Name: Nanoplasmonic 光学晶格中微粒子的俘获 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-05T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 20 s
Description: 学习利用纳米等离子体光学晶格捕获微颗粒的方法，通过金纳米盘阵列增强捕获效率，并利用水在低温下的零热膨胀系数特性抑制光热对流，为光学捕获技术研究提供可靠的实验方案。

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Y. T. Y. 感谢来自科技部资助项目（项目编号：MOST 105-2221-E-007-MY3）以及中国台湾国立清华大学资助项目（项目编号：105N518CE1 和 106N518CE1）的资金支持。

1. 光学装置
注意：光学装置的原理如图1所示。
<ol>
	<li>根据光学镊子套件（参见材料表）和荧光模块（参见材料表）的说明书进行安装。将470 nm蓝色发光二极管（LED）光源连接至荧光模块。</li>
	<li>将高数值孔径（NA）（NA = 1.25，放大倍数100×）油浸物镜更换为长工作距离（WD）显微物镜（焦距3.6 mm，WD = 10.6 mm，NA = 0.5）。</li>
	<li>移除组装套件中光束扩束部分的透镜，以实现激光束的松散聚焦。</li>
	<li>打开激光二极管（波长980 nm）的电源和电流，使用电荷耦合器件（CCD）相机确保激光束正确对准。 
	注意：若激光束对准良好，CCD相机将显示一个高斯光斑。</li>
</ol>
2. 纳米制造
<ol>
	<li>标记物制备。 
	注意：标记物将有助于在纳米等离激元阵列的制备过程及后续的捕获实验中进行定位。详细步骤见补充图1。
	<ol>
		<li>通过溅射法在厚度为0.17 mm的盖玻片上沉积40 nm的氧化铟锡（ITO）薄膜。 
		注意：ITO薄膜有助于在后续电子束光刻过程中导走电荷。</li>
		<li>使用匀胶机以4000 rpm的转速匀胶30 s，旋涂一层8 µm厚的正性光刻胶。</li>
		<li>在90 °C下对样品进行前烘（软烘）5 min，然后将样品与用于制作标记物的光掩模对准，并在掩模对准仪中用紫外光曝光80 s。</li>
		<li>将样品浸入光刻胶显影液中显影130 s。</li>
		<li>使用热蒸发法在样品上依次沉积2 nm的铬层和40 nm的金层。18</li>
		<li>将样品浸入丙酮中，并置于工作频率为43 kHz、功率为150 W的超声清洗器中清洗5 min，完成剥离（lift off）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>纳米等离激元阵列的制备
	<ol>
		<li>使用匀胶机以5000 rpm的转速匀胶30 s，在样品上旋涂一层分子量为120K的电子束光刻胶PMMA；随后在热板上于160 °C烘烤3 min。</li>
		<li>再次使用匀胶机以5000 rpm的转速匀胶30 s，旋涂一层分子量为960K的电子束光刻胶PMMA；随后在热板上于160 °C烘烤3 min。</li>
		<li>使用电子束曝光系统对电子束光刻胶进行曝光，加速电压为30 kV，剂量为400 C/cm2。</li>
		<li>在热蒸发仪中沉积40 nm厚的金层。</li>
		<li>将样品浸入丙酮中，并置于超声清洗器中清洗5 min，完成剥离（lift off）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 样品冷却系统及其温度校准
注意：样品冷却台的设计如补充图2所示。
<ol>
	<li>制作用于样品冷却的驱动电路
	<ol>
		<li>根据补充图3中的电路图，将电阻、双极结型晶体管和功率金属氧化物场效应晶体管安装到定制电路板上。使用电烙铁将所有这些元件焊接到位。</li>
		<li>将电路板的控制端口与电子控制板之间用导线连接。将电路板的输出端口与热电制冷（TEC）元件之间用导线连接。将TEC元件安装在样品台上，并做好散热处理。 
		&#8203;注意：TEC元件中心有一个孔，以允许激光束通过。</li>
		<li>将电路板连接至5 V电源。使用前视红外相机监测温度，检查热电制冷是否正常降温。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>前视红外相机与电阻温度检测器（RTD）温度计测温的校准
	<ol>
		<li>将RTD温度计放置在空白盖玻片上，并在其表面涂抹少量导热硅脂，以确保RTD温度计与盖玻片之间具有良好的热接触。</li>
		<li>通过调节脉宽调制的占空比来改变电子控制电路对TEC元件的输出功率设定，等待3分钟，确保达到稳态温度。使用RTD温度计读取温度值。</li>
		<li>打开前视红外相机并监测温度。在不同输出功率设定下重复上述步骤，以获得温度校准曲线。典型的温度校准曲线如补充图4所示。 
		注意：必须在RTD温度计与前视红外相机之间进行校准，因为前视红外相机的温度读数必须准确，以确保达到目标温度。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 微粒的捕获
<ol>
	<li>在微量离心管中，将直径为 2 µm 的微米级聚苯乙烯颗粒按适当体积比稀释于去离子水中。 
	注意：微米颗粒的浓度可根据实验目的进行调整。较低浓度可使单个颗粒捕获事件之间具有较长的采样时间间隔，而较高浓度则会缩短多个颗粒捕获所需的时间。对于单颗粒捕获实验，典型浓度约为 0.05%（w/v）。</li>
	<li>将带有纳米等离激元阵列的样品置于载物台上，开启 470 nm 的 LED 作为荧光光源，并手动将功率调节至 5 mW，用于明场成像。</li>
	<li>使用标记定位纳米等离激元阵列，对样品进行对准，并通过 CCD 相机确保阵列位于计算机屏幕感兴趣区域的中心位置。</li>
	<li>使用微量移液器将 10 µL 直径为 2 µm 的稀释后微米颗粒溶液滴加到样品表面。</li>
	<li>开启波长为 980 nm 的激光二极管电流源，以激发阵列的等离激元共振，激光功率范围约为 1 mW 至 10 mW。</li>
	<li>手动开启电子控制板的电源，使样品冷却至约 4 °C 的稳态温度。</li>
	<li>在查看软件中，点击 &#34;record video&#34; 序列以打开录制对话框。点击 &#34;record&#34; 按钮，使用 CCD 相机以每秒 10 帧的帧率开始录制微米颗粒在激光束作用下运动的视频 1.5。点击 &#34;stop&#34; 按钮停止录制。参见 视频 1。</li>
</ol>

