[論文レビュー] Simultaneous optical trapping and magnetic micromanipulation of ferromagnetic iron-doped upconversion microparticles in six degrees of freedom

Gokul Nalupurackal, M. Gunaseelan+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2022

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、全6自由度で同時に光学的トラッピングと磁気的操作が可能な鉄ドープな上変換性NaYF4:Yb,Er微粒子の実証を示した。粒子の屈折率は1.55、高い磁化飽和値（1 Am²/kg）を有するが、これにより磁性を有するにもかかわらず安定な光学的トラッピングが可能である。975 nm励起下で顕著な上変換発光と顕著な光熱効果を示し、蛍光顕微鏡法や光熱療法への応用が可能である。

ABSTRACT

Optical trapping of magnetic Fe-oxide particles is notoriously difficult due to their high refractive indices, not to mention high absorptivity at the trapping infra-red wavelengths. We synthesize Fe co-doped NaYF4:Yb,Er ferromagnetic upconversion particles that not only have refractive indices conducive for optical trapping, but also heat less than Haematite particles at off-resonant wavelengths. These particles are hexagonal shaped with dimensions of the order of 3 micrometer and also bear high coercivity of 20 mT and saturation magnetisation of 1 Am^2/kg. This enables simultaneous use of optical trapping and magnetic forces to generate micro-manipulation in all the six degrees of freedom of a rigid body. We also show that these particles heat significantly when illuminated on absorption resonance at 975 nm while emitting visible light with possible implications for fluorescence microscopy and photothermal therapy of cancer cells.

研究の動機と目的

• 光学的トラッピング性と強力な磁気応答を併せ持つマイクロ粒子の開発を目的とする。
• Fe酸化物のような高屈折率・高吸収性の磁性粒子における光学的トラッピングの課題を克服することを目的とする。
• 光学的および磁気的力の併用により、マイクロ粒子の全6自由度制御を可能とすることを目的とする。
• これらの粒子が生物学的応用、例えば蛍光顕微鏡法や光熱療法における可能性を検討することを目的とする。

提案手法

• 熱分解法を用いた六角形形状の3–5 µmのFeドープNaYF4:Yb,Er微粒子の合成。
• ヨー、ピッチ、ロール運動を誘導するための可変磁場を発生させるために、リング形状のセラミックフェリト磁石（8 cm離れた位置で30 G）を用いる。
• 光学的トラッピングと光熱励起のそれぞれに1064 nmおよび975 nmレーザー光を用いる。
• 操作中の粒子運動のリアルタイム追跡のため、CMOSカメラ（Thorlabs CS165CU1）を用いる。
• 高精度な位置検出のため、四元形式フォトダイオードを用いた干渉検出法を採用する。
• 第一原理DFT計算（VASP、GGA、PBE関数）を用いて、FeドープNaYF4構造における強磁性の起源を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Feドープな上変換性NaYF4微粒子は、全6自由度で同時に光学的トラッピングと磁気的操作が可能であるか？
• RQ2 FeドープNaYF4における強磁性の起源は何か？結晶構造からどのように生じるのか？
• RQ3 975 nm励起下におけるこれらの粒子の光熱加熱特性はどのように変化するか？生物学的応用に与える影響は何か？
• RQ4 これらの粒子はがん細胞に取り込まれ、治療的応用のために細胞内に安定してトラッピング可能か？
• RQ5 Fe-NYFの屈折率は従来の磁性粒子と比較してどの程度か？光学的トラッピングに有効であるか？

主な発見

• FeドープNaYF4微粒子は屈折率1.55を示し、磁性を有するにもかかわらず効果的な光学的トラッピングが可能である。
• 粒子は高い磁化飽和値1 Am²/kgとコーシャルティ20 mTを示し、強力な磁気的マニピュレーションが可能である。
• 975 nm励起下では顕著な光熱加熱と強い上変換発光を示し、光熱療法や蛍光イメージングへの応用が可能である。
• バキュームおよび空気-水界面環境の両方で、光学的および磁気的力の併用により、全6自由度の粒子のトラッピングとマニピュレーションに成功した。
• DFT計算により、NaYF4格子内におけるFeドーピングが、Feサイトにおける局在的電子状態とスピン偏極を誘発することで強磁性秩序が生じることが確認された。
• 15% Feドープ粒子がMCF-7がん細胞に取り込まれたことが確認され、1064 nmおよび975 nmレーザーを用いた細胞内での単一粒子の光学的トラッピングに成功した。