CN111533083B - 一种基于石墨烯的微型分子光镊 - Google Patents

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Abstract

一种基于石墨烯的微型分子光镊，包括：光源会聚单元和分子诱捕单元，光源会聚单元设置在分子诱捕单元上方并将外部入射的光会聚到下方的分子诱捕单元的溶液池处，分子诱捕单元的溶液池内呈放待测的分子溶液，诱捕单元与微流控集成，样品使用方便。本发明的有益效果在于，利用石墨烯优异的光电特性，实现光源的高度聚焦，利用石墨烯纳米结构的局部表面等离子体光学效应，实现光能的纳米尺度限制，同时实现分子诱捕和本征共振激发，此外可感应分子的GHz本征振动，利用射频探针测量；通过石墨烯纳米电极，外加高频电磁波，将电磁波引导到分子诱捕点，实现外加高频电磁波与分子的互相作用，利用电磁波改变分子的振动特性，改变分子的生物特性。

Description

一种基于石墨烯的微型分子光镊
技术领域
本发明涉及分析测试仪器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的微型分子光镊。
背景技术
近年来，随着互联网和网络数据传输业务的飞速发展，生产生活中的数据量呈指数增长，电路的微型化和高度集成化逐渐成为工程师的努力方向。然而，随着器件越做越小，传统的电学器件串扰大、损耗高以及散热严重等问题逐渐凸显出来。相对于电子器件，光子器件具有功耗低、速度快、并行能力强、抗干扰能力强等多方面的优势。然而，由于衍射极限的限制，传统光子器件的几何尺寸无法小于波长，这一点给光子器件的大规模集成带来了困难。等离子体光学材料能够将光限制在亚波长范围内，解决了这一困难。
石墨烯作为一种零带隙的半导体材料，具有独特的锥形能带结构与线性色散关系。石墨烯具有独特的热学、光学、电学性能，尤其是石墨烯电子具有很高的载流子迁移率，电子在能带间和带内的特殊输运特性，使得石墨烯被广泛应用在纳米复合材料、光电探测器、光伏电池、传感及储能材料等方面。石墨烯的电子在能带内和能带间的迁移受外界电场和磁场的影响，通过外加电场或磁场的方式，可以方便的对石墨烯的电磁学性质调谐，其次还可以通过化学掺杂的方式调谐其电磁学性质，这种可调谐性质使得石墨烯优异于金属。石墨烯是表面等离激元在远红外和太赫兹波段应用的新的平台，利用石墨烯的表面等离激元特性，可以有效操控光的传输和吸收，因此石墨烯成为近年来研究人员研究的热点。
利用石墨烯制备纳米结构进行分子检测也越来越受到大家的青睐。石墨烯的表面等离子体效应能将光限制在几十纳米，优于传统贵金属等材料的亚波长(一般几百纳米)范围，因此，利用石墨烯局部等离子体共振效应来诱捕生物分子能够更有利于光与分子间的相互作用。但由于受传统透镜尺寸限制，目前还没有微型光镊出现；单分子GHz振动探测也没有有效手段。
发明内容
本发明提供一种石墨烯微型分子光镊，具体技术方案如下：
一种基于石墨烯的微型分子光镊，包括：光源会聚单元和分子诱捕单元，所述分子诱捕单元上设置有溶液池，所述光源会聚单元设置在所述分子诱捕单元上方并将外部入射的光会聚到下方的分子诱捕单元的溶液池处，所述分子诱捕单元的溶液池内呈放待测的分子溶液，所述分子诱捕单元上开设有样品处理微流控结构。
可选地，所述光源会聚单元包括：石墨烯超透镜，所述石墨烯超透镜为多层结构，从下至上依次为：聚酰亚胺层、金属亚表面层、石墨烯层、电极层和离子凝胶层。
可选地，所述石墨烯超透镜厚度小于50um。
可选地，所述石墨烯层和所述电极层通过可控偏置电压源连接。
可选地，所述石墨烯超透镜的石墨烯层上设置有交叉领结型微纳阵列结构。
可选地，所述分子诱捕单元包括：基底、石墨烯捕捉层、纳米电极和射频引线，所述石墨烯捕捉层设置在所述基底上，所述石墨烯捕捉层中心设置有石墨烯等离激元结构，所述纳米电极设置在所述石墨烯捕捉层上，所述射频引线与所述纳米电极连接。
可选地，所述石墨烯等离激元结构由对称设置的两个尖端组成，两个所述尖端相对设置，近似形成同心圆蝴蝶结结构。
可选地，所述分子诱捕单元上设有样品处理微流控结构，所述微流控结构包括溶液流入流道和溶液流出通道。
