CN102565057A

CN102565057A - 一种基于左手材料的光镊

Info

Publication number: CN102565057A
Application number: CN2011104215761A
Authority: CN
Inventors: 曹暾
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN102565057B

Abstract

本发明提供一种基于左手材料的光镊，通过在一层或多层三明治结构上(金属层-绝缘层-金属层)，制备具有周期性结构的孔阵列，使其具有磁偶极子，并在光源照射下，产生一个沿光照方向的负向光学力，从而实现对微小粒子的准确抓获和选择。该光镊所特有的磁偶极子，可以使其在很小功率光源的作用下即可实现对微小粒子的抓获，减少了由于光源功率过大所导致的光镊对生物样本的活力影响和扰动。该光镊具有体积小、抓获力大、稳定性高等特点。

Description

一种基于左手材料的光镊

技术领域

本发明属于生物样品(例如蛋白质、DNA以及抗体等)检测领域，涉及一种基于左手材料的光镊，可应用于疾病治疗诊断和生物医学。

背景技术

生命科学的发展为疾病的诊断、治疗及预防提供了高效便捷的手段，同时也面临着新的挑战，即如何操纵具有微小尺寸的组织、细胞、药物、生物大分子和生物活性分子等，提供即时、在线、准确和全面的分析。为了解决这些问题，人们尝试将激光微束光阱效应与生物工程、微电子工艺、以及光电子学等学科有机结合，由此形成了生物医学领域的一个新的热点：光镊技术。

1986年美国贝尔实验室科学家Arthur Ashkin首次将光镊技术应用于生命科学的研究，他利用单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学阱，并证明了这种光阱可以无损伤地操纵基于微米级及亚微米级的活体物质。(Opt.Lett.1986，11：288-290)。由于光镊技术可以定量测试生物体所产生的pN级的生物微作用力以及nm级的微小位移，因此，目前已成为最前沿的生命科技领域之一，得到了人们的广泛关注。

目前广泛研究的光镊技术有传统光镊技术，多光束光镊技术，近场光镊技术和特殊光镊技术等。其中传统光镊技术是激光束经过扩束和反射光路后，聚焦到样品池中。样品池随样品台二维移动，与被扑获得微粒产生相对位移。但该技术只能操控单个微粒。Nature，1987(330)：769-771，其在多光镊技术中，每个光镊都由独立的光束形成，因此一次可以形成多个光阱，并同时扑获多个微粒，极大增强了光镊的效率。但是难以对单个纳米量级的生物分子进行扑获和操纵。激光与光电子学进展，2007，44(5)：62-66，其近场光镊技术的扑获范围具有高度局域性，可以做到这一点，是中分子水平操纵的有力工具之一，但是其结构复杂，操作难度较高。光学技术，2003，29(3)：266-272，其特殊光镊技术主要采用贝塞尔光束和拉盖尔.高斯光束，它可以在光束的传播方向上同时扑获多个粒子和对任意粒子的光致旋转。但是，其不能对纳米量级的粒子进行操作，且成本较高，详见：激光与光电子学进展，2007，44(6)：15-26。

上述传光镊系统都属于分立器件结构，具有体积大、结构复杂、成本高的缺点，同时他们扑获纳米级或亚微米量级的分子能力较低、灵敏度较差。因此设计研发具有尺寸小、灵敏度高、纳米级或亚微米量级粒子扑获能力强的光镊技术是目前亟需解决的问题。

基于周期性孔阵列结构的左手材料的尺寸可以达到＜6um，(PRL 106，067402，2011)。由于其具有磁偶极子，在光源照射下，会产生一个沿光照方向的pN级的负向光学力(negative optical force)。因此，将基于周期性孔阵列结构的左手材料应用于光镊技术，实现对纳米量级粒子的准确抓获和操纵是本发明的创研动机。

发明内容

本发明针对上述光镊系统的问题，提供了一种基于左手材料(Metamaterial)的光镊，该集成器件具有尺寸小、灵敏度高、扑获纳米级或亚微米量级粒子能力强、准确率高的特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

左手材料光镊该光镊具有一层或多层三明治结构，所述的三明治结构是通过在衬底上交替生长金属层、绝缘层、金属层而成；其上具有周期性结构的孔阵列，使其具有磁偶极子，并在光源照射下，产生一个沿光照方向的负向光学力，从而实现对微小粒子的抓获和选择。

所述的三明治结构是通过在衬底上交替生长金属层、绝缘层、金属层而成。金属层的宽度在1微米至10厘米之间、高度在20纳米至500微米之间，绝缘层在1微米至10厘米之间、高度在20纳米至500微米之间。金属层包括Al、Ag、Au、Cu等，绝缘层包括Al₂O₃、MgF₂、HSQ(Hydrogen silsesquioxane)等。

所述的衬底可以采用晶体材料、有机材料，其中晶体材料包括硅、砷化镓、磷化铟等半导体衬底。

所述的周期性孔矩阵孔可以是矩形、方形、圆形、椭圆形、弧形、十字形等，孔的宽度在20纳米至10微米之间、高度在60纳米至10厘米之间。周期性孔矩阵可以通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，如电子束曝光(E-beamlithography)、聚焦离子束曝光(Focus Ion Beam lithography)和反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)等，其特点是底部平坦，空壁光滑，侧面形状不限。

