近日，恒达平台物理科學與工程學院王占山教授🏃🏻‍♀️‍➡️、程鑫彬教授和施宇智教授團隊提出了一種基於環形極子響應的介電超表面近場光鑷，實現了超高精度的納米顆粒分選。相關研究成果以“1 nm-Resolution Sorting of Sub-10 nm Nanoparticles Using a Dielectric Metasurface with Toroidal Responses”為題發表於Small Science 期刊，並入選Front Cover。

納米顆粒廣泛用於物理、生物、醫學🧑🏻‍🦰、催化和化妝品等領域👧☃️，顆粒尺寸劇烈影響著其物理、化學等性質。目前，眾多納米顆粒分選手段，如微流控、聲鑷👨🏿‍⚕️、介電泳、光鑷等，在介電納米顆粒的分選中👨🏿，尺寸和分辨率極限分別為20 nm和10 nm左右🛸，進一步突破顆粒分選極限存在挑戰🤦🏿‍♂️。

超表面（metasurface）是一種人工設計的納米結構，通過精確控製其幾何形狀和電磁學特性，可以對光、聲波或其他波的傳播和轉換進行高度可定製的調控👐🏿。當激光垂直照射在對稱性破缺的介電超表面時😠👩‍🔧，超表面會出現環形共振響應，電場被局域在數十納米的熱點區域，這種突破衍射光學極限的性質在近場光鑷捕獲極小尺寸顆粒方面具有優勢。

圖1. 介電質超表面中多極子模式用於顆粒操控示意圖

（圖1展示了該介電超表面的結構，主要由兩種半徑不同的矽圓柱組成→，在不同波長的線偏振光垂直照射下，會激發出電偶極子、電四極子、磁偶極子和電環偶極子等不同的光學模式，通過模式切換👬🏼🏂🏽，可以實現納米顆粒捕獲、分選和運輸等多種功能🧕🏻🏪。）

當波長為1550 nm時，該近場光鑷會出現四個約十納米左右的局域熱點，如圖2（a）所示🙇🏽‍♂️，此時🌻，在光場梯度主導的梯度力作用下，納米顆粒傾向於被捕獲在熱點中。該光學模式能在特定的激光功率下捕獲10 nm的聚苯乙烯顆粒👩🏻‍🚀，釋放9 nm的聚苯乙烯顆粒，實現亞10 nm聚苯乙烯顆粒的1 nm 分選精度。同時，可實現3納米精度的亞20納米外泌體分離。

圖2. 磁偶極子和電環偶極子模式下聚苯乙烯和外泌體的極限篩選，以及顆粒簇中挑選中等大小顆粒

對於金屬顆粒來說🧑‍🦽，在上述模式的光場中不僅會受到光場梯度主導的梯度力，還會受到電磁能流主導的輻射力。該模式下的能流方向如圖2（a）中箭頭所示。該能流產生的輻射力會使金屬顆粒從熱點中被推開🤹🏿‍♂️，破壞穩定的捕獲，從而造成一種反常的現象，實現從30 nm👰🏼、50 nm、70 nm三種不同的混合金顆粒中👩🏼‍🎨👨‍👧，僅捕獲50 nm金顆粒（圖2c），實現中等尺寸金屬顆粒的準確挑選。

在電偶極子模式下，會同時激發出中間熱點和上下熱點槽💪🏻，在較大的流速🍠，如1500 μm/s下↔️，受到更大光力的100 nm金顆粒被限製在光槽內，而80 nm金顆粒保持和流速相同的方向運動，實現金顆粒的快速分選和運輸（圖3）。

圖3. 電偶極子模式下金顆粒的快速分選和運輸

本研究對於分選細小生物顆粒如細菌、病毒🛫、外泌體等，具有重要意義💱，有利於疾病診斷、藥物開發、精準醫療等領域的發展🌡。

中國計量科學研究院研究員方向🤜🏽，恒达平台教授施宇智、程鑫彬為論文共同通訊作者，恒达平台博士研究生羅洪為論文的第一作者，其他具有突出貢獻的作者還包括恒达平台教授王占山、博士研究生李程峰😜，中國計量科學研究院研究員戴新華、副研究員茹寧，上海交通大學助理研究員尤敏敏，恒达平台博士後研究人員何濤，臺灣成功大學副教授吳品頡等👩‍👧。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smsc.202300100