CN105116538B - 斜入射光在石墨烯薄层包裹颗粒表面产生可调谐非梯度光学力的方法 - Google Patents

斜入射光在石墨烯薄层包裹颗粒表面产生可调谐非梯度光学力的方法 Download PDF

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Abstract

一种斜入射光在石墨烯薄层包裹颗粒表面产生可调谐非梯度光学力的方法，破坏多石墨烯薄层包裹微粒周围的玻印亭矢量的对称分布，使石墨烯薄层包裹微粒上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；然后，通过改变石墨烯的费米能级，改变石墨烯薄层包裹微粒上的总玻印亭矢量的方向和大小，进而改变总玻印亭矢量作用在石墨烯薄层包裹微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控石墨烯薄层包裹微粒在入射光场中的运动轨迹，对附着在石墨烯薄层表面的纳米尺寸分子进行可调谐捕获和筛选的技术方案。其中，通过改变外加电场、温度、注入光强、和石墨烯的厚度等方式改变石墨烯的费米能级，进而改变石墨烯的介电系数及电导率。

Description

斜入射光在石墨烯薄层包裹颗粒表面产生可调谐非梯度光学 力的方法
技术领域
本发明涉及一种斜入射光在石墨烯薄层包裹颗粒表面产生可调谐非梯度光学力的方法，可应用于生物、医学及纳米操控等领域。
背景技术
对微小物体的光学捕获和筛选一直是光学领域的研究热点。光学梯度力在各种光学捕获技术中扮演着重要的角色，例如通过光学梯度力实现的光镊和光学捆绑等。然而，光学梯度力具有产生设备复杂、不可调谐和难以捕获和筛选纳米尺寸分子等缺点。2008年，Ward,T.J.等提出通过圆偏振光产生的光学梯度力可以捕获和分离具有纳米尺寸的手性分子。但是，圆偏振入射光仍然需要使用复杂的设备来产生，不利于系统的实际应用；且其捕获和分离的纳米分子必需具有手性结构，因此限制了其作用对象的范围。所以，本发明提出在石墨烯薄层包裹微粒表面覆盖纳米尺寸分子，使其在线偏振倾斜入射光照射下在石墨烯薄层包裹微粒周围产生非梯度光学力；然后，利用改变外加电场、温度、注入光强、和石墨烯的厚度等方式改变石墨烯的费米能级，进而改变石墨烯的介电系数及电导率，调谐包裹石墨烯薄层微粒受到的非梯度光学力大小和方向，从而实现对附着在石墨烯薄层表面的纳米尺寸分子的捕获和筛选，其中纳米尺寸分子可以为非手性结构。
发明内容
本发明的目的在于克服了利用梯度光学力捕获和筛选纳米尺寸分子这一传统方法中所具有的入射光源复杂(即入射光必需为圆偏振或椭圆偏振)、筛选对象局限(即纳米尺寸分子必需具有手性结构)、由圆偏振或椭圆偏振光产生的梯度光学力不可调谐、以及难以捕获纳米尺寸非手性分子等不足，而提供一种具有系统简单、操作方便、超灵敏、超快速、主动调谐等优点的由线偏振倾斜入射光产生的非梯度光学力捕获和筛选非手性纳米尺寸分子的方法，可用于生物，医学以及纳米操控等领域。
本发明解决问题采用的技术方案如下：
一种斜入射光在石墨烯薄层包裹颗粒表面产生可调谐非梯度光学力的方法，通过使线偏振入射光倾斜照射石墨烯薄层包裹的微粒，破坏石墨烯薄层包裹的微粒周围的玻印亭矢量对称分布，使石墨烯薄层包裹的微粒上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；且该总玻印亭矢量随石墨烯的费米能级的变化发生改变，进而改变总玻印亭矢量作用在石墨烯薄层包裹的微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控石墨烯薄层包裹的微粒在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在石墨烯薄层包裹的微粒表面的纳米尺寸分子进行可调谐捕获和筛选，其中石墨烯薄层包裹的微粒处于入射光束内，且偏离光束沿入射方向的中心对称轴(z轴)的距离为l(0≤l≤w(z))，w(z)为入射光束宽，随z的变化发生改变(-∞<z<+∞)；其中，微粒的材料可以是金属或介质等，外形可以是球体、椭球体、圆柱体、圆锥体等曲面几何体或者棱柱、正方体、长方体等多面体，体积在1立方纳米至1000立方微米。
所述的线偏振入射光，入射光为线偏振非平面波或平面波，类型包括高斯波、贝塞尔波、艾里波等；入射光倾斜照射石墨烯薄层包裹的微粒，入射角θ范围是0°<θ<90°；频率范围为0.3μm～20μm；功率范围为0.1mW/μm2～10mW/μm2。
所述的入射光的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。
所述的石墨烯薄层包裹的微粒，微粒的材料可以是金属或介质，金属可以是Al、Ag、Au、Cu、Ni、Pt等，介质可以是半导体材料如Si、SiO2、GaAs、InP、Al2O3等或聚合物。
所述的石墨烯薄层包裹的微粒，石墨烯薄层是由M层碳原子层构成，其中1≤M≤100。
所述的附着在石墨烯薄层表面的纳米尺寸分子，纳米尺寸分子可以具有非手性结构或手性结构，如抗原，抗体，酶，激素，胺类，肽类，氨基酸，维生素等。
所述的石墨烯薄层包裹的微粒是通过材料生长工艺实现，包括磁控溅射、电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长、分子束外延等。
