CN110899144B - 一种手性粒子光学检测和分选的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于手性粒子光学检测和分选的装置及方法,装置由激光器、非偏振分光棱镜、反射镜、矢量光场生成系统、计算机和高数值孔径物镜组成；方法通过计算机控制矢量光场生成系统，将激光器发出的激光裁剪为具有特定空间分布的矢量光场，并利用高数值孔径物镜将其聚焦，在物镜焦场区域生成横向自旋横向光针焦场。当手性粒子与横向自旋横向光针焦场相互作用时，作用在粒子上的非手性梯度力被光针焦场抑制，且不同手性的粒子将在手性梯度力的作用下被捕获在光针焦场的不同位置，并以不同的频率在捕获位置发生自转。本发明不仅可以实现对分子手性的探测，而且能够无损伤地对手性粒子进行分选，在一系列涉及手性光学的领域都有着广阔的应用前景。

Description

一种手性粒子光学检测和分选的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种纳米光学技术领域，具体涉及一种手性纳米粒子的光学检测和分选的装置与技术。

背景技术

手性是指物质无法通过平移或旋转与其镜像重合的几何特性。手性广泛地存在于自然界中，生命体重要组成物质的核酸与蛋白质都是由手性糖与手性氨基酸组成，生物大分子如多糖、酶、核酸及受体等也大都具有手性。手性相反的两种物质称为对映体，并拥有相反的几何构型。尽管组成对映体的两种物质化学分子相同，但不同构型的物质往往拥有不同的化学特性，将会产生不同的化学效果。因此，手性的检测与表征在药物学、病理学和生物学等领域具有巨大的应用价值。

光场同样存在手性，当手性分子与光场相互作用时，分子的光学响应表现出明显的光场手性依赖性，是分子手性的检测与表征的重要手段。然而受限于较小的电磁交互作用体积，天然手性分子的光学手性响应通常较弱，现有的手性光谱学检测技术无法实现纳米尺度下对手性结构的高精度探测。相比于普通电磁材料，手性分子具有能够引起电磁场之间交叉极化的特性，在光力效应中也有所体现。当手性分子与手性光场相互作用时，手性力对于不同手性的物质具有相反的力学效果，从而实现手性分选的作用。然而随着粒子尺寸的减小，手性力将逐渐被非手性梯度力压制，因此纳米尺度粒子的手性检测依然存在挑战。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有技术的存在的不足，提出了一种手性粒子的光学检测和分选装置及方法，用于解决纳米尺度下手性粒子的检测与分选问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种手性粒子光学检测和分选的装置，在平台平面上设置包括激光器、非偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一矢量光场生成系统、第二矢量光场生成系统、第一高数值孔径物镜、第二高数值孔径物镜、计算机；

所述激光器发出的光束通过非偏振分光棱镜、第一矢量光场生成系统后，其出射光斑的中心与第一高数值孔径物镜入光孔径的中心对准；

所述激光器发出的光束经非偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二矢量光场生成系统后，其出射光斑的中心与第二高数值孔径物镜入光孔径的中心对准；

所述激光器发出的光束通过非偏振分光棱镜、第一矢量光场生成系统、第一高数值孔径物镜后与所述激光器发出的光束经非偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二矢量光场生成系统、第二高数值孔径物镜后的光束聚焦在同一位置；

激光器发出的激光光束经非偏振分光棱镜分束后，经过第一矢量光场生成系统后由第一高数值孔径物镜聚焦；依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜以及第二矢量光场生成系统后由第二高数值孔径物镜聚焦。

第一矢量光场生成系统与第二矢量光场生成系统由计算机分别控制。

本发明还公开了利用上述装置实现手性粒子的光学检测和分选的方法，包括以下步骤：

步骤1、根据电偶极子阵列的辐射场逆推理论，计算出构造横向自旋横向光针焦场所需入射光场在第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜入射光瞳面的振幅、偏振及相位的空间分布；

步骤2、根据步骤1所计算出的入射光场空间分布，确定计算机对第一矢量光场生成系统与第二矢量光场生成系统加载的调控信息；

步骤3、利用第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜分别对经第一矢量光场生成系统和第二矢量光场生成系统调制后的光场聚焦。

作为本发明的一种优选，步骤1中，通过电偶极子阵列的辐射场逆推理论，计算出构造横向自旋横向光针焦场所需入射光场的空间分布，包括如下步骤：

步骤1.1、将横向自旋横向光针焦场拆解成若干组偶极子对，且每组偶极子对包含两对关于y轴对称的正交偶极子对；

步骤1.2、将每组正交偶极子对拆解为沿x方向振动的第一偶极子和沿z方向振动的第二偶极子，且偶极子的振幅相同，相位差为π/2；

步骤1.3、利用电偶极子辐射场逆推方法通过若干组偶极子对计算出光场在入射光瞳面的振幅和偏振。第一高数值孔径物镜入射光瞳面的光场分布为：

其中，E_1i为第一高数值孔径物镜入射光电场，X_i和Y_i分别为电场在x、y方向上的分振幅，F_N为阵列系数，

是极坐标系中的方位角，e_x和e_y分别是沿入射场x和y方向的单位向量；θ为入射光在被物镜聚焦时的入射角，且θ由物镜的物理特性所决定；k为波矢，A_n为偶极子振幅，d_n为偶极子间距，β_n为偶极子相位差。