<ol><li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).</li>
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<li>Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.109937">Radiation on trapping forces with optical tweezers.</a> Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).</li>
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<li>Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+Manipulation+of+nanoparticles+and+biomolecules+in+sub-wavelength+slot+waveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical Manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides.</a> Nature. 457, 71-75 (2009).</li>
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<li>Pang, Y., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl203719v">Optical trapping of single protein.</a> Nano Lett. 12, 402-406 (2012).</li>
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<li>Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+and+controlling+plasmon-induced+convection%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Understanding and controlling plasmon-induced convection.</a> Nat. Commun. 5, (2014).</li>
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<li>Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow-dependent+double-nanohole+optical+trapping+of+20+nm+polystyrene+nanospheres%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres.</a> Sci. Rep. 2, 966(2012).</li>
<li>Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapping+and+sensing+10+nm+metal+nanoparticles+using+plasmonic+dipole+antennas%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas.</a> Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).</li>
<li>Pang, Y., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+of+12+nm+dielectric+spheres+using+double-nanoholes+in+a+gold+film%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film.</a> Nano Lett. 2011 (11), 3763-3767 (2011).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文所述方法可使读者每日稳定地重复实现捕获。设计可用等离激元光学晶格的一般经验法则是：等离激元纳米阵列尺寸、盘间距离与被捕获粒子尺寸应大致相当。与单个孤立的等离激元纳米结构相比，本方法结合将样品冷却至约 4 °C 所实现的高光功率，显著提高了捕获概率。若等离激元纳米结构作为捕获位点彼此间距较大，则需要较长时间等待微粒迁移至等离激元纳米结构附近的有效捕获区域。此外，增大盘间距离会显著降低粒子聚集的概率。需注意，也可在室温下利用等离激元光学晶格进行捕获实验，但可用的光功率将非常有限。在低光功率条件下，微粒捕获事件需要等待较长时间（约 1 小时）。通常情况下，我们会开启CCD相机记录粒子运动，并在数分钟内捕捉到捕获事件。适用的激光功率最高可达 10 mW。在高光功率下，可观察到大量微粒聚集现象。
本实验成功的关键步骤是对等离激元样品所在的脆弱盖玻片进行降温，同时实时监测样品温度。我们选用前视红外相机来测量温度，因为这种非接触式测量方法能显著降低样品破裂的风险。此外，也可选择将小型温度计粘附于样品上，用于实时测量温度。该冷却系统结合非接触式温度测量方法，可广泛适用于低温条件下的光学显微镜观...

