CN105137586B

CN105137586B - 线偏振平面光波对处于石墨烯衬底上方微粒的可调谐捕获和筛选的方法

Info

Publication number: CN105137586B
Application number: CN201510431134.3A
Authority: CN
Inventors: 曹暾
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: CN105137586A

Abstract

一种线偏振平面光波对处于石墨烯衬底上方微粒的可调谐捕获和筛选的方法，通过将微粒置于石墨烯衬底平板上方，破坏微粒周围的玻印亭矢量的对称分布，使微粒上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；然后，通过改变石墨烯衬底平板的费米能级，改变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微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控微粒在入射光场中的运动轨迹。其中，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衬底平板的费米能级，进而改变石墨烯的介电系数及电导率。

Description

线偏振平面光波对处于石墨烯衬底上方微粒的可调谐捕获和筛选的方法

技术领域

本发明涉及一种线偏振平面光波对处于石墨烯衬底上方微粒的可调谐捕获和筛选的方法，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尺寸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，本发明提出在位于石墨烯衬底平板上方的微粒表面覆盖纳米尺寸分子，使其在线偏振平面光波照射下在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分布，进而改变石墨烯的介电系数及电导率，调谐石墨烯衬底平板上方微粒受到的非梯度光学力大小和方向，从而实现对附着在微粒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平面光波产生的非梯度光学力捕获和筛选位于石墨烯衬底平板上方的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：

一种线偏振平面光波对处于石墨烯衬底上方微粒的可调谐捕获和筛选的方法，将微粒置于石墨烯衬底平板上方，该石墨烯衬底平板破坏了微粒周围的玻印亭矢量对称分布，使微粒上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；通过改变石墨烯衬底平板的石墨烯费米能级，改变微粒上的总玻印亭矢量分布，进而改变总玻印亭矢量作用在微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控微粒在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在微粒表面的纳米尺寸分子进行可调谐捕获和筛选，其中，微粒置于石墨烯衬底平板上方，微粒材料可以是介质或金属，石墨烯衬底平板的长、宽、高在10纳米到10米，微粒与石墨烯衬底平板表面的距离为l(l>0)；微粒的外形可以是球体、圆柱体、圆锥体等曲面几何体或棱柱体、正方体、长方体等多面体，体积在1立方纳米至1000立方微米。

所述的入射光，入射光为线偏振平面波；入射光入射方向平行于石墨烯衬底平板，频率范围为0.3微米～20微米，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。

所述的表面附有纳米尺寸分子的微粒，微粒材料可以是金属或介质，其中，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。

所述的石墨烯衬底平板，石墨烯衬底平板是通过在衬底平板表面覆盖石墨烯薄层而成，其中衬底平板材料可以是金属或介质，其中，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，石墨烯薄层是由M层碳原子层构成，其中1≤M≤100。

所述的表面附有纳米尺寸分子的微粒，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。

所述的石墨烯衬底平板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。

所述的石墨烯衬底平板，可以通过改变外加电场、温度、注入光强、拓扑材料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。测试前先将石墨烯衬底平板置于装有水或油的样品池底部，然后将表面附有纳米尺寸分子的微粒置于装有水或油的样品池中，同时置于石墨烯衬底平板上方，线偏振平面波光源从样品池的侧壁进入，照射微粒，由于石墨烯衬底平板破坏了微粒周围的玻印亭矢量对称分布，使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，改变石墨烯衬底平板上方微粒表面的总玻印亭矢量分布，进而改变总玻印亭矢量作用在微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控微粒在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在微粒表面的纳米尺寸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分子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平面光波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微粒示意图。

图2为由线偏振光产生的非梯度光学力捕获和筛选处于石墨烯衬底平板上方的表面附有纳米尺寸分子的微粒的过程示意图。

图3为由线偏振光产生的非梯度光学力捕获和筛选处于石墨烯衬底平板上方的表面附有纳米尺寸分子的微粒的测试系统示意图。

图中：1微粒，2纳米尺寸分子，3石墨烯衬底平板，4光源，5显微镜，6光学力显示器，7样品池，8控温器，9CCD摄像机，10监视器，11计算机，12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1，如附图1(a)所示。其中微粒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，在微粒1外表面附着纳米尺寸分子2，如附图1(b)所示。