第二高数值孔径物镜入射光瞳面的光场分布为：

其中，E_2i为第二高数值孔径物镜入射光电场。

作为本发明的一种优选，所述的步骤3中利用第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜分别对经第一矢量光场生成系统和第二矢量光场生成系统调制后的光场聚焦的具体步骤为：

步骤3.1、选择焦距相同的第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜，且确保激光的光斑尺寸被放大至与高数值孔径物镜后端的入光孔径相同；

步骤3.2、调整第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜的位置，使得入射光场的中心与高数值孔径物镜的入光孔径中心重合，且通过第一高数值孔径物镜聚焦的焦斑与通过第二高数值孔径物镜聚焦的焦斑重合，实现对光场的高效聚焦。

有益效果：

本发明提出的手性粒子的光学检测与分选装置及方法在针尖增强拉曼光谱、粒子捕获和操控和手性表征方面有着重要的应用，具体来说：

本发明的功能性强，不仅可以实现纳米尺寸粒子的手性检测与手性粒子的分选，还能够对手性粒子的运动学行为进行精准操控。

本发明的扩展性强。在入射光场的设计中通过调节焦场偶极子对的数量，能够改变焦场的光针长度，从而实现对不同手性粒子之间分离距离的调节；在入射光场的设计中通过调节焦场偶极子对的相位差，能够改变光针焦场的手性，从而实现不同手性粒子捕获位置的调整。

本发明操作简便、灵活高效。利用一台电脑即可控制两个相互独立的矢量光场生成系统，通过切换高数值孔径物镜光瞳面入射光场的空间分布，可以实现对手性粒子分离方向和平衡位置的快速控制。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为第一矢量光场生成系统与第二矢量光场生成系统所生成的光场在第一高数值孔径物镜与第二高数值孔径物镜光瞳面的光场强度及偏振分布图；

图3(a)为图2所示光场经过数值孔径为0.99的物镜聚焦后在焦点附近的强度分布。(b)-(d)分别为示光场经过数值孔径为0.99的物镜聚焦后在y＝-0.8λ,y＝0,y＝0.8λ平面处的焦场强度及偏振分布图；

图4为不同手性的粒子所受的x-、z-、y-方向光力分布图；

图5为图3所示光场分别与不同手性粒子在y方向的光力分力分布。

图6为粒子在焦场光针左端、焦场光针中心、焦场光针右端的力矩分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种手性粒子光学检测和分选的装置，包括激光器1、非偏振分光棱镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第一矢量光场生成系统6、第二矢量光场生成系统7、第一高数值孔径物镜8、第二高数值孔径物镜9、计算机10。

从激光器1发出的激光经由非偏振分光棱镜2后被传递至由计算机10控制的第一矢量光场生成系统6，或依次经过第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5后被传递至计算机10控制的第二矢量光场生成系统7，分别由第一高数值孔径物镜8和第二高数值孔径物镜9聚焦在物镜焦点区域。

图2分别显示了经第一矢量光场生成系统和第二矢量光场生成系统产生的入射光场在第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜光瞳面的光场强度分布。光场的偏振态分布由偏振椭圆标出。

图3(a)为图2所示光场经由数值孔径为0.99的物镜聚焦后在焦点附近的强度分布,其中偶极子对的数量为两组，偶极子辐射振幅A_n为1和0.658，偶极子间距d_n为0.6524λ和1.5038λ，偶极子相位差β_n为0.1273π和π。(b)-(d)分别为y＝-0.8λ,y＝0,y＝0.8λ平面的焦场强度分布。光场的偏振态分布由偏振椭圆标出。光场在x-和z-方向上为高斯分布，并且在y-方向上强度均匀分布，呈现出光针的形貌。此外，在不同的xz平面上光场均为光子自旋沿y方向的圆偏振，证实焦场为横向自旋的横向光针场。

图4为图3所示光场分别与不同手性粒子相互作用时粒子所受x-,z-,y-方向光力分布。第一行所对应的粒子介电常数ε和手性参数κ分别为(ε＝1.6²+0.04i,κ＝-0.5+0.02i)，第二行所对应的粒子介电常数ε和手性参数κ分别为(ε＝1.6²+0.04i,κ＝0.5+0.02i)。此图中，不同手性的粒子在x-和z-方向在都被捕获在中心处，而y-方向上手性为负(κ＝-0.5+0.02i)的粒子被捕获在光针中心，而手性为正(κ＝0.5+0.02i)的粒子被捕获在光针的两端。

