光源系統產生。
架設實驗裝置時，保持光束(雷射和顯微鏡)在同一平面，可簡化稍後光束的校直(aligment)工作。
利用名片卡將全部的光學元件調整到接近參考高度，但與雷射光路徑成90度垂直的顯微鏡光路徑較難調整。
1.光學顯微鏡系統顯微鏡光源是修改過的20W鹵素桌燈，並使用兩片平凸透鏡將光聚在樣本上。
樣本是垂直的固定在三軸式移動平台，用於側向移動樣本與聚焦。
我們選擇100倍顯微物鏡，因為物境的透鏡與樣品均鉛垂放置，所以須使用高黏滯性物鏡油。
微米粒子將在距物鏡背面約160mm的位置成像，直接將影像投射到網路攝影機(Web camera)的CMOS探針上(須先將攝影機前端的透鏡移除) ，最後再將數位影像訊號傳至電腦。
2.雷射光源系統從二極體雷射出來的雷射光先後經過平面鏡與雙色面鏡(dichroicmirror) ; 需使用兩面鏡子調整雷射光束，使光束與顯微鏡光軸(物鏡光軸)重合。
雙色面鏡的主要特性是將雷射光反射至物鏡內，同時讓影像光束通過。
在兩面鏡間放入一個凸透鏡，使光束聚焦於物鏡背面160mm處，是為了得到強度分布較尖銳的雷射光束。
五、步驟1.先利用雷射光束進行粗調，將兩面平面鏡與鹵素燈座調整至適當位置(雷射光束經兩面平面鏡反射後仍在同一高度)。
生命科学研究中的光镊技术
３
虽然处理光与微粒相互作用，严格地说，应该用 光的电磁理论，特别是对尺寸小于光波长的粒子。这 里为了阐明梯度力的概念，形象地揭示出光是如何产 生对微粒的束缚力的，我们以透明介质小球为对象， 采用几何光学近似来考察光穿过介质小球的行为和分 析光作用于物体的力。对于几微米的小球来说，几何 光学模型是合适的近似。
光是一种特殊的物质，它与人类生活的关系非 常密切，伴随着人类文明的发展，人们对光的认识也 越来越深入。光携带有能量和动量，光与物质相互作 用时彼此交换能量和动量，产生各种效应。人们由日 常的经验很容易认识到光携带有能量，光与物质相 互作用使物体的温度升高， 称之为光的热学效应，比 如最重要的天然光源太阳，它的辐射带给地球热能；
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｉｎ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｌｉ Ｙｉｎ－ｍｅｉ Ｌｏｕ Ｌｉ－ｒｅｎ
（Ｕｎｉｖｅｒｉｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｈｉｎａ， Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｈｅｆｅｉ ２３００２６， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｇａｉｎｅｄ ｇｒｅａｔ ｓｕｃｃｅｓｓ ｓｉｎｃｅ ｉｔ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ １８ ｙｅａｒｓ ａｇｏ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔ， ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｎｏｖｅｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ， ｔｈｅｎ ｉｔｓ ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｎ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｌｉｆｅ ｓｃｉｅｎｃｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｉ ｎｌ ｉｆｅｓ ｃｉｅｎｃｅ．
激光光镊技术的原理应用及发展
激光光镊技术的原理应用及发展激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。
激光光镊技术已经在生物医学、材料科学、纳米技术等领域得到了广泛应用，并且在未来有着广阔的发展前景。
激光光镊技术的原理基于光的力学效应。
当激光束聚焦到一个小区域内时，光束中的光子与物质发生相互作用，使得物质受到一个力的作用。
这个力被称为光力学力，它可以通过调节激光束的强度、频率和偏振等参数来控制。
当激光束聚焦到一个微小颗粒上时，光力学力可以使得颗粒受到一个稳定的力，从而实现对其位置的精确控制。
激光光镊技术的应用领域非常广泛。
在生物医学领域，激光光镊技术可以用于细胞操控、细胞分离、细胞注射等操作。
通过激光光镊技术，可以实现对单个细胞的精确操控，从而进行细胞实验、药物筛选等研究。
在材料科学领域，激光光镊技术可以用于纳米材料的制备和操控。
通过激光光镊技术，可以实现对纳米材料的精确操控，从而制备出具有特定结构和功能的纳米材料。
在纳米技术领域，激光光镊技术可以用于纳米的操控和纳米设备的制造。
通过激光光镊技术，可以实现对纳米的精确操控，从而实现纳米设备的制造和操作。
激光光镊技术的发展前景非常广阔。
随着激光技术的不断进步，激光光镊技术的精度和稳定性将会得到进一步提升。
同时，激光光镊技术的应用领域也将不断拓展，将会在更多领域发挥重要作用。
例如，在生物医学领域，激光光镊技术可以用于癌症治疗、基因编辑等前沿研究。