所述的石墨烯薄层包裹的微粒，可以通过改变外加电场、温度、注入光强、和石墨烯的厚度等方式改变石墨烯的费米能级分布，进而改变石墨烯的介电系数及电导率。
本发明系统由光源、显微镜和光学力显示器构成。测试前将表面附有纳米尺寸分子的石墨烯薄层包裹的微粒置于装有水或油的样品池中，在线偏振光波的倾斜照射下，破坏石墨烯薄层包裹的微粒周围的玻印亭矢量对称分布，使石墨烯薄层包裹的微粒上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；然后，通过改变石墨烯的费米能级改变石墨烯薄层包裹的微粒上的总玻印亭矢量，进而改变总玻印亭矢量作用在石墨烯薄层包裹的微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控石墨烯薄层包裹的微粒在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在石墨烯薄层表面的纳米尺寸非手性分子进行可调谐捕获和筛选。显微镜可以用来观测表面附有纳米尺寸非手性分子的石墨烯薄层包裹的微粒在入射光作用下所产生的运动轨迹。所述显微镜可以采用普通荧光垂直或正置显微镜。
所述系统可以通过简单的线偏振倾斜入射光实现对具有纳米尺寸非手性结构物体的可调谐捕获和筛选。克服了利用梯度光学力捕获和筛选纳米尺寸分子这一传统方法中所具有的入射光源复杂(即入射光必须为圆偏振或椭圆偏振)、筛选对象局限(即纳米尺寸分子必须具有手性)、由圆偏振或椭圆偏振光产生的梯度光学力不可调谐、以及难以捕获纳米尺寸分子等问题，具有系统简单、操作方便、超灵敏、超快速、主动调谐等优点，可用于生物，医学以及纳米操控等领域。
附图说明
图1为表面附有纳米尺寸分子的石墨烯薄层包裹的微粒示意图。
图2为由线偏振倾斜入射光产生的非梯度光学力捕获表面附有纳米尺寸分子的石墨烯薄层包裹的微粒的过程示意图。
图3为由线偏振倾斜入射光产生的非梯度光学力捕获表面附有纳米尺寸分子的石墨烯薄层包裹的微粒的系统测试示意图。
图中：1石墨烯，2微粒，3石墨烯包裹的微粒，4纳米尺寸分子，5光源，6显微镜，7光学力显示器，8样品池，9控温器，10CCD摄像机，11监视器，12计算机，13录像机。
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。其中的材料生长技术包括：磁控溅射，电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术等常用技术。
实施例1
首先，通过材料生长工艺产生微粒2且在其表面覆盖石墨烯薄层1，形成包裹石墨烯薄层的微粒3，如附图1(a)所示。其中包裹石墨烯薄层的微粒3的几何形状和尺寸可以采用有限时域差分法、有限元法等算法确定。
其次，在包裹石墨烯薄层的微粒3外表面附着纳米尺寸分子4，如附图1(b)所示。
然后，将表面附着纳米尺寸分子4的包裹石墨烯薄层的微粒3置于线偏振倾斜入射光束内，石墨烯费米能级较低时(费米能级<0.1eV)，处于线偏振倾斜入射光内的包裹石墨烯薄层的微粒3周围的玻印亭矢量为非对称分布，即包裹石墨烯薄层的微粒3上的总玻印亭矢量不为零，产生指向光束外围的非梯度光学力，使包裹石墨烯薄层的微粒3向光束外围运动，进而带动附着在包裹石墨烯薄层的微粒3表面的纳米尺寸分子4向光束外围运动，如附图2(a)所示。
之后，通过增加外加电场、温度、注入光强、和石墨烯的厚度等方式提高石墨烯的费米能级(费米能级>0.1eV)，使包裹石墨烯薄层的微粒3表面的总玻印亭矢量方向和大小发生改变，产生指向光束中心的非梯度光学力，使包裹石墨烯薄层的微粒3带动附着在其表面的纳米尺寸分子4向光束中心运动，如附图2(b)所示。
最后，通过减少外加电场、温度、注入光强、和石墨烯的厚度等方式减少石墨烯的费米能级(费米能级<0.1eV)，此时包裹石墨烯薄层的微粒3受到的非梯度光学力又变回了向外，包裹石墨烯薄层的微粒3带动纳米尺寸分子4向光束外围运动，如附图2(c)所示。
这样我们通过改变石墨烯的费米能级，控制包裹石墨烯薄层的微粒3在入射光场中的运动轨迹，最终实现了对附着在包裹石墨烯薄层的微粒3表面的纳米尺寸分子4的可调谐捕获和筛选。
本发明系统主要由光源5、显微镜6和光学力显示器7构成。测试前将表面附着纳米尺寸分子4的包裹石墨烯薄层的微粒3置于样品池8内，光源5产生线偏振倾斜入射光，射向样品池8，实现对表面附着纳米尺寸分子4的包裹石墨烯薄层微粒3的抓获和操纵。显微镜6可以用来观测微表面附着纳米尺寸分子4的包裹石墨烯薄层微粒3在倾斜入射光作用下所产生的运动轨迹。线偏振倾斜入射光在表面附着纳米尺寸分子4的包裹石墨烯薄层微粒3产生的非梯度光学力由光力显示器7测得。本发明系统同时还包括控温器9、CCD摄像机10、监视器11、计算机12、和录像机13等(附图3所示)。利用CCD摄像机10对线偏振倾斜入射光照射下的表面附着纳米尺寸分子4的包裹石墨烯薄层微粒3进行实时监测，并将所得的视频信号在显示器显示。录像机13可以用来记录图像。样品池8与控温器9相连，使表面附着纳米尺寸分子4的包裹石墨烯薄层的微粒3中石墨烯费米能级随样品池8的温度变化而改变。计算机12可以存储显微镜6所采集的视场信息。
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，特此说明。