图5为图3所示光场分别与不同手性粒子相互作用时粒子所受y方向光力分力分布。左图对应的粒子介电常数ε和手性参数κ分别为(ε＝1.6²+0.04i,κ＝0.5+0.02i)，右图所对应的粒子介电常数ε和手性参数κ分别为(ε＝1.6²+0.04i,κ＝-0.5+0.02i)。实线为非手性梯度力，点线为手性梯度力，虚线为其他光力分力。在此图中，粒子所受非手性梯度力被光针焦场抑制，而不同手性的粒子将在手性梯度力的作用下被捕获在光针焦场的不同位置。

图6为图3所示光场分别与不同手性粒子在其捕获位置的力矩分布。(a)、(c)分别对应的粒子介电常数ε和手性参数κ为(ε＝1.6²+0.04i,κ＝0.5+0.02i)在光针两端所受力矩分布。(b)对应的粒子介电常数ε和手性参数κ为(ε＝1.6²+0.04i,κ＝-0.5+0.02i)在光针中心所受力矩分布。粒子将在力矩作用下沿y-轴发生自转，但由于不同手性粒子所受力矩大小的不同，粒子将以不同的速率发生自转。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种手性粒子光学检测和分选的装置，其特征在于：包括激光器（1）、非偏振分光棱镜（2）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、第三反射镜（5）、第一矢量光场生成系统（6）、第二矢量光场生成系统（7）、第一高数值孔径物镜（8）、第二高数值孔径物镜（9）、计算机（10）；所述第一矢量光场生成系统（6）、第二矢量光场生成系统（7）相互独立，且都由计算机（10）控制；所述激光器（1）发出的光束通过非偏振分光棱镜（2）、第一矢量光场生成系统（6）后，其出射光斑的中心与第一高数值孔径物镜（8）入光孔径的中心对准；所述激光器（1）发出的光束通过非偏振分光棱镜（2）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、第三反射镜（5）、第二矢量光场生成系统（7）后，其出射光斑的中心与第二高数值孔径物镜（9）入光孔径的中心对准；所述激光器（1）发出的光束通过非偏振分光棱镜（2）、第一矢量光场生成系统（6）、第一高数值孔径物镜（8）后与所述激光器（1）发出的光束经第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、第三反射镜（5）、第二矢量光场生成系统（7）、第二高数值孔径物镜（9）后的光束聚焦在同一位置。

2.一种手性粒子光学检测和分选方法，其特征在于：使用权利要求1所述的一种手性粒子光学检测和分选的装置，包括以下步骤：

步骤1、根据电偶极子阵列的辐射场逆推理论，计算出构造横向自旋横向光针焦场所需入射光场在第一高数值孔径物镜（8）和第二高数值孔径物镜（9）入射光瞳面的振幅、偏振及相位的空间分布；

步骤2、根据步骤1所计算出的入射光场空间分布，确定计算机（10）对第一矢量光场生成系统（6）与第二矢量光场生成系统（7）加载的调控信息；

步骤3、利用第一高数值孔径物镜（8）和第二高数值孔径物镜（9）分别对经第一矢量光场生成系统（6）和第二矢量光场生成系统（7）调制后的光场聚焦。

3.根据权利要求2所述的手性粒子光学检测与分选方法，其特征在于，步骤1中，通过电偶极子阵列的辐射场逆推理论，计算出构造横向自旋横向光针焦场所需入射光场的空间分布，包括如下步骤：

步骤1.1、将所述横向自旋横向光针焦场拆解成若干组偶极子对，且每组偶极子对包含两对关于y-轴对称的正交偶极子对；

步骤1.2、将每组正交偶极子对拆解为沿x-方向振动的第一偶极子和沿z-方向振动的第二偶极子，且偶极子的振幅相同，相位差为π/2；

步骤1.3、利用电偶极子辐射场逆推方法通过若干组偶极子对计算出光场在入射光瞳面的振幅、偏振和相位分布。

4.根据权利要求2所述的手性粒子光学检测与分选方法，其特征在于，所述的步骤3中利用第一高数值孔径物镜（8）和第二高数值孔径物镜（9）分别对经第一矢量光场生成系统（6）和第二矢量光场生成系统（7）调制后的光场聚焦的具体步骤为：

步骤3.1、选择焦距相同的第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜，且确保激光的光斑尺寸被放大至与高数值孔径物镜后端的入光孔径相同；

步骤3.2、调整第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜的位置，使得入射光场的中心与高数值孔径物镜的入光孔径中心重合，且通过第一高数值孔径物镜聚焦的焦斑与通过第二高数值孔径物镜聚焦的焦斑重合，实现对光场的高效聚焦。

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