[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究展示了在所有六个自由度上同时实现对铁掺杂的上转换 NaYF4:Yb,Er 微粒的光学捕获与磁力操控。这些微粒的折射率为 1.55，具有高的饱和磁化强度（1 Am²/kg），尽管含有磁性成分，仍能实现稳定的光学捕获，同时在 975 nm 激发下表现出强烈的上转换荧光发射和显著的光热加热效应，适用于荧光显微镜和光热治疗等应用。

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.

研究动机与目标

• 开发兼具光学可捕获性与强磁响应性的微粒，以实现先进的微操控。
• 克服如铁氧化物等高折射率、高吸收磁性颗粒在光学捕获中的挑战。
• 利用光学与磁力的协同作用，实现对微粒在全部六个自由度上的控制。
• 探索这些微粒在生物应用中的潜力，如荧光显微镜与光热治疗。

提出的方法

• 通过热分解法合成六角形、3–5 µm 的铁掺杂 NaYF4:Yb,Er 微粒。
• 使用环形陶瓷铁氧体磁体（在 8 cm 处产生 30 G 的磁场）施加可调谐的磁场，以诱导偏航、俯仰和滚转运动。
• 分别使用 1064 nm 和 975 nm 激光束实现光学捕获与光热激发。
• 利用 CMOS 相机（Thorlabs CS165CU1）实时追踪操控过程中的微粒运动。
• 采用四象限光电二极管进行干涉检测，实现高精度位置传感。
• 基于第一性原理的 DFT 计算（VASP，GGA，PBE 泛函）研究铁掺杂 NaYF4 结构中铁磁性的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁掺杂的上转换 NaYF4 微粒是否能够在所有六个自由度上同时实现光学捕获与磁力操控？
• RQ2 铁掺杂 NaYF4 中铁磁性的起源是什么？其如何源于晶体结构？
• RQ3 在 975 nm 激发下，这些微粒的光热加热效应如何变化？其对生物应用有何影响？
• RQ4 这些微粒能否被癌细胞内吞，并在细胞内实现稳定光学捕获以用于治疗应用？
• RQ5 与传统磁性微粒相比，Fe-NYF 的折射率如何？是否能够实现有效的光学捕获？

主要发现

• 铁掺杂的 NaYF4 微粒具有 1.55 的折射率，尽管具有磁性特征，仍能实现有效的光学捕获。
• 微粒表现出高达 1 Am²/kg 的饱和磁化强度和 20 mT 的矫顽力，支持强磁力操控。
• 在 975 nm 激发下，微粒表现出显著的光热加热效应和强烈的上转换荧光发射，适用于光热治疗与荧光成像。
• 在体液和气-水界面环境中，通过光学与磁力的协同作用，成功实现了在所有六个自由度上的微粒捕获与操控。
• DFT 计算证实，Fe 掺杂在 NaYF4 晶格中通过在 Fe 位点产生局域电子态与自旋极化，诱导出铁磁有序。
• 确认了 15% 铁掺杂的微粒可被 MCF-7 癌细胞内吞，并利用 1064 nm 和 975 nm 激光在细胞内成功实现单个微粒的光学捕获。