左手材料光镊的制备过程是在衬底上通过生长工艺制备三明治结构(金属层-绝缘层-金属层)；然后在三明治结构上通过掩模和刻蚀工艺制备周期性孔矩阵。

本发明的测试系统由光源、显微镜和光力显示器构成。测试前将左手材料光镊置于样品池上方，左手材料在光源的照射下，在磁偶极子震荡频率附近会产生一个沿光照方向的负向光学力，从而形成光镊射向样品池，实现对某一特定尺寸微粒的抓获和操纵。然后降低或者升高光源的输入频率，改变左手材料光镊对粒子的作用力，实现对其他特定尺寸微粒的选取。此时，光力显示器显示的数据，即为左手材料光镊对不同尺寸微粒的吸附力大小。显微镜可以用来观测微粒在所述光镊作用下所产生的位移。光源采用波长可调谐激光器、半导体连续或准连续激光、或者发光二极管。显微镜可以采用普通荧光垂直或正置显微镜。

本发明的左手材料光镊具有特有的磁偶极子，可以使其在很小功率光源的作用下即可实现对纳米或者亚微米粒子的抓获，减少了由于光源功率过大所导致的光镊对生物样本的活力影响和扰动。因此，该光镊具有体积小、抓获力大、稳定性高、抓获准确率高等特点。

附图说明

图1为左手材料光镊工作示意图。

图2为左手材料光镊的各种形状示意图。

图3为左手材料光镊制作流程示意图。

图4为左手材料光镊系统测试示意图。

图中：1衬底，2三明治结构，3掩膜，4周期性孔矩阵，5单层的左手材料光镊，6金属层，7绝缘层，8多层的左手材料光镊，9光源，10显微镜，11光力显示器，12样品池，13控温器，14CCD摄像机。

具体实施方式

为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的薄膜生长技术包括：蒸发、溅射、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、电子束蒸发(E-beam evaporation)或液相外延(LPE)等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光(E-beamlithography，EBL)、聚焦离子束曝光(Focus Ion Beam lithography，FIBL)等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀，如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)等常用工艺。

首先，利用薄膜生长工艺在玻璃衬底1上形成N(N＞＝1)层三明治结构(金属层-绝缘层-金属层)2，如附图3(a)所示。其次，在三明治结构2上沉积薄膜作为掩模3，其中3可以是SiO₂等，如附图3(b)所示。

然后，将根据理论计算的结果，定义满足填充因子和刻蚀图形要求的周期性孔矩阵样板(Pattern)，并通过扫描式离子束曝光(EBL)或聚焦离子束曝光(FIBL)将样本转换到掩模上，如附图3(c)所示。其中，理论计算可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。

通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性孔矩阵4，如附图3(d)所示。最后，移除掩模3，得到左手材料光镊5，如附图3(e)所示。其中基于多层三明治结构的左手材料光镊8如附图3(f)所示。

本发明测试系统主要由光源9、显微镜10和光力显示器11构成。测试前可以将左手材料光镊8直接置于样品池12上方，左手材料在光源9的照射下，形成光镊射向样品池，实现对某一特定尺寸微粒的抓获和操纵。显微镜10可以用来观测微粒在所述光镊作用下所产生的位移。左手材料光镊对不同尺寸微粒的吸附力由光力显示器11显示。本发明系统同时还包括控温器13、CCD摄像机14。(附图4所示)利用CCD摄像机14对光镊作用下的微粒进行实时监测，并将所得的视频信号在显示器显示。样品池12与控温器13相连，使样品在光镊的作用下始终处于常温状态。显微镜10用来采集视场信息。

综上所述，本发明提供的左手材料光镊具有磁偶极子特性，该特性使其利用很小功率光源实现对纳米或者亚微米粒子的抓获，减少了由于光源功率过大所导致的光镊对生物样本的活力影响和扰动，从而显著提高了光镊的灵敏度、分辨率和抗干扰性。

以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内。

Claims

1.一种基于左手材料的光镊，其特征在于，该光镊具有一层或多层三明治结构，其上具有周期性结构的孔阵列；所述的三明治结构是通过在衬底上交替生长金属层、绝缘层、金属层而成，金属层的宽度在1微米至10厘米、高度在20纳米至500微米，绝缘层在1微米至10厘米、高度在20纳米至500微米；

所述的衬底采用晶体材料、有机材料；

所述的周期性孔矩阵孔是矩形、方形、圆形、椭圆形、弧形、十字形；孔的宽度在20纳米至10微米、高度在60纳米至10厘米。

2.根据权利要求1所述的一种基于左手材料的光镊，其特征在于，金属层包括Al、Ag、Au、Cu。

3.根据权利要求1所述的一种基于左手材料的光镊，其特征在于，绝缘层包括Al₂O₃、MgF₂、HSQ。

4.根据权利要求1所述的一种基于左手材料的光镊，其特征在于，所述的晶体材料包括硅、砷化镓、磷化铟。

5.根据权利要求1所述的一种基于左手材料的光镊，其特征在于，周期性孔矩阵通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光和反应离子束刻蚀。