在材料科学领域，激光光镊技术可以用于纳米材料的合成和改性。
在纳米技术领域，激光光镊技术可以用于纳米的制造和应用。
激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。
激光光镊技术在生物医学、材料科学、纳米技术等领域得到了广泛应用，并且在未来有着广阔的发展前景。
随着激光技术的不断进步，激光光镊技术的精度和稳定性将会得到进一步提升，其应用领域也将不断拓展。
激光光镊技术的原理应用及发展激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。
眼见为实：超高速视频级原子力显微镜实时成像CRISPR基因编辑过程
眼见为实：超高速视频级原子力显微镜实时成像观察CRISPR基因编辑过程北京佰司特科技有限责任公司自2012年以来，研究人员常用一种叫做CRISPR的强大“基因组编辑”技术对生物的DNA序列进行修剪、切断、替换或添加。
CRISPR来自微生物的免疫系统，这种工程编辑系统利用一种酶，能把一段作为引导工具的小RNA切入DNA，就能在此处切断或做其他改变。
CRISPR已经成为生命科学领域受关注的基因编辑技术，其效果得到大家一致认可。
虽然科学家可通过RT-PCR、WB等方法间接证明CRISPR的功能，但仍未有直接的证据来证实。
究其原因：一是生物分子间的相互作用速率快，需要高速的成像手段才能捕捉到；二是生物分子比较小，通常为纳米级，普通显微镜由于受光学衍射限所限不能分辨。
日本Kanazawa University的科学家利用超高速视频级原子力显微镜（High-Speed Atomic Force Microscope，HS-AFM）实时成像，成功观察到了CRISPR基因编辑的过程，为CRISPR技术的有效性提供了直接的证据。
超高速视频级原子力显微镜（High-Speed Atomic Force Microscope，HS-AFM）由日本Kanazawa 大学Prof. Ando 教授团队研发，日本RIBM公司（生体分子计测研究所株式会社，Research Institute of Biomolecule Metrology Co., Ltd）商业化的产品，可以达到视频级成像的商业化原子力显微镜。
HS-AFM突破了传统原子力显微镜“扫描成像速慢”的限制，能够在液体环境下超快速动态成像，分辨率为纳米水平。
样品无需特殊固定，不影响生物分子的活性，尤其适用于生物大分子互作动态观测。
超高速视频级原子力显微镜HS-AFM主要有两种型号，SS-NEX样品扫描（Sample-Scanning HS-AFM）以及PS-NEX 探针扫描（Probe-Scanning HS-AFM）。
试述OT的实验的原理及应用
试述OT的实验的原理及应用OT（Optical Tweezers，光镊）是一种基于激光束的技术，利用光束对微小物体施加的光强梯度力可将其捕获、操纵及测量。
光镊技术具有极高的精度和灵活性，已在生物医学领域、物理学领域、纳米技术领域等多个领域得到广泛应用。
光镊技术的实验原理是利用激光束对微观物体施加光强梯度力。
当激光束通过具有高折射率和低吸收率的微观物体时，会在物体两侧形成光强梯度。
在光强梯度的作用下，微观物体会朝向光强较高的位置移动。
具体来说，激光束通过一块物质时，光线会一部分被反射，一部分被折射，形成驻波光场。
当微观物体位于驻波光场中心，所受总光学力为零；当微观物体发生偏离时，物体受到光束形成光强梯度力的作用，从而被拉向较强光强区域，最终位置恢复到中心位置。
光镊技术的应用非常广泛。
在生物医学领域，光镊技术可用于单个细胞或细胞内器官的操纵和研究。
通过捕获和操纵细胞，可以研究细胞的力学性质、运动机制以及细胞内分子的相互作用。
同时，光镊技术还可用于研究细胞力的传递和生物流变学等领域。
例如，可以在一个细胞上施加力，观察其对相邻细胞的影响。
此外，光镊还可以用于分析DNA、RNA和蛋白质等分子的物理性质和相互作用，有助于揭示生物分子的结构和功能。
除了生物医学领域，光镊技术也在物理学研究中得到广泛应用。
例如，在凝聚态物理学研究中可以利用光镊技术探索微观粒子间的相互作用力，研究纳米材料的力学性质以及物质间的相互作用。
通过调节光束的参数，可以控制和操纵微观粒子的运动和排列，进而研究凝聚态物理学中的多体现象。
此外，光镊技术还可用于研究和操作纳米材料，如碳纳米管、纳米颗粒等。
光镊技术在纳米技术中也有广泛的应用。
由于光镊技术的高精度和灵活性，它可用于纳米加工和纳米装配。
例如，通过光镊技术可以将多个纳米粒子组装起来构造纳米器件，如纳米电路和纳米机器人。
此外，光镊还可以用于纳米材料的表征和研究。
通过操纵纳米颗粒的运动，可以了解其形态和性质。
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Opto Fluidics公司显微镜纳米操控转换装置NanoTweezer
— NanoTweezer新型激光光镊系统
单细胞、单分子牵引应变
无标记纳米粒子尺寸和成像(Label Free Nanoparticle Sizing and Imaging)
纳米功能化及镀层分析(Nanoparticle Functionalization and Coating
Analysis)
Nanophotonics Based Optical Tweezing - Smallest Particles Ever!