然后，将表面附着纳米尺寸分子2的微粒1置于石墨烯衬底平板3表面上方，距离为l(l>0)，当入射光为线偏振平面波且石墨烯费米能级较低时(费米能级<0.1eV)，处于石墨烯衬底平板3上方的微粒1周围的玻印亭矢量为非对称分布，即微粒1上的总玻印亭矢量不为零，产生沿入射光方向指向右前方的非梯度光学力，使微粒1沿入射光方向的右前方运动，进而带动附着在微粒1表面的纳米尺寸分子2沿入射光方向的右前方运动，如附图2(a)所示。

之后，通过增加外加电场、温度、注入光强、拓扑材料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)，使微粒1表面的总玻印亭矢量方向和大小发生改变，产生沿入射光方向指向左前方的非梯度光学力，使微粒1带动附着在其表面的纳米尺寸分子2沿入射光方向的左前方运动，如附图2(b)所示。

最后，通过减少外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度等方式降低石墨烯的费米能级(费米能级<0.1eV)，此时微粒1受到的非梯度光学力又变回了沿入射光方向指向右前方的非梯度光学力，微粒1带动纳米尺寸分子2沿入射光方向的右前方运动，如附图2(c)所示。

这样我们通过改变石墨烯衬底平板3中石墨烯的费米能级，控制微粒1在入射光场中的运动轨迹，最终实现了对附着在微粒1表面的纳米尺寸分子2的可调谐捕获和筛选。

本发明系统主要由光源4、显微镜5和光学力显示器6构成。测试前先将石墨烯衬底平板3置于装有水或油的样品池7的底部，然后将表面附着纳米尺寸分子2的微粒1置于样品池7内，且置于石墨烯衬底平板3上方。光源4产生线偏振平面波从样品池7的侧壁进入，水平照射微粒1，实现对表面附着纳米尺寸分子2的微粒1的抓获和操纵。显微镜5可以用来观测微表面附着纳米尺寸分子2的微粒1在入射光作用下所产生的运动轨迹。线偏振平面波在表面附着纳米尺寸分子2的微粒1产生的非梯度光学力由光学力显示器6测得。本发明系统同时还包括控温器8、CCD摄像机9、监视器10、计算机11、和录像机12等(附图3所示)。利用CCD摄像机9对线偏振平面波照射下的表面附着纳米尺寸分子2的微粒1进行实时监测，并将所得的视频信号在显示器显示。录像机12可以用来记录图像。样品池7与控温器8相连，石墨烯衬底平板3中的石墨烯的费米能级随样品池7的温度变化而改变。计算机11可以存储显微镜5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

1.一种线偏振平面光波对处于石墨烯衬底上方微粒的可调谐捕获和筛选的方法，其特征在于，将微粒置于石墨烯衬底平板上方，该石墨烯衬底平板破坏了微粒周围的玻印亭矢量对称分布，使微粒上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；通过改变石墨烯衬底平板的石墨烯费米能级，改变微粒上的总玻印亭矢量分布，进而改变总玻印亭矢量作用在微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控微粒在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在微粒表面的纳米尺寸分子进行可调谐捕获和筛选，其中，微粒置于石墨烯衬底平板上方，微粒材料是介质或金属，石墨烯衬底平板的长、宽、高在10纳米到10米，微粒与石墨烯衬底平板表面的距离为l，l＞0；微粒的外形是曲面几何体或多面体，体积在1立方纳米至1000立方微米；入射光为线偏振平面波；

石墨烯衬底平板通过改变外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度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，入射光入射方向平行于石墨烯衬底平板，频率范围为0.3微米～20微米，功率范围为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，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。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，表面附有纳米尺寸分子的微粒，其特征在于，微粒材料可以是金属或介质，其中，金属是Al、Ag、Au、Cu、Ni、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，石墨烯衬底平板是通过在衬底平板表面覆盖石墨烯薄层而成，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，其特征在于，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，石墨烯衬底平板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。