CN109243660B - 一种基于手性依赖透镜激发的spp光镊装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于手性依赖透镜激发的SPP光镊装置，包括：激发光单元、表面等离激元激发单元；所述激发光单元用于产生手性依赖透镜的特殊光束，并将所述特殊光束入射至所述表面等离激元激发单元；所述表面等离激元激发单元用于利用所述特殊光束在所述金属膜与所述样品溶液之间的接触面上，激发会聚的表面等离激元特殊光场，通过所述表面等离激元特殊光场对所述样品溶液中的微纳结构进行动态操控；所述动态操控包括对所述样品溶液中的微纳结构进行捕获和排斥。
Description
技术领域
本申请属于近场光学技术领域，尤其涉及一种基于手性依赖透镜激发
SPP光镊装置。
背景技术
近年来，由于金属纳米粒子独特的化学和物理特性，金属粒子在生物化学、催化、表面拉曼散射增强等领域都显示出非常重要的应用前景，逐渐提升了人们对操控金属粒子的需求。然而，由于金属粒子的高吸收、高散射特性，在传统的激光光镊中金属粒子(尤其100纳米至几微米量级的介观尺寸金属粒子)往往会被聚焦光斑的散射力推开而无法实现稳定捕获，因此对金属粒子的稳定捕获与操纵仍然是一个亟待解决的问题。
表面增强拉曼光谱技术(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)是一种基于金属纳米结构近场局域电场增强的方式实现拉曼光谱增强的技术。自20世纪70年代发现以来就引起了人们广泛兴趣。1997年Nie等人更是实现了单分子拉曼检测并且使拉曼光谱信号的增强最高达到10^14，自此单分子表面增强拉曼光谱技术就成为了新的研究热点。SERS技术单分子检测的独特优势可以与细胞以及蛋白质层面研究需求进行完美的契合，天然地促成了该技术可以作为癌症在细胞和蛋白质表达层面的早期诊断以及癌变机制研究的首选技术。
随着纳米科技的迅速发展和对颗粒捕获要求的不断提高,光镊技术的研究面临新的问题与挑战:1)近场光镊倏逝场偏弱,由于棱镜全内反射,近场光学结构不能增强入射光场,产生的表面倏逝场普遍偏弱,无法形成比较强的梯度力用于捕获；2)金属颗粒难以捕获,金属颗粒的典型特性是对光有较强的反射与吸收,产生很大的光学散射力,如果散射力比梯度力大,金属颗粒将被光束推走而难以捕获。
在传统的激光光镊中，如金属颗粒的微纳结构在光场中通常会受到两种力的作用，即由金属颗粒周围光强分布不均匀产生的梯度力，该梯度力一般表现为吸引力，和由金属颗粒对光的散射与吸收产生的散射力，该散射力一般表现为排斥力。当光镊对其产生的吸引力大于排斥力时，微纳结构就会被光镊系统捕获。
在现有技术中，金属微纳结构由于在激光光镊中受力不均匀且难以控制，因而难以实现对其在三维空间内的单颗粒的稳定捕获。
发明内容
本申请所要解决的技术问题在于提供一种手性依赖透镜激发SPP光镊装置，旨在解决现有技术中，金属微纳结构在激光光镊中受力不均匀且难以控制，难以实现对其在三维空间内的单颗粒稳定捕获。
为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案：
本申请实施例提供的基于手性依赖透镜激发SPP光镊装置，包括：
激发光单元、表面等离激元激发单元；
所述激发光单元，用于产生手性依赖透镜的特殊光束，并将所述特殊光束入射至所述表面等离激元激发单元；
所述表面等离激元激发单元设置有镀有金属膜的玻片，待进行动态操控的样品溶液置于所述玻片的表面；
所述表面等离激元激发单元，用于利用所述特殊光束在所述金属膜与所述样品溶液之间的接触面上，激发会聚的表面等离激元特殊光场，通过所述表面等离激元特殊光场对所述样品溶液中的微纳结构进行动态操控；所述动态操控包括对所述样品溶液中的微纳结构进行捕获和排斥。
具体的，所述装置还包括：
扫描控制及监测单元，用于对所述微纳结构的动态操控进行实时监测。
具体的，所述激发光单元包括：激光器、起偏器、波片、第一透镜组、液晶片、第二透镜组；
所述激光器，用于产生预设波长的激光光束，并将所述激光光束入射至所述起偏器；
所述起偏器，用于对入射的激光光束成为线偏光，将得到的线偏光入射至所述波片；
所述波片，用于对所述线偏光调制为椭圆偏振光，将得到的椭圆偏振光束入射到所述第一透镜组；