微米级粒子的光镊捕获技术最初由Arthur Askin于20世纪70年代初开发。自发明以来，该技术已发展成为一种用于微米及纳米操控的多功能工具1,2基于远场聚焦原理的传统光镊在空间限制能力上受到衍射效应的固有制约，其中捕获力随距离增大而急剧下降（遵循约~）a3 半径为 r 的粒子的定律 a)3为了克服此类衍射极限，研究人员开发了基于表面等离激元金属纳米结构产生的倏逝光场的近场光捕获技术，且已实现对纳米级物体（小至单个蛋白质分子）的捕获。4,5,6,7,8,9,10,11此外，等离激元光晶格由周期性等离激元纳米结构阵列构成，可实现微纳米颗粒的长程输运及多颗粒堆叠。11,12在光晶格中实现无扰动囚禁的一个主要障碍是光热对流，已有多个研究团队致力于阐明其影响。14,15,16,17。利用格林函数，Baffou 等 通过将每个等离激元纳米结构建模为点热源，计算出温度分布，并通过实验验证了该模型14图桑的研究团队还利用粒子图像测速技术测量了等离激元诱导的对流现象。15作者所在团队还表征了近场和对流输运过程，并展示了一种抑制光热对流的工程策略16,17.
本文介绍了用于等离激元光晶格捕获实验的光学装置设计及详细实验步骤。通过使用 loosely focused 高斯光束照射金纳米圆盘阵列，形成光学势阱。此外，本文还描述了一种通过将样品冷却至低温（约 4 °C）以抑制光热对流、实现最佳捕获效果的方案17。在 Boussinesq 近似下，自然对流速度 u 的量级估计为 u ~L2 gβΔT / v，其中 L 为热源的特征长度，ΔT 为加热引起的相对于参考温度的温升。&#160;g 和 β&#160;分别为重力加速度和热膨胀系数。在接近 4 °C 的温度下，水介质的密度表现出反常的温度依赖性，这导致热膨胀系数接近于零，因而光热对流几乎消失。

<table><tbody><tr><td>热电冷却元件</td><td>Thorlabs</td><td>TEC 1.4-6</td><td>用于样品冷却的热电冷却元件</td></tr><tr><td>RTD 温度计</td><td>Omega Engineering</td><td>RTD Thermometer 969C</td><td></td></tr><tr><td>前视红外相机</td><td>FLIR&amp;nbsp;</td><td>FLIR One</td><td>用于温度监测的红外相机</td></tr><tr><td>发光二极管光源</td><td>Touchbright</td><td></td><td>用于荧光成像照明的光源</td></tr><tr><td>长工作距离物镜</td><td>Olympus</td><td>LMPLFLN</td><td>用于样品照明和成像</td></tr><tr><td>光镊套件</td><td>Thorlabs</td><td>OTKB/M</td><td></td></tr><tr><td>盖玻片</td><td></td><td></td><td>厚度 0.17 mm</td></tr><tr><td>扫描电子显微镜</td><td>Hitachi</td><td>SEM-Hitachi S3400N</td><td></td></tr><tr><td>电子束快门</td><td>DEBEN</td><td>PCD beam blanker</td><td>该快门加装于扫描电子显微镜上&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>热蒸发仪</td><td>SYSKEY Technology</td><td></td><td></td></tr><tr><td>掩模对准器</td><td>Karl Suss</td><td>MJB 3</td><td>用于标记物制备</td></tr><tr><td>电子束光刻胶</td><td>Sigma Alrich</td><td>PMMA 120K</td><td>用于电子束光刻</td></tr><tr><td>电子束光刻胶</td><td>Sigma Alrich</td><td>PMMA 960K</td><td>用于电子束光刻</td></tr><tr><td>荧光标记的聚苯乙烯微球</td><td>Polyscience</td><td></td><td>直径 2 µm</td></tr><tr><td>双极型晶体管</td><td>Mouser</td><td>2N3904</td><td>TEC 驱动电路用量 2 个</td></tr><tr><td>双极型晶体管</td><td>Mouser</td><td>2N3906</td><td>TEC 驱动电路用量 2 个</td></tr><tr><td>MOSFET 功率晶体管</td><td>Mouser</td><td>IRF5305</td><td>TEC 驱动电路用量 2 个</td></tr><tr><td>MOSFET 功率晶体管</td><td>Mouser</td><td>IRF131ON</td><td>TEC 驱动电路用量 2 个</td></tr><tr><td>10 kΩ 电阻</td><td>Mouser</td><td></td><td>TEC 驱动电路用量 6 个</td></tr><tr><td>910 Ω 电阻</td><td>Mouser</td><td></td><td>TEC 驱动电路用量 2 个</td></tr><tr><td>光刻胶</td><td>Microchemicals</td><td>AZ4620</td><td>用于标记物制备</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Sigma Alrich</td><td></td><td>用于标记物制备</td></tr><tr><td>OTKB/M 荧光模块（公制螺纹）</td><td>Thorlabs</td><td>OTKB-FL/M</td><td></td></tr><tr><td>荧光滤光片组</td><td>Thorlabs</td><td>MDF-FITC</td><td>用于异硫氰酸荧光素（FITC）</td></tr><tr><td>超声波清洗机</td><td>Delta</td><td>DC150H</td><td>用于剥离步骤</td></tr></tbody></table>