系统亮点：
NanoTweezer新型激光光镊系统的优势：该系统的光学谐振器（A＆B）可以增强由波导产生的光学梯度的强度。
传统的机械镊子夹持物体时必须用镊尖接触物体,然后施加一定压力,物体才能被夹住。
而光镊则不同,它是基于光的力学效应使物体受到光束的束缚,然后通过移动光束来迁移或翻转物体。
与机械镊子相比,光镊夹持和操纵物体的方式是温和而非机械接触的,能够无损伤地捕获和操作微小的活细胞及纳米量级的颗粒。
光镊为研究微观世界提供了一种新手段,可以预见,在21世纪,作为纳米科技和生命科学领域得力工具的光镊技术必将具有广阔的应用前景,也必将成为本研究领域不可或缺的技术手段之一。
用波长为1064纳米的激光将凝聚物移动了近半米,而过去通常采用的磁学方法,只能将凝聚物移动很短的距离.
图2是用光镊搬运聚苯乙烯小球组合成的863图样
1)简洁、操纵捕获能力强：
该系统配备强大的光学捕获系统，可以在5分钟内将显微镜变成纳米操纵工具，进行不同细胞、病毒、核酸、金属纳米粒子、碳纳米管、蛋白的捕获。
2)优于传统光镊系统：
该系统采用以芯片为基础的光子共振捕获技术，可以实现多种应用，如操作远远小于传统的光学镊子的样品，并保持粒子结构不被破坏;实行新类型的试验和分析;避免表面化学;创造新的纳米结构;保留了生物分子方面的基础上，改变了背景的解决方案;捕获单一的细菌，并观察它的分裂等。
3)系统联机能力强：
能与科研级正置显微镜联用
能与激光显微镜拉曼光谱仪联用
该系统将用户的台式仪器和专利的光学谐振nanotweezer芯片技术相结合。
特殊设计的显微镜载能够直接将芯片与现有的显微镜设备连接。
4)捕捉和处理对象更细腻、精准：
普通光镊只能捕捉和处理100纳米及更小的物体；NanoTweezer新型激光光镊系统通过使用最新技术集成光子克服光的散射障碍，该系统的光学谐振器可以增强是由波导产生的光学梯度的强度。
由于集中了更强的光点，可以操纵最大达到1064 nm的粒子，5)操纵捕获对象更广、观测分辨率更高：
由于其操作粒子尺寸增加，所以操作对象涵盖了单个细胞、病毒、核酸、纳米颗粒、碳纳米管和蛋白质的可逆纳米级操作。
并可以捕获你的对象，跟踪他们的运动和表征它们的大小，做出新的纳米结构。
还可以增强生物分子观测的分辨率，捕捉细菌观测器分裂过程。
其应用是无止境的。
6)牵引单细胞、单分子应变
细胞内部的应变能力在通常情况下很难用显微镜观察。
而光镊可对活体细胞进行非侵入微观操纵,能够诱导细胞产生应变.