可选地，所述溶液池由两端的支撑部与底部的分子诱捕单元共同界定而成，所述支撑部采用聚二甲基硅烷。
本发明的有益效果在于，利用石墨烯优异的光电特性，可实现光源的高度聚焦，并利用石墨烯纳米结构的局部等离子体光学效应，实现光能的纳米尺度限制，同时实现分子诱捕和本征共振激发，此外可感应分子的GHz高频振动，并利用射频探针测量；通过石墨烯电极，外加高频电磁波，将电磁波引导到分子诱捕点，实现外加高频电磁波与分子的互相作用，利用电磁波改变分子的振动特性，从而改变分子的生物特性。采用石墨烯微纳超透镜与石墨烯等离激元光镊相集成，形成微型单分子光镊器件，整个器件体积约小于20mm*20mm*30mm，属于微系统结构，操作方便。带有纳米孔的石墨烯表现出优异的溶液离子和气体分子选择性，且石墨烯厚度极薄，有着高机械强度和高化学稳定性，因此更适合对生物单分子的操控。利用石墨烯优异的光电及光声特性，构建石墨烯微型分子光镊，可更好的实现电磁耦合及分子高频振动的直接探测。此外，利用石墨烯制作的微透镜厚度小于50um，比传统透镜体积小很多；石墨烯的光学特性能将光限制在分子尺寸大小，更有利于光与分子相互作用，可以更好的实现生物单分子的可控诱捕。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明石墨烯超透镜截面图；
图3为本发明石墨烯等离激元结构结构示意图；
图4为本发明石墨烯超透镜石墨烯层交叉领结型的微纳阵列结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种基于石墨烯的微型分子光镊，包括：光源会聚单元1和分子诱捕单元2，所述分子诱捕单元2上设置有溶液池10，所述溶液池10由两端的支撑部10a与底部的分子诱捕单元2共同界定而成，所述支撑部10a可采用聚二甲基硅烷(PDMS)，所述光源会聚单元1设置在所述分子诱捕单元2上方并将外部入射的光会聚到下方的分子诱捕单元2的溶液池10处，所述分子诱捕单元2的溶液池10内呈放待测的分子溶液，所述分子诱捕单元2上开设有样品处理微流控结构，所述微流控结构包括溶液流入流道和溶液流出通道，方便分子溶液流量、流速控制和清洗，有利于分子光镊重复使用。
如图1、2、4所示，所述光源会聚单元1包括：石墨烯超透镜，所述石墨烯超透镜厚度小于50um，所述石墨烯超透镜为多层结构，从下至上依次为：聚酰亚胺层11、金属亚表面层12、石墨烯层13、电极层14和离子凝胶层15，所述聚酰亚胺层11做为衬底，所述电极层14表面设置有多个均与布置的微孔形成孔阵列结构，所述离子凝胶层15做为顶部栅介质材料。所述石墨烯层13和电极层14通过可控偏置电压源连接，以调节所述石墨烯层13表面层的费米能，从而改变石墨烯层13的电导率。所述石墨烯超透镜等离结构能够将光限制在分子尺寸大小，优于传统显微物镜的亚波长(一般几百纳米)的范围。此外石墨烯超透镜还可以利用石墨烯独特的电子特性调整输出光束的强度或振幅，可以将太赫兹左旋圆偏振光转换成右旋偏振光，或者通过旋转交叉领结型的微纳阵列结构的图案，将光束(或光波)偏折到所需的角度。其中单领结形由两个相同的等腰梯形和宽度与梯形上底相等的矩形相连而成。常规的光学透镜具有几厘米至几毫米的厚度，石墨烯超透镜仅有几十微米厚，聚焦光的强度可以得到有效控制，比普通透镜的分辨率提高很多。
石墨烯是一种半金属材料,其导带和价带交于一点(狄拉克点)。在狄拉克点附近,电子的运动可以用相对论性的狄拉克方程描述:其中v0是电子的速度，为光速的1/300；k是电子的波矢；/>是约化普朗克常数。基于其线性的色散关系，在本征石墨烯中不同频率的入射光激发带间跃迁产生光生载流子的概率相同,因而具有固定的光电导率/>和吸光率～2.3％。
石墨烯中费米能级(EF)可以通过电学或者化学掺杂的方式进行动态调节，从而调节其光学性质。当入射光子能量小于2EF时(一般对应太赫兹及中红外区间)，由于泡利不相容原理，带间跃迁被禁止，石墨烯对光子的吸收主要来源于自由载流子发生的带内跃迁。由自由载流子集体振荡而产生的石墨烯等离激元即发生在此频率范围。当入射光子能量高于2EF时(一般对应近红外区间)，电子吸收光子后将发生带间跃迁,具有和本征石墨烯相同的吸光度。因此,可以通过调节费米面来调节石墨烯的光学性质,从而调节石墨烯等离激元，使其吸收更多能量的光，将光束会聚在分子尺寸量级，代替传统高数值孔径显微物镜。