纳米等离激元光晶格中微粒的捕获

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

等离激元光镊已发展用于克服传统远场光镊的衍射极限。等离激元光学晶格由一系列纳米结构组成，表现出多种捕获与输运行为。本文报道了在简单的方形纳米等离激元光学晶格中捕获微粒的实验步骤，并描述了光学装置及纳米等离激元阵列的纳米加工过程。通过使用波长为980 nm的高斯光束照射金纳米圆盘阵列并激发等离激元共振，从而形成光学势阱。粒子的运动通过荧光成像进行监测。本文还介绍了一种抑制光热对流的方案，以提高可用于实现最佳捕获的光学功率。通过对样品降温，并利用水介质接近零的热膨胀系数，可实现对对流的有效抑制。本文同时报道了单粒子输运和多粒子捕获现象。

在本实验中，单个粒子的轨迹由CCD相机记录，随后通过自定义程序对图像进行处理，以提取每个粒子的运动轨迹16。直径为2 µm的微球的代表性结果如图3和视频1所示。在光晶格内部观察到多个粒子被捕获的现象。从代表性粒子运动视频中提取的连续图像如图4所示。对于直径为2 µm的微粒，可以观察到微粒聚集形成了六方密堆积（hcp）结构。此外，通过关闭TEC元件可使样品升温，此时观察到的被捕获的微粒簇会因光热对流而分散。
<img alt="光学装置示意图，激光诱导荧光，CCD相机，470nm LED，980nm激光激发。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig1.jpg" data-altupdat...

我们描述了一种在纳米等离激元光晶格中光学捕获微粒的方法。

表面等离激元光镊已发展用于克服传统远场光镊的衍射极限。表面等离激元光镊……

本实验的总体目标是演示如何利用一种可抑制光热对流的等离激元光学位阱技术来捕获微粒。该技术的主要特点是利用等离激元纳米结构阵列来增强捕获效率。此外，我们还利用了水在低温下具有0%热膨胀系数这一独特的物理性质，以抑制光热对流。本实验操作将由我实验室的研究生 Dinesh Bhalothia 演示。实验装置基于一套光镊套件。这套增加了荧光模块的改良型光镊套件已安装在光学平台上。一个LED和一个二极管激光器为荧光激发和操控提供光源。镜子将光线引导通过物镜。物镜将光线聚焦到样品台上，该样品台同时用作散热片。CCD 相机采集来自样品的图像。这些元件在此示意图中更为明显。波长为 470 纳米的蓝色 LED 是荧光模块的光源。一个980纳米的激光二极管提供松散聚焦的激光用于操作。透镜为长工作距离显微物镜。样品台上的操作过程由CCD相机记录。打开980纳米激光二极管的电源和电流。使用CCD相机检查激光光束的准直情况。如果光束准直良好，相机图像将呈现高斯光斑。关闭激光器以进行下一步操作。该装置的一个重要方面是冷却系统。样品台是一个设计用于容纳热电冷却器的散热装置。与系统电子元件协同工作，准备安装热电冷却器。本实验使用一个定制的驱动电路。将驱动电路与电子控制板连接起来。接下来，取一个能够安装在样品台内且带有通孔以允许激光束通过的热电制冷元件。将驱动电路的输出端连接到该热电制冷元件上。将制冷元件移至样品台位置。继续操作前，将驱动电路连接至5 V电源。使用前视红外相机监测温度，并在继续之前通过电阻温度计单元及其传感器检查系统是否正常制冷。从玻璃盖玻片上的传感器开始。将传感器和盖玻片转移至样品台。涂抹少量导热硅脂以确保良好的热接触。将组装件与载台接触。在控制面板上调节热电冷却元件的功率。三分钟后，使用电阻温度检测器温度计读取温度。此外，使用前视红外相机记录温度。在不同的输出功率设置下重复上述两项测量，以获得与此类似的温度校准曲线。校准至关重要。继续操作前，请关闭热电冷却器的电源。实验装置的最后一个组件是纳米等离激元阵列。载玻片盖片上已制备有定制的阵列，可直接用于实验安装。该阵列的扫描电子显微镜图像提供了更多细节。这是一个约16微米见方的阵列，由22乘22个金纳米圆盘组成。每个纳米圆盘的厚度为40纳米，直径为550纳米。圆盘中心之间的距离为750纳米。将带有纳米等离子体阵列的盖玻片放置在样品台上，应使其与热电冷却器接触。接下来，设置光源。打开荧光光源，并将功率设为五毫瓦，用于明场成像。在操作载玻片的同时，监测CCD图像。使用载玻片上的标记来定位并校准阵列。确保阵列位于计算机屏幕兴趣区域的中心。现在，转向实验所需的样本。它是两种微米级直径的聚苯乙烯颗粒在去离子水中的混合物。使用微量移液器将10微升该混合物滴加到纳米阵列载玻片上。然后移至980纳米激光二极管的电源处。打开光源以激发阵列的等离

