美国开发出生物友好型纳米级光源
科学家开发出生物友好型纳米级光源 可在可见光谱范围内发出相干光
据physorg网站2007年6月28日报告，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究小组开发出一种能够在可见光谱范围内发出相干光的生物友好型纳米级光源。一旦该技术得到加强和改进，这种纳米级光源的应用前景将十分广阔，这些应用包括单细胞内窥镜检查、其它形式的“亚波长”生物成像技术、基于纳米光子技术的集成电路和先进的新型计算机加密法。
该项目的主要研究员之一，化学家杨培东说：“我们利用个体纳米线开发出了第一种无电极的，持续可调式相干光源，这种光源可以与生理环境相互兼容。”杨培东是纳米科学界的权威人士，他在伯克利国家实验室分子铸造分部、材料科学分部和加州大学伯克利分校化学系身兼数职。“我们的试验还表明，这种光源可以利用光学镊子诱捕并操纵单一纳米线，这种能力十分重要，它不仅可以应用于生物成像技术，还可以应用于纳米光子集成电路。”
生物物理学家简·里法茨是另一名主要的研究人员，他身兼伯克利国家实验室物理生物科学分部和加州大学伯克利分校物理系的两项任职。里法茨说：“有了这种纳米线光源好比有了一个微型手电筒，我们可以利用它来扫描整个活细胞，从而在与细胞进行机械式接合的同时用肉眼观察细胞。”
杨培东和里法茨等人发表的文章出现在2007年6月28日版《自然》杂志的封面上，文章的标题是：“可调式纳米非线性光学探测器。这篇文章的其它合著者分别为：尤里.纳卡亚玛、彼得.鲍左斯基、亚历山德拉.拉德诺维克、罗伯特.奥诺拉托和理查德.塞卡里。
这些研究员在文章中阐述了一种技术，在这项技术中，铌酸钾纳米线被合成为特殊的热水溶液并利用超声波使其分离。这些纳米线的大小高度统一，它们的长度均为数微米，而直径仅为50纳米左右。红外线激光器发出的一道光束被用于创造允许捕获和操纵个体纳米线的光学“陷阱”。由于铌酸钾具有独特的光学属性，这种红外线激光光束还可以充当促使纳米线发出可见光的光泵，而这种可见光的色彩是可以选择的。为了展示该技术的潜力，这些纳米线光源被用于从经过特殊处理的光束中产生荧光。
“我们的铌酸钾纳米线的直径远远小于可见光的波长，”杨培东说：“它们还具有优秀的光电属性和低毒性，此外，它们在常温条件下的化学属性是稳定的。因此，它们可以为“亚波长”激光和成像技术提供理想的光源。”里法茨说：“对于显微镜观察法而言，通常的规则是，你要么可以观察物体，要么可以触摸物体，利用我们的纳米线光源技术，我们把这些能力结合在一个单一的设备中。这将使得我们在肉眼观察样本的同时能够操纵样本。”
纳米线光源取得成功的关键之处在于铌酸钾的非线性光学属性。这种光学属性使得正在进入的红外线光束在被作为可见光发射出去之前，通过相关技术，即二次谐波产生技术（SHG）或和频产生技术（SFG），其频率可以被合成或加倍。其结果是光即是可调的，又是相干的，从而实现了相关的技术需求，而这种技术需求曾经一度成为“亚波长”光学中的光电成像和光电控测的主要难题。
杨培东和他的研究小组以前曾创造出紫外线纳米线纳米激光并研制出可以引导和指引光线通过电路的纳米带光学波导，现在他们又开发出新的纳米级光源，这些成果为未来的纳米光子学技术打下了坚实的基础。在光子技术中，光波运动取代电子运动成为信息的载体。光子技术有望使未来的计算机和网络比现在快数千倍。“激光、波导、非线性光学转换器和光电探测器都是光子技术的重要组成部分，”杨培东说：“一套成熟的纳米光子技术将需要这些组成部分创造出纳米光子集成电路。它们在其它方面也有着十分重要的应用价值，比如“芯片型实验室技术（lab-on-a-chip）”或量子加密技术。
纳米级光源最为重要的影响有可能是在生物成像领域。光学或可见光显微镜技术始终是生物学研究的最前沿，因为它允许科学家研究活细胞和组织。然而，鉴于衍射使得光学显微镜的分辨率受到限制，通过“亚波长”技术，科学家将可以利用波长小于可见光的光源肉眼观察物体。对于生物学而言，该技术将使正常条件下看不到的亚细胞结构进入人们的视线。里法茨说：“我们假设单一铌酸钾纳米线被光线捕获后可以使该光线的频率加倍，然后始终为这种本地产生的光线提供波导，这样一来，开发一种全新的光扫描显微镜观察法将成为可能。除了示范这种扫描传输方式，我们还示范了一种荧光模式。”
当纳米线光源与荧光光束相接触时，荧光光束在接触点发射出一种明显的橙色荧光。当纳米线被移开时，橙色荧光立即减弱了80倍，这证明纳米线是一种优秀的荧光激发源。“这项试验表明我们可以在液体环境中创造并操作生物友好型纳米级相干光源并利用它们来进行‘亚波长’ 成像，”杨培东说：“我们下一步希望推动单一细胞内窥镜检查技术，在该技术中，我们将利用纳米级光源和‘亚波长’波导在个体细胞内部进行高分辨率成像。监控活细胞内部进程的能力将极大地改善我们对细胞功能、细胞内生理进程和细胞信号路径的基本认知。
杨培东和里法茨警告称，纳米线光源技术的发展才刚刚起步。里法茨把它比喻为10年前的原子显微镜观察法，那时原子显微镜技术也是刚刚起步。里法茨说，这种技术不会取代现有的显微镜技术，但是它将帮助科学家做到现在不能做到的事情。“当然，这种纳米线光源的潜力如果得到全面发掘，它将会生产大量的新知识。”
图注：本图展示了纳米线光源的荧光模式。抓住红外光束的纳米线与一条荧光光束相接触，使得荧光光束在接触点呈现橙色。图中a的右方有一对可控光束；b是光束的明视场光学图，其中纳米线与最左边的光束相接触；c是彩色电荷耦合器荧光图，图中可以看到纳米线发射出的绿光和光束发射出的橙光；d是相同光束的控制图，这些光束带有红外辐射，但是没有被捕获的纳米线；e是从c到d的数字减损。
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