所述第一透镜组，用于对入射的椭偏光进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至所述液晶片；
所述液晶片，用于将所述椭偏光射入所述第二透镜组；
所述第二透镜组，用于将入射的椭偏光进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至所述表面等离激元激发单元。
可选的，所述表面等离激元激发单元包括：分束器、高数值孔径物镜；
所述分束器，用于将所述特殊光束分成第一光束和第二光束，将所述第一光束入射至所述高数值孔径物镜；
所述高数值孔径物镜，用于将所述第一光束入射到所述镀有金属膜的玻片，使得所述第一光束在所述金属膜与所述样品溶液之间的接触面上激发所述表面等离激元特殊光场；
具体的，还包括：扫描平台；
所述扫描平台，用于动态调控激发表面等离激元特殊光场及操控微纳结构的位置。
具体的，所述高数值孔径物镜还用于将所述样品溶液的反射光进行耦合，耦合后得到的耦合光经所述分束器反射入所述扫描控制及监测单元。
具体的，所述扫描控制及监测单元包括：滤光片、图像传感器CCD和计算机；
所述滤光片，用于对所述耦合光进行滤光，将滤光后的耦合光传输到所述图像传感器CCD进行成像；
所述计算机，与所述图像传感器CCD和所述扫描平台相连接，用于实时显示所述图像传感器CCD的成像图像。
具体的，所述波片具体为四分之一波片，用于控制入射光的偏振度从而控制激发SPP的发散和聚焦各自所占比份。
具体的，所述液晶片还用于将入射光中的左旋和右旋圆偏振光表现出汇聚和发散射至所述第二透镜组。
具体的，所述计算机还用于控制所述扫描平台的移动。
本申请实施例提供的表面等离激元激发单元包括镀有金属膜的玻片，待进行动态操控的样品溶液置于所述玻片的表面，激发光单元产生特殊光束，该特殊光束入射至表面等离激元激发单元后，在所述金属膜与所述样品溶液之间的接触面上激发会聚的表面等离激元光场，通过所述表面等离激元光场对所述样品溶液中的微纳结构进行动态操控，表面等离激元光场的特性，可以实现微纳结构在所述表面等离激元光场中定点的稳定捕获和动态操纵。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种手性依赖透镜激发SPP光镊装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种手性依赖透镜激发SPP光镊装置的示例结构图。
具体实施方式
为使得本申请的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
在本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身并没有特定的意义。
表面等离激元是一种局域在金属表面由自由电子与入射光子相互耦合共振所形成的一种混合激发模式，具有近场增强及表面局域的特性。近年来关于表面等离激元的研究发现，由于表面等离激元的近场电磁场增强和局域特性，能够增强对介质及金属微纳结构在光场中受到的吸引力，而利用手性依赖透镜的特性通过内聚焦的表面等离子体激元(SPP，Surface Plasmon Polariton)场实现对金属颗粒的稳定操控，同时利用外围的发散SPP场将外部的金属颗粒隔离在外，以实现对单个颗粒的精确操控获得稳定的Gap结构。
基于上述表面等离激元光镊技术，将线偏光调制成椭偏光，进一步实现对微纳结构进行动态捕获操控，能够抓住单颗粒而不受周围其它颗粒的影响，从而达到构建一个稳定动态的Gap结构并获得增强拉曼信号，实现单分子水平的样品检测及表征。通过调节光路中通过旋转1/4波片来控制入射光的偏振度从而控制激发SPP的发散和聚焦各自所占比份，实现对颗粒的捕获和排斥的动态操控。
以下结合附图及实施例对本申请作进一步详细说明。
基于上述原理，本申请实施例提供了如图1所示的一种手性依赖透镜激发SPP光镊装置，包括：
激发光单元101、表面等离激元激发单元102；
所述激发光单元101，用于产生手性依赖透镜的特殊光束，并将所述特殊光束入射至所述表面等离激元激发单元；
所述表面等离激元激发单元102设置有镀有金属膜的玻片1024，待进行动态操控的样品溶液置于所述玻片1024的表面；
