CN101183115A - 一种操纵带电纳米微粒的静电镊 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于操纵带电纳米微粒的静电镊，它能够实现对带电纳米微粒的捕捉、搬运和组装等操纵，属于纳米技术领域。本发明静电镊包含带电圆环一和带电圆环二，两带电圆环所在的平面互相平行，法线互相重合；两带电圆环所带电荷分布均匀，电性相反，带电圆环二固定不动，带电圆环一可以沿其法线方向作微小移动；两圆环的共同法线上存在三维势阱；被操纵的带电纳米微粒所带电荷的电性和带电圆环一所带电荷的电性相同。相对于现有技术，本发明具有结构简单，成本低，适用范围广，操纵微粒不受距离限制，不损伤或者污染样品等优点。

Description

一种操纵带电纳米微粒的静电镊

技术领域

本发明涉及一种用于操纵带电纳米微粒的静电镊，它能够实现对带电纳米微粒的捕捉、搬运和组装等操纵。属于纳米技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，人们已经能够观测到各类物质的原子结构，也能够运用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)和原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope，AFM)等仪器搬运单个原子或原子团。这类技术的局限是样品必须置于平整的基片上，探针与样品直接接触，可能带来污染，工作效率低，搬运的距离也受显微镜针尖工作范围的限制(D.M.Eigler et al.，Positioning single atoms with a scanningtunneling microscope.Nature 1990.344，524)。

另一类不需要与样品直接接触的搬运技术是“光镊(Optical Tweezers)”。光镊是把具有一定强度和模式的激光束会聚到微米量级，利用光压产生的指向光束焦点的梯度力，形成三维梯度力势阱，使微小物体受限在光束焦点附近的势阱中，受限的微小物体能随光束焦点的移动而移动或旋转。利用光镊，已经成功地实现了操纵尺寸在0.1-10微米之间的微小微粒、高分子和生物细胞等样品，对细胞、生物大分子、微米与亚微米微粒等样品的离散个体行为的研究有着重要的意义，因而受到科技界的广泛关注(D.G.Grier，A revolution in optical manipulation.Nature 2003，424，810)。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，利用静电库仑作用力同性相斥、异性相吸的基本原理，设计出电荷的空间合理分布，从而制造出一个三维的库仑势阱，能够有效地限制带电纳米微粒的空间位置和运动范围，从而实现对其的捕捉、搬运和组装等操纵。

本发明的技术方案概述如下：

本发明静电镊包含带电圆环一和带电圆环二，两带电圆环所在的平面互相平行，法线互相重合；两带电圆环所带电荷分布均匀，电性相反，带电圆环二固定不动，带电圆环一可以沿其法线方向作微小移动；两圆环的共同法线上存在三维势阱；被操纵的带电纳米微粒所带电荷的电性和带电圆环一所带电荷的电性相同，也就是说，如果带电圆环一带正电，则本发明静电镊只能操纵带正电的纳米微粒，如果带电圆环一带负电，则该静电镊只能操纵带负电的纳米微粒。

进一步，为了实现上述三维势阱，本发明静电镊同时满足下列式子：

                          E′(L)＝0，

                          E″(L)＞0，

                          E′|_x＝0＝0，

                          E″|_x＝0＞0，

其中：

$E\left(L\right)=\frac{q}{4{\mathrm{\π\ϵ}}_0}[\frac{Q_1}{\sqrt{{R_1}^2+L^2}}-\frac{Q_2}{\sqrt{{R_2}^2+{(L+d)}^2}}],$

$E\left(x\right)=\frac{q}{{8\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0}[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{Q_1\mathrm{d\θ}}{\sqrt{{(R_1\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{R_1}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+L^2}}-{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{Q_2\mathrm{d\θ}}{\sqrt{{(R_2\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{R_2}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+{(L+d)}^2}}],$

q为带电纳米微粒所带的电荷；π为圆周率常数；ε₀为介电常数；

Q1为带电圆环一所带的电荷，Q2为带电圆环二所带的电荷；

R1为带电圆环一的半径，R2为带电圆环二的半径；

d为两带电圆环间的圆心距；

L为两圆环共同法线上的任一点W点到圆环一的圆心之间的距离；

⊿L为带电纳米微粒在W点处沿着两圆环共同法线产生的微小偏移；

⊿d为圆环一沿着共同法线和⊿L同方向的微小位移，⊿d＝a⊿L；

x为带电纳米微粒在W点处沿水平任一方向偏离W点的位移。

更进一步，本发明静电镊优选带电圆环二的半径大于带电圆环一的半径，带电圆环二所带电荷的电量大于带电圆环一所带电荷的电量；R2与R1的比值优选为1.2到3，R1的范围优选为10nm到1mm；Q2与Q1的比值优选为2到10，Q1优选为大于6e；a优选为0.05到0.2。

再进一步，本发明静电镊的带电圆环一设于弹性薄膜上，并由金属导线连接外接电源或者静电起电机上，该弹性薄膜可以是塑料片，Si₃N₄薄膜，或者橡胶薄片等；带电圆环二设于刚性绝缘圆筒支架上，并由金属导线连接外接电源或者静电起电机上。圆环一和圆环二均优选为金属圆环，利用导体等电势的特性实现圆环上的电荷的均匀分布。此外，对于带电圆环不是金属的情况，比如半导体，可通过正离子注入和电子注入的方式实现电荷的均匀分布。