传统透射电子显微镜可以实现纳米尺度下很多材料的观察。然而,液体样品与透射电镜中的真空环境不相容,而电子束的辐照损伤对很多固体样品也是不利的。石墨烯只有一个原子层厚,同时具有极高的机械强度、导电性和对小分子的不渗透性,因此可以直接以石墨烯为基底，研发高分辨率的石墨烯超透镜，克服传统透镜带来的不便。
如图1、3所示，所述分子诱捕单元2用于产生等离子体效应诱捕生物单分子，能适合尺寸小于50nm的生物单分子操控，所述分子诱捕单元2包括：基底21、石墨烯捕捉层22、纳米电极23和射频引线24，所述石墨烯捕捉层22设置在所述基底21上，所述石墨烯捕捉层22中心设置有石墨烯等离激元结构221，所述纳米电极23设置在所述石墨烯捕捉层22上，所述射频引线24与所述纳米电极23连接。
所述石墨烯等离激元结构221由对称设置的两个尖端221a组成，两个所述尖端221a相对设置，近似形成同心圆蝴蝶结结构，用于产生局部表面等离子体效应，实现生物单分子的可控诱捕。所述纳米电极23分别设置在所述石墨烯捕捉层22上靠近尖端221a的位置。
所述纳米电极23可采用100nm厚金膜的共面波导结构，纳米电极23一端接地，所述共面波导结构包括介质基板、信号电极和地电极，所述介质基板为100nm厚的金膜，所述信号电极在金膜上表面正中央，所述地电极在金膜上表面的边缘、两个侧面和下表面，并连为一体。
所述溶液池10与微流控结构集成，实现样品自动处理。
工作时，通过微流控通道将待测分子溶液引入溶液池10，从外部输入驱动电压将待测分子溶液电解，光源从上方入射，待测分子溶液中的分子被下方石墨烯捕捉层22上的石墨烯等离激元结构221捕捉。待检测完成后，还可通过微流控通道对检测样品进行清洗，可重复使用。
所述纳米电极23与射频引线24共同组成射频探针，利用石墨烯的声学特性，能够感应分子的GHz高频振动，并利用射频探针测量，并且通过外加高频电磁波，将电磁波引导到分子诱捕点，实现外加高频电磁波与分子的互相作用，利用电磁波改变分子的振动特性，从而改变分子的生物特性。所述基底21可采用SiO2基底。
石墨烯等离激元结构221会产生局部等离子体光学效应，将光能会聚在15nm内，从而实现生物单分子的可控诱捕，并通过窄带双激光拍频激发分子本征共振。
除此之外，石墨烯等离激元结构221表现出优异的分子选择性，通过制备石墨烯等离激元结构221，可以实现生物单分子的可控诱捕并精确研究生物单分子在石墨烯等离激元结构221的运输特性，石墨烯等离激元结构221不仅具有良好的分子选择性，而且表现出巨大的离子整流效应，克服了传统固态纳米孔带来的很多不便。
与金属微结构中的局部等离子体共振相似，石墨烯微纳结构也可以激发局部等离子体共振。当石墨烯微结构尺寸远小于入射光波长时,可以在静电模型下求解麦克斯韦方程得到其等离激元性质。实验上一般通过石墨烯微纳结构阵列的吸收光谱来研究其局域等离子体共振的性质。
由于石墨烯中有限的电子浓度，其等离激元的共振频率极低，发生在太赫兹到中红外频段，而传统金属等离激元主要发生在可见光频段。石墨烯一个非常重要的特性就是光学电导率能够被外部的电场或磁场所调节，通过化学掺杂等方式可以改变载流子浓度，也可以改变石墨烯的光学电导率。在红外光照射石墨烯时，在不同的电压下，石墨烯的电导率会随着入射光的频率改变而改变，如果光频率增大到一定程度还出现吸收饱和的现象。
因此，可以利用石墨烯优良的光声特性，对一些太赫兹范围内的敏感分子进行测量并对其进行分析。
利用石墨烯优良电学特性，施加外加高频电磁，主动干预分子振动；实现生物分子与电磁的耦合和互作，为疾病靶向治疗提供全新方向。
石墨烯具有良好的电学可调特性，石墨烯的费米能级能够通过栅压进行调节，而在传统的金属等离激元中，由于金属中的高电子密度而无法实现调制。且石墨烯外部电磁场可实现高度局域化，石墨烯等离激元的能量与费米能级在同一个量级,而其波长却比自由空间中的光子小两个数量级，这意味着106倍的体积压缩比。石墨烯的导电性可以通过化学改性方法进行控制，并可同时获得各种基于石墨烯的衍生物。石墨烯是一种低噪声的电学材料，不仅可以用于化学传感，也可以用于在外电场、磁场或应力状态下的局部探测器。