所述表面等离激元激发单元102，用于利用所述特殊光束在所述金属膜与所述样品溶液之间的接触面上，激发会聚的表面等离激元特殊光场，通过所述表面等离激元特殊光场对所述样品溶液中的微纳结构进行动态操控；所述动态操控包括对所述样品溶液中的微纳结构进行捕获和排斥。
具体的，所述装置还包括：
扫描控制及监测单元103，用于对所述微纳结构的动态操控进行实时监测。
具体的，所述激发光单元101包括：激光器1011、起偏器1012、波片1013、第一透镜组1014、液晶片1015、第二透镜组1016；
所述激光器1011，用于产生预设波长的激光光束，并将所述激光光束入射至所述起偏器；
所述起偏器1012，用于对入射的激光光束成为线偏光，将得到的线偏光入射至所述第一透镜组；
所述波片1013，用于对所述线偏光调制为椭圆偏振光，将得到的椭圆偏振光束入射到所述第一透镜组；
所述第一透镜组1014，用于对入射的椭偏光进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至所述液晶片；
所述液晶片1015，用于将所述椭偏光射入所述第二透镜组；
所述第二透镜组1016，用于将入射的椭偏光进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至所述表面等离激元激发单元。
具体的，所述表面等离激元激发单元102包括：分束器1021、高数值孔径物镜1022；
所述分束器1021，用于将所述特殊光束分成第一光束和第二光束，将所述第一光束入射至所述高数值孔径物镜；其中，本申请对所述第二光束没有进行利用。
所述高数值孔径物镜1022，用于将所述第一光束入射到所述镀有金属膜的玻片1024，使得所述第一光束在所述金属膜与所述样品溶液之间的接触面上激发所述表面等离激元特殊光场；
具体的，所述表面等离激元激发单元102还包括：扫描平台1023；
所述扫描平台1023，用于动态调控激发表面等离激元特殊光场及操控微纳结构的位置。
具体的，所述高数值孔径物镜1022还用于将所述样品溶液的反射光进行耦合(入射光和反射光进行耦合)，耦合后得到的耦合光经所述分束器反射入所述扫描控制及监测单元。
具体的，所述扫描控制及监测单元103包括：滤光片、图像传感器CCD和计算机；
所述滤光片，用于对所述耦合光进行滤光，将滤光后的耦合光传输到所述图像传感器CCD进行成像；
所述计算机，与所述图像传感器CCD和所述扫描平台1023相连接，用于实时显示所述图像传感器CCD的成像图像。
具体的，所述波片具体为四分之一波片，用于控制入射光的偏振度从而控制激发SPP的发散和聚焦各自所占比份。
具体的，所述液晶片还用于将入射光中的左旋和右旋圆偏振光表现出汇聚和发散射至所述第二透镜组。
具体的，所述计算机还用于控制所述扫描平台的移动。
为了更直观的了解本申请实施例中的基于手性依赖透镜激发SPP光镊装置，还提供了示例结构图的图2，以供参考。
在申请实本实施例中，手性依赖透镜的特殊光束经高数值孔径物镜聚焦后会在金属膜界面构成形成表面等离激元光场，该表面等离激元特殊光场能够实现纳米到微米尺度的微纳结构的稳定捕获与操控，扫描控制与监测单元通过表面等离激元光场的光学力的作用以及激光光束的位相调控实现对微纳结构进行准确定位、操控，实现对微纳结构进行筛选功能，并同时实现对微纳结构的运动状态进行实时观测。而本申请实施例提供的基于微纳结构-金属膜结构的表面等离激元光镊装置在包括纳米技术、微加工/制作、光谱学、催化、生物技术以及医药科学等领域具有非常重要的研究价值和现实意义。
在申请实施例中，处于表面等离激元特殊光场内的微纳结构由于受到表面等离激元特殊光场导致的库仑力作用而被俘获并稳定在虚拟探针位置，通过旋转1/4波片来控制入射光的偏振度从而控制激发SPP的发散和聚焦各自所占比份，实现对颗粒的捕获和排斥的动态操控。动态操纵的过程可通过计算机连接的图像传感器CCD来实时检测，通过对扫描平台进行高精度的控制，可以实现对单个金颗粒的精密操纵。
本申请实施例提供的表面等离激元光镊装置通过手性依赖透镜的特殊光束激发表面等离激元光场，该表面等离激元光场可实现对微纳结构的稳定捕获和排斥，通过扫描平台控制微纳结构的位置，可进一步实现对微纳结构的筛选等功能。