本发明静电镊适合的操纵对象为直径小于100nm的带电纳米微粒，可以是：单个电子、离子，带电高分子、蛋白质、DNA，或带电气体分子团簇。

本发明静电镊的作用原理如下，以带电圆环一带负电荷，带电圆环二带正电荷为例：

假设圆环一和圆环二所带的电荷分别为Q1＝-Ne，Q2＝+Me，其中N和M都是正整数，且N小于M，e＝1.6×10^-19库仑，为单个电子所带的电量。考虑在两圆环共同法线上的任意一点W处有一个带负电荷的纳米微粒，其电荷为q，W点和圆环一的圆心之间的距离为L。当该微粒受到微小扰动，沿着共同法线方向产生微小偏移⊿L时，圆环一上的电荷由于受到的静电力场发生变化，其位置也会同方向变化，表现为圆环一的微小扰动。假设圆环一的被动偏移量为⊿d＝a⊿L，a是一个较小的系数，可以通过更换薄膜来调整a的取值进而调整圆环一的被动偏移的大小。

该纳米微粒在W点处的库仑势能为：

$E\left(L\right)=\frac{q}{4{\mathrm{\π\ϵ}}_0}[\frac{Q_1}{\sqrt{{R_1}^2+L^2}}-\frac{Q_2}{\sqrt{{R_2}^2+{(L+d)}^2}}],$

选取合适的Q1，Q2，R1，R2，d和a，使满足：

                          E′(L)＝0    (1)

且

                          E″(L)＞0    (2)

则该带电纳米微粒在共同法线方向上处于稳定平衡位置，不仅受到的总库仑力为零，并且当它沿着共同法线方向离开圆环一的圆心的距离为L+⊿L时，无论⊿L是正是负，该微粒所受到的合力总是使它回到原先的平衡位置处，如图1所示。换言之，在两圆环共同法线方向上的这个W点处附近存在一个一维库仑势阱，可以限制一个带负电的纳米微粒沿着圆环一和圆环二在共同法线方向的运动。

另一方面，由于电荷Q1和Q2均匀分布在圆环一和圆环二上，于是在任何一个垂直于两圆环共同法线的平面内，电荷Q1和Q2形成的总库仑势均呈中心对称，并且是各向同性的。可以通过考察其中任意方向来考察整个平面的库仑电势。

假设微粒由W点沿垂直于公共法线方向的任一方向偏离共同法线距离x，其库仑势随x的变化可以表示为：

$E\left(x\right)=\frac{q}{{8\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0}[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{Q_1\mathrm{d\θ}}{\sqrt{{(R_1\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{R_1}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+L^2}}-{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{Q_2\mathrm{d\θ}}{\sqrt{{(R_2\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{R_2}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+{(L+d)}^2}}],$

当满足(1)和(2)式的Q1，Q2，R1，R2，d和a同样满足：

                           E′|_x＝0＝0    (3)

且

                           E″|_x＝0＞0    (4)时，W点附近不仅是沿着圆环一和圆环二共同法线方向的一维库仑势阱，同时也是通过W点并与共同法线方向垂直的平面内的二维库仑势阱。说明此时W点附近存在一个三维势阱，可以有效地限制位于W点附近的纳米微粒沿空间各个方向的运动。

通过程序运算，可以得到一系列同时满足上述(1)(2)(3)(4)四式的离散的Q1，Q2，R1，R2，d和a的组合。尤其是当R2/R1的比值范围落在1.2～3之内，M/N的比值范围落在2～10之内，同时R1的范围介于10nm～1mm之间，a的范围介于0.05～0.2之间时，得到的Q1，Q2，R1，R2，d和a的组合更能符合本发明静电镊的使用要求，能够有效地操纵带电纳米微粒，具有现实意义。

值得说明的是，尽管带电纳米微粒始终受重力的影响，但重力并不影响本发明静电镊对带电纳米微粒的操纵。因为在本发明静电镊涉及的纳米微观环境下，静电镊本身能够形成的势阱深度大大高于重力可能的做功范围，具体数值计算可参考本发明实施例1。

上述原理分析具有正负电性交换对称性，也即，对于相同的N，M，R1，R2，d和a的组合而言，如果圆环一和圆环二所带的电荷分别为Q1＝+Ne，Q2＝-Me，那么，在W点处同样可以形成一个三维库仑势阱，用于操纵带正电的纳米微粒，与该微粒所带的电荷的电量无关。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.相对复杂的光镊系统和STM/AFM设备而言，静电镊结构简单，制造成本不高；