Claims (7)

1.一种斜入射光在石墨烯薄层包裹颗粒表面产生可调谐非梯度光学力的方法，其特征在于，通过使线偏振入射光倾斜照射石墨烯薄层包裹的微粒，破坏石墨烯薄层包裹的微粒周围的玻印亭矢量对称分布，使石墨烯薄层包裹的微粒上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；且该总玻印亭矢量随石墨烯的费米能级的变化发生改变，进而改变总玻印亭矢量作用在石墨烯薄层包裹的微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控石墨烯薄层包裹的微粒在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在石墨烯薄层包裹的微粒表面的纳米尺寸分子进行可调谐捕获和筛选，其中石墨烯薄层包裹的微粒处于入射光束内，且偏离光束沿入射方向的中心对称轴(z轴)的距离为l，0≤l≤w(z)；w(z)为入射光束宽，随z的变化发生改变，-∞<z<+∞；其中，微粒的材料是金属或介质，外形是曲面几何体或者多面体，体积在1立方纳米至1000立方微米；
所述的石墨烯薄层包裹的微粒通过改变外加电场、温度或注入光强改变石墨烯的费米能级分布，进而改变石墨烯的介电系数及电导率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，线偏振入射光为线偏振非平面波或平面波，类型包括高斯波、贝塞尔波、艾里波；入射光倾斜照射石墨烯薄层包裹的微粒，入射角θ范围是0°<θ<90°；波长范围为0.3μm～20μm；功率密度范围为0.1mW/μm2～10mW/μm2。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的入射光的光源采用波长可调谐激光器、半导体连续、准连续激光或者发光二极管。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的石墨烯薄层包裹的微粒，微粒的材料是金属或介质，金属是Al、Ag、Au、Cu、Ni或Pt，介质是Si、SiO2、GaAs、InP、Al2O3中的一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的石墨烯薄层包裹的微粒，其特征在于，石墨烯薄层是由M层碳原子层构成，其中1≤M≤100。
6.根据权利要求1或2或4或5所述的方法，其特征在于，所述的附着在石墨烯薄层表面的纳米尺寸分子，纳米尺寸分子具有非手性结构或手性结构。
7.根据权利要求1或2或4或5所述的方法，其特征在于，所述的石墨烯薄层包裹的微粒是通过材料生长工艺实现，包括磁控溅射、电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长或分子束外延。
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