需要说明的是，以上图1示例的电子装置的实施方式中，各功能模块的划分仅是举例说明，实际应用中可以根据需要，例如相应硬件的配置要求或者软件的实现的便利考虑，而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将电子装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。而且，在实际应用中，本实施例中的相应的功能模块可以是由相应的硬件实现，也可以由相应的硬件执行相应的软件完成。本说明书提供的各个实施例都可应用上述描述原则，以下不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个可读存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
Claims (8)
1.一种基于手性依赖透镜激发SPP光镊装置，其特征在于，包括激发光单元、表面等离激元激发单元和扫描控制及监测单元；
所述激发光单元用于产生手性依赖透镜的特殊光束，并将所述特殊光束入射至所述表面等离激元激发单元，所述激发光单元包括：激光器、起偏器、波片、第一透镜组、液晶片和第二透镜组，所述激光器用于产生预设波长的激光光束，并将所述激光光束入射至所述起偏器；所述起偏器用于对入射的激光光束成为线偏光，将得到的线偏光入射至所述波片；所述波片用于对所述线偏光调制为椭圆偏振光，将得到的椭圆偏振光束入射到所述第一透镜组；所述第一透镜组用于对入射的椭偏光进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至所述液晶片；所述液晶片用于将所述椭偏光射入所述第二透镜组；所述第二透镜组用于将入射的椭偏光进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至所述表面等离激元激发单元；
所述表面等离激元激发单元设置有镀有金属膜的玻片，待进行动态操控的样品溶液置于所述玻片的表面；
所述表面等离激元激发单元，用于利用所述特殊光束在所述金属膜与所述样品溶液之间的接触面上，激发会聚的表面等离激元特殊光场，通过所述表面等离激元特殊光场对所述样品溶液中的微纳结构进行动态操控；所述动态操控包括对所述样品溶液中的微纳结构进行捕获和排斥；
所述扫描控制及监测单元，用于对所述微纳结构的动态操控进行实时监测。
2.如权利要求1所述的手性依赖透镜激发SPP光镊装置，其特征在于，所述表面等离激元激发单元包括：分束器、高数值孔径物镜；
所述分束器，用于将所述特殊光束分成第一光束和第二光束，将所述第一光束入射至所述高数值孔径物镜；
所述高数值孔径物镜，用于将所述第一光束入射到所述镀有金属膜的玻片，使得所述第一光束在所述金属膜与所述样品溶液之间的接触面上激发所述表面等离激元特殊光场。
3.如权利要求2所述的手性依赖透镜激发SPP光镊装置，其特征在于，所述表面等离激元激发单元还包括：扫描平台；
所述扫描平台，用于动态调控激发表面等离激元特殊光场及操控微纳结构的位置。
4.如权利要求3所述的手性依赖透镜激发SPP光镊装置，其特征在于，所述高数值孔径物镜还用于将所述样品溶液的反射光进行耦合，耦合后得到的耦合光经所述分束器反射入所述扫描控制及监测单元。
5.如权利要求4所述的手性依赖透镜激发SPP光镊装置，其特征在于，所述扫描控制及监测单元包括：滤光片、图像传感器CCD和计算机；
所述滤光片，用于对所述耦合光进行滤光，将滤光后的耦合光传输到所述图像传感器CCD进行成像；
所述计算机，与所述图像传感器CCD和所述扫描平台相连接，用于实时显示所述图像传感器CCD的成像图像。
6.如权利要求1所述的手性依赖透镜激发SPP光镊装置，其特征在于，所述波片具体为四分之一波片，用于控制入射光的偏振度从而控制激发SPP的发散和聚焦各自所占比份。
7.如权利要求1所述的手性依赖透镜激发SPP光镊装置，其特征在于，所述液晶片还用于将入射光中的左旋和右旋圆偏振光表现出汇聚和发散射至所述第二透镜组。
8.如权利要求5所述的手性依赖透镜激发SPP光镊装置，其特征在于，所述计算机还用于控制所述扫描平台的移动。
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