NanoTweezer系统规格:
新一代纳米激光光镊系统，采用新型集成光学技术，能对纳米至微米级的粒子轻松操作和捕获。
系统主要包括：
光波导芯片
1064nm激光器
控制系统
显微流动池(MNT Waveguide Chips - 25 micron channel with no. 1 cover
glass view port. Equipped with 3 resonator traps)
技术参数如下：
1、系统联机能力：
1.1 能与科研级正置显微镜联用
1.2 能与激光显微镜拉曼光谱仪联用
2、系统联机能力：
2.1 粒子捕获操纵尺寸范围：10nm-5微米
2.2 捕获操纵粒子种类：
A)生物材料，诸如蛋白质聚集体、蛋白质晶体、抗体与微管等等；
B)纳米材料，诸如量子点、碳纳米管、高分子小珠、纳米硅、纳米二氧化钛等。
C) 单个细胞、病毒、核酸、纳米颗粒、碳纳米管和蛋白质的可逆纳米级操作
3、激光器参数：
波长:1065nm，2纳米线宽（可调）
激光功率:0〜500mW连续可调
光学隔离度:33-38 dB隔离度，偏光纤耦合
光纤接口: FC / APC SMPM，NA =0.12，6.6μmMFD
光源类型: 半导体光纤连接法布里- 珀罗激光器- TE模式耦合
波长可调性: 从中心波长为+ /- 3nm
4、显微镜流动池
4.1 最大压力：20psci
4.2 流动速度：80nl/min- 1000ml/hr
5．与显微拉曼光谱仪连用附件
5.1 载物台联接件
5.2 OD6带阻滤光片（1064nm）
NanoTweezer激光光镊应用：
—精确捕获微粒和牵引微粒是光镊最基本的功能
光镊捕获的粒子在几纳米到几微米,在这个尺度上,它提供了一种对宏观现象的微观机理的研究手段,特别是为研究对象从生物细胞到大分子的纳米生物学,提供了活体研究条件,比如激光光镊易于操纵细胞,可有效分离各种细胞器,并在基本不影响环境的情况下对捕获物进行无损活体操作。
通过捕获和分离细胞,可了解细胞的诸多特性,如细胞间的粘附力、细胞膜弹性、细胞的应
变能力及细胞的生理过程等,从而研究细胞的真实生理过程.
1)捕获牵引微粒
用波长为1064纳米的激光将凝聚物移动了近半米,而过去通常采用的磁学方法,只能将凝聚物移动很短的距离.图2是用光镊搬运聚苯乙烯小球组合成的863图样
2)研究细胞的应变能力
细胞内部的应变能力在通常情况下很难用显微镜观察。
而光镊可对活体细胞进行非侵入微观操纵,能够诱导细胞产生应变.
例如光镊发出的近红外连续激光可诱导线虫发生应变,而且在不同激励条件下,线虫的应变各不相同。
科学家研究了红细胞的运动,发现红细胞的自转及其转速与光镊激光源的能
量呈线性递增关系,而含原虫的血样却未发现细胞的旋转或转速有所降低,有人在研究了室温下磷酸盐缓冲液中红细胞的离解过程之后,阐述了非常态条件下细胞的离解机理3) 测量红细胞膜的弹性
红细胞膜弹性是血液的生理功能指标,在测量红细胞膜弹性的技术中,双光镊法是最为直接、准确的方法.
我国科研工作者利用方法设备相对简单、易于实现的单光镊法测量了正常红细胞和经不同浓度氧化苯砷处理的红细胞的膜弹性。
结果显示,浓度与膜弹性间有明显线性关系,这与双光镊法的测量结果一致,从而证实了这种新方法的可行性和灵敏性。
斯奥博达等科研人员将小球附着于血红细胞膜上一点,将这一点从样品池表面拉起,并用中性清洁剂灌注样品池,在溶解该点的脂质膜后，活跃的血红蛋白细胞骨架露了出来,斯奥博达等就在没有复杂表面反应的情况下研究其特性。
还有人把小球附着于细胞表面后,用光镊向外拉小球,使细胞膜突出细的尖足,这种方法可用于研究细胞骨架元的重构,为艰难的细胞骨架研究打开了一道希望之门。
3) 促进细胞融合
把光镊同激光微束(光刀)耦联起来可实现激光诱导细胞融合,当前最先进的转基因技术就是利用光镊和光刀将DNA导入细胞而实现基因转移,这种方法可节约大量资源、缩短转基因时间、提高成功率。
有人用此法研究了精子的游动,并对细胞有丝分裂中后期的染色体进行切割,深入研究了染色体的运动、分布和细胞内应力的作用及某些微重力效应,实现了染色体的精细切割、高效收集和植物原生质的融合。
利用光镊捕获特定精子后,通过光穿孔送到卵周隙协助授精,结果证明紫外激光微束和光镊捕获结合可成功进行显微授精,为解决这一医学难题带来了曙光
4) 对生物分子进行精细操作
由于光镊径向尺寸很小,产生的势阱深度与分子布朗运动的能量相近,所以难以直接捕获.过去通常采用的磁学方法,只能将凝聚物移动很短的距离,NanoTweezer激光光镊用波长为1064纳米的激光将凝聚物精确捕获并移动了近半米。
长链大分子日本学者使用双光镊法成功实现了基因分子的扭转、打结(如图3)
我国科研工作者则用光镊解开了DNA的分子缠绕,深入研究了生物大分子的折叠构像,此法有望解开遗传物质同细胞骨架的缠绕.这些都为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新途径.。