石墨烯的电子在能带内和能带间的迁移受外界电场和磁场的影响，通过外加电场或磁场的方式，可以方便的对石墨烯的电磁学性质调谐，其次还可以通过化学掺杂的方式调谐其电磁学性质，这种可调谐性质使得石墨烯优异于金属，而石墨烯这一优良性质得益于石墨烯电子的能带结构。
利用石墨烯优良的电学特性，通过外加高频电磁，引起分子振动，实现生物分子与电磁的耦合，从而去分析生物分子的特性。
针对这种感测器的潜在应用范围从侦测气体外泄、检测有毒与易爆气体、测量并检测DNA与蛋白质以及水中污染物。
透过施加各种电压大小，可将石墨烯调谐成不同的频率——这是采用现有感测器不可能实现的任务。此外，透过评估不同振动之间的细微差别过程，还可展现以分子方式连接原子的键合特性。
当石墨烯的电子以不同方式振荡时，它能够引起周围微流环境的所有分子振动。
本发明采用石墨烯超透镜与石墨烯等离激元光镊相集成，形成微型单分子光镊器件，整个器件体积约小于20mm*20mm*30mm。
本发明同时具有单分子操控和单分子振动探测的功能。本发明的光源会聚单元和分子诱捕单元结构尺寸在微纳尺度，可实现分子光镊微系统集成；石墨烯的优良光学特性能将光限制在分子尺寸大小，优于传统贵金属等材料的亚波长(一般几百纳米)范围。本发明实现生物单分子(小于50nm)的操控；利用石墨烯的优良光声特性，设计纳米电极，实现电磁场与单分子耦合及单分子振动探测。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的微型分子光镊，其特征在于，包括：光源会聚单元(1)和分子诱捕单元(2)，所述分子诱捕单元(2)上设置有溶液池(10)，所述光源会聚单元(1)设置在所述分子诱捕单元(2)上方并将外部入射的光会聚到下方的分子诱捕单元(2)的溶液池(10)处，所述分子诱捕单元(2)的溶液池(10)内呈放待测的分子溶液，所述分子诱捕单元(2)上开设有样品处理微流控结构；
所述光源会聚单元(1)包括：石墨烯超透镜，所述石墨烯超透镜为多层结构，从下至上依次为：聚酰亚胺层(11)、金属亚表面层(12)、石墨烯层(13)、电极层(14)和离子凝胶层(15)；
所述分子诱捕单元(2)包括：基底(21)、石墨烯捕捉层(22)、纳米电极(23)和射频引线(24)，所述石墨烯捕捉层(22)设置在所述基底(21)上，所述石墨烯捕捉层(22)中心设置有石墨烯等离激元结构(221)，所述纳米电极(23)设置在所述石墨烯捕捉层(22)上，所述射频引线(24)与所述纳米电极(23)连接；
所述石墨烯超透镜的石墨烯层(13)上设置有交叉领结型微纳阵列结构。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光镊，其特征在于，所述石墨烯超透镜厚度小于50um。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光镊，其特征在于，所述石墨烯层(13)和所述电极层(14)通过可控偏置电压源连接。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光镊，其特征在于，所述石墨烯等离激元结构(221)由对称设置的两个尖端(221a)组成，两个所述尖端(221a)相对设置，形成同心圆蝴蝶结结构。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光镊，其特征在于，所述分子诱捕单元(2)上设有样品处理微流控结构，所述微流控结构包括溶液流入流道和溶液流出通道。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光镊，其特征在于，所述溶液池(10)由两端的支撑部(10a)与底部的分子诱捕单元(2)共同界定而成，所述支撑部(10a)采用聚二甲基硅烷。
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