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

Nanoplasmonic 光学晶格中微粒子的俘获

等离激元镊子和光子晶体纳米结构可有效提高光学捕获微纳米粒子的效率并实现取向控制。...

利用等离激元与光子晶体纳米结构增强微米和纳米粒子操控

以下实验方案详细介绍了利用金属薄膜中的双纳米孔实现介电纳米颗粒的低功率光镊捕获。...

纳米颗粒的光镊捕获

我们利用等离子体纳米颗粒的光学追踪技术来探测和表征水生生物的运动频率。...

通过等离激元纳米颗粒的光学追踪分析卤虫无节幼体（Artemia salina）的运动

传统光学操控技术的可扩展性和分辨率受衍射效应限制。我们克服了衍射极限，描述了一种利用在金膜表面制备的、由紧密排列的C形等离激元谐振器构成的路径，在芯片上实现纳米颗粒光学传输的方法。...

纳米光学传送带的制备与操作

本文介绍了一种在空气中捕获并稳定囚禁选定介电微粒的实验方案。...

空气中介电微粒的光镊捕获装载

本文介绍了一种集成等离子体激元镊子的微芯片制备工艺。该微芯片能够对捕获的粒子进行成像，以测量其最大捕获力。...

监测环境中的等离子体捕获与释放纳米颗粒

利用圆偏振光镊可在液体中捕获等离激元金纳米棒并以千赫兹频率进行旋转。引入布朗动力学分析和光散射光谱技术，为众多科学领域的研究与应用提供了一个强大的系统。...

光驱动金纳米棒旋转马达系统的构建与运行

本方案描述了一种将光镊技术与表面增强拉曼光谱（SERS）相结合的便捷方法，用于操控等离激元纳米粒子以实现对分子的高灵敏度检测。在无需聚集剂的情况下，利用捕获激光将等离激元纳米粒子组装起来，从而增强目标分析物的SERS信号 原位...

等离子体纳米粒子的光镊捕获 原位 表面增强拉曼光谱表征

等离激元纳米镊子利用金纳米结构中的局域表面等离激元共振，在纳米尺度的光场中捕获单个纳米颗粒，包括蛋白质。散射信号的变化可揭示蛋白质的存在及其构象动态，从而实现无需荧光标记或表面固定的实时监测。...

利用等离激元纳米镊子监测单个未修饰蛋白质的构象动力学

本文描述了一种实验方法，通过动态船形光泳捕获阱在空气中实现对大尺寸金属颗粒的长时间稳定捕获和精确定位。该系统能够实现可控操控，适用于等离激元相互作用研究。...

使用具有直接拉制侧壁的“小船”型光阱在空气中捕获大尺寸金属颗粒

学习利用纳米等离子体光学晶格捕获微颗粒的方法，通过金纳米盘阵列增强捕获效率，并利用水在低温下的零热膨胀系数特性抑制光热对流，为光学捕获技术研究提供可靠的实验方案。

纳米等离激元光晶格中微粒的捕获

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