[论文解读] Optical funnel to guide and focus virus particles for X-ray laser imaging

Salah Awel, Sebastian Lavin-Varela+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Photodynamic Therapy Research Studies被引用 1

一句话总结

本文提出一种基于低发散空芯一阶贝塞尔光束的光学导管，利用光致压力力在低压环境中引导并聚焦病毒颗粒，显著提升X射线自由电子激光（XFEL）成像应用中的粒子输送效率。实验表明，该方法实现了高速气溶胶病毒束的三倍横向压缩，显著提高了粒子密度。

ABSTRACT

The need for precise manipulation of nanoparticles in gaseous or near-vacuum environments is encountered in many studies that include aerosol morphology, nanodroplet physics, nanoscale optomechanics, and biomolecular physics. Photophoretic forces, whereby momentum exchange between a particle and surrounding gas is induced with optical light, were recently shown to be a robust means of trapping and manipulating nanoparticles in air. We previously proposed a photophoretic 'optical funnel' concept for the delivery of bioparticles to the focus of an x-ray free-electron laser (XFEL) beam for femtosecond x-ray diffractive imaging. Here, we describe the formation of a high-aspect-ratio optical funnel and provide a first experimental demonstration of this concept by transversely compressing and concentrating a high-speed beam of aerosolized viruses by a factor of three in a low-pressure environment. These results pave the way toward improved sample delivery efficiency for XFEL imaging experiments as well as other forms of imaging and spectroscopy.

研究动机与目标

• 为解决当前在X射线自由电子激光（XFEL）单颗粒成像（SPI）中样品输送效率低下的问题，即少于0.1%的X射线脉冲能击中颗粒。
• 开发一种利用光学力在真空或低压环境中提高纳米颗粒束密度与精度的方法。
• 实验验证基于光致压力力的光学导管在引导和集中高速气溶胶病毒方面的可行性。
• 通过增强粒子向XFEL束焦点的输送，实现更高效的数据显示采集速率与原子分辨率成像。

提出的方法

• 光学导管由具有拓扑荷 l = 1 的一阶拉盖尔-高斯涡旋光束形成，通过螺旋相位板与角锥透镜生成。
• 通过缩小倍率准直器对光束进行重成像，延长相互作用长度，形成具有连续变化光束直径的高长径比导管，沿z轴方向分布。
• 通过反向传播激光束与粒子束相对运动，诱导光致压力力，使粒子因与周围气体分子的动量传递而减速，并被推向光束轴线。
• 以5 kHz的高速闪光摄影捕捉粒子轨迹，实现对束流压缩与速度变化的分析。
• 利用颗粒与空气的瑞利散射，以亚微米分辨率测绘光学导管的位置与强度分布。
• 采用傅里叶光学仿真建模并优化光束轮廓与粒子导引的几何构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低压环境中，光致压力光学导管能否有效压缩并引导高速气溶胶病毒颗粒？
• RQ2 与高斯光束相比，采用具有延长相互作用长度的贝塞尔光束在粒子聚焦方面能提升多少性能？
• RQ3 在反向传播激光束存在下，光致压力力如何改变粒子的轴向速度与横向分布？
• RQ4 能否通过颗粒或空气的散射光精确测绘光学导管的焦点位置与强度分布？
• RQ5 该光学导管构型可实现的最大束流压缩因子是多少？

主要发现

• 在低压环境（0.4–1 mbar）下，光学导管实现了对高速气溶胶颗粒化古病毒颗粒束的三倍横向压缩。
• 粒子束从初始直径约100 µm压缩至半高全宽约33 µm，表明有效聚焦。
• 光学导管诱导了可测量的减速作用，每瓦激光功率可实现高达810 s⁻¹的轴向速度减小，证实了强烈的光致压力力。
• 通过颗粒与空气的瑞利散射，以亚微米分辨率成功测绘了光学导管的焦点平面，实现了精确对准与标定。
• 系统在1.5 mbar腔室压力下稳定运行，激光关闭条件下粒子束速度为17.4 ± 0.93 m/s。
• 该方法显著提升了粒子输送效率，使完整原子分辨率数据集的采集时间缩短了数量级。