2.适用的带电微粒直径从几十纳米直到单个电子、离子，可以运用于真空、气体等不同环境；

3.静电镊使用时不需额外动力，捕捉到带电微粒后，搬运该微粒的距离不受限制，可以从一处搬到远处；

4.使用静电力场，静电镊对生物样品等材料没有损伤，也没有接触污染。

附图说明

图1是本发明静电镊原理示意图；

图2是本发明实例1静电镊的截面示意图，其中：

1  弹性塑料薄膜；

2  铜圆环一；

3  铜圆环二；

4  塑料支架；

图3a是本发明实施例1静电镊在两圆环共同法线方向上的势阱深度曲线图；

b是本发明实施例1静电镊在两圆环共同法线垂直方向上的势阱深度曲线图；

图4a是本发明实施例2静电镊在两圆环共同法线方向上的势阱深度曲线图；

b是本发明实施例2静电镊在两圆环共同法线垂直方向上的势阱深度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

利用薄膜光刻工艺在弹性塑料薄膜1表面形成铜圆环一2和铜圆环二3，该弹性塑料薄膜1和铜圆环二3用塑料支架4固定。利用导线将两环连接到电极或者静电起电机，使铜圆环一2带负电，铜圆环二3带正电。当R1＝32nm，R2＝57.6nm，Q1＝-20e，Q2＝80e，a＝0.158时，在L＝10.2nm处存在一个沿共同法线方向的势阱深度超过0.001eV(如图3a所示)，沿垂直于共同法线方向的势阱深度超过0.003eV(如图2b所示)的三维势阱，可以有效限制直径超过100nm的带电纳米微粒。

该微粒所受的重力不能使其脱离该三维势阱，理由如下：

上述这两个正交方向上的势阱，在偏离平衡位置±10nm处，势阱深度均大于0.001eV。假设一个带电纳米微粒的直径为100nm，比重为5g/cm³，则其重量为3×10^-17牛顿，在±10nm的范围内，重力做的功为3×10^-25焦耳≈2×10^-6eV，比库仑势阱深度小3个数量级。因此，当一个直径达100nm，比重为5g/cm³，带一个负电荷的纳米微粒被本实施例静电镊捕获后，仅靠其自身的重力作用是无法离开该势阱，从而无法挣脱静电镊的捕捉的。

对于一般情况，在本发明涉及的微观纳米环境下，直径小于100nm的带电纳米微粒所受重力和势阱产生的库仑束缚力来说，基本可以忽略不计。

实施例2

当R1＝1mm，R2＝1.8mm，Q1＝-1.06×10⁶e，Q2＝4.24×10⁶e，a＝0.158时，在L＝319μm处，同样可以形成一个深度超过0.002eV的三维势阱(如图4a和图4b所示)，能够有效限制直径小于10nm的带电纳米微粒。

Claims (10)

1.一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，包含带电圆环一和带电圆环二，两带电圆环所在的平面互相平行，法线互相重合；两带电圆环所带电荷分布均匀，电性相反，带电圆环二固定不动，带电圆环一可以沿其法线方向作微小移动；两圆环的共同法线上存在三维势阱；被操纵的带电纳米微粒所带电荷的电性和带电圆环一所带电荷的电性相同。

2.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，该静电镊同时满足下列式子：

                          E′(L)＝0，

                          E″(L)＞0，

                          E′|_x＝0＝0，

                          E″|_x＝0＞0，

其中：

$E\left(L\right)=\frac{q}{4{\mathrm{\π\ϵ}}_0}[\frac{Q_1}{\sqrt{{R_1}^2+L^2}}-\frac{Q_2}{\sqrt{{R_2}^2+{(L+d)}^2}}],$

$E\left(x\right)=\frac{q}{{8\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0}[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{Q_1\mathrm{d\θ}}{\sqrt{{(R_1\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{R_1}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+L^2}}-{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{Q_2\mathrm{d\θ}}{\sqrt{{(R_2\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{R_2}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+{(L+d)}^2}}],$

q为带电纳米微粒所带的电荷；π为圆周率常数；ε₀为介电常数；

Q1为带电圆环一所带的电荷，Q2为带电圆环二所带的电荷；

R1为带电圆环一的半径，R2为带电圆环二的半径；

d为两带电圆环间的圆心距；

L为两圆环共同法线上的任一点W点到圆环一的圆心之间的距离；

⊿L为带电纳米微粒在W点处沿着两圆环共同法线产生的微小偏移；

⊿d为圆环一沿着共同法线和⊿L同方向的微小位移，⊿d＝a⊿L；

x为带电纳米微粒在W点处沿水平任一方向偏离W点的位移。

3.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，带电圆环二的半径大于带电圆环一的半径；带电圆环二所带电荷的电量大于带电圆环一所带电荷的电量；

4.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，R2与R1的比值介于1.2到3，R1的范围介于10nm到1mm。

5.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，Q2与Q1的比值介于2到10，Q1大于6e。

6.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，a介于0.05到0.2。

7.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，带电圆环一设于弹性薄膜上，并由金属导线连接外接电源或者静电起电机上。

8.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，带电圆环二设于刚性绝缘圆筒支架上，并由金属导线连接外接电源或者静电起电机上。

9.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，所述圆环一和圆环二均为金属圆环。

10.如权利要求1所述的一种操纵带电纳米微粒的静电镊，其特征在于，所述带电纳米微粒的直径小于100nm，可以是：电子、离子、带电高分子或带电气体分子团簇。

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