CN114166701B - 一种手性参数完备检测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手性参数完备检测的装置和方法。该装置由激光器、非偏振分光棱镜、反射镜、矢量光场生成系统、光诱导力显微镜、计算机组成。该方法在理论上将光学焦场拆解为两个沿着特定方向振动的电偶极子和磁偶极子，利用电/磁偶极子辐射场逆推方法计算出光场在入射光瞳面的分布。实验上利用矢量光场生成系统产生所需的入射光场，在物镜的焦点附近区域生成取向可控且尺寸在衍射极限的光学手性偶极矩焦场。当纳米手性颗粒置于光学焦场中时，通过改变焦场的手性取向并随之对颗粒在手性偶极矩取向方向的光力响应进行探测，即可实现各向异性材料手性参数的完备检测。本发明在手性检测及传感的技术领域有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种手性参数完备检测的装置和方法，属于纳米光学技术领域。
背景技术
手性是自然界中广泛存在的基本属性。如果某种物质无法通过旋转或平移与其镜像相互重叠，则称该物质具有手性。手性物质及其镜像称为一组对映体，它们的标量物理性质完全相同。
不同手性的对映体虽然化学结构相同，但往往表现出不同的化学特性。若生物分子的手性发生变化，它可能会转变为非活性物质或产生细胞毒性，从而导致许多疾病的产生。因此，区分不同手性的对映体对于生命科学而言至关重要。为了表征物质手性的程度，人们定义了手性参数这一物理量。当手性物质与光场发生相互作用时，由于电磁交叉极化现象的出现，物质的光学活性现象可用电磁极化率进行描述。
在笛卡尔坐标系中，颗粒的电磁极化率张量可以表示为一个3×3的矩阵:
对于互易的手性颗粒而言，电磁极化率中只有对角元素是非零分量。各向异性手性材料的本构关系可以表示为：
其中各向异性手性材料的手性参数张量可以表示为一个3×3的矩阵上标T表示矩阵的转置，ε和μ是纳米手性颗粒的相对介电常数和磁导率，c表示真空中光速，D是电位移矢量，B是磁感应强度。
手性颗粒的电磁极化率可以表示为：
公式中的α、β、Δh展开表示为：
其中I表示3×3的单位矩阵。从公式分析的角度可以得到各向异性手性颗粒的电磁极化率和手性参数存在高度的相关性。
传统的检测方法已经提出了基于光旋转、圆二色性(CD)和拉曼光活性的光谱技术等方法来确定手性样品的结构，并对其进行了广泛的研究。光旋转是偏振光穿过一层液体时偏振面旋转的角度，这是由物质中手性分子的浓度及其分子结构所决定的。拉曼光学活性是指在不同旋度的圆偏振光入射时，手性分子的拉曼散射强度不同。在这些方法中，由于手性物质与光的相互作用，手性分子在不同旋度的圆偏振光入射时会有吸收差异，科学家们通过测量吸收谱不仅获得了手性，而且还获得了关于手性样品结构的一些重要信息。但是，该方法的主要局限性如下：(1)它不能提供较高分辨率的结构细节(2)它需要大量的材料来进行检测。这些限制主要源于CD测量只能对远场辐射进行平均测量，不能得到近场携带的高频信息；因此，这些限制的突破需要有效的近场测量技术对手性物质的结构信息进行更完备的检测。
由于分子的手性响应本质上较弱，CD检测通常需要较多的样品或较长的光路才能使信号积累到可检测的水平，这极大地限制了检测的灵敏度和设备的小型化。研究者们提出了许多增强CD信号的方法，例如利用驻波、表面等离子体共振、磁共振和共振纳米腔等。尽管手性分子的吸收差异有所改善，但这些方法要么受到纳米结构的强背景吸收，要么受到阻碍整体CD增强的不均匀手征场的困扰。
近年来，人们通过手性材料在光场中的力学效应来测量样品的手性参数。从公式(3)可知，各向异性手性颗粒的电磁极化率和手性参数存在高度的相关性。由于手性材料存在光学活性现象，因此当颗粒与不同手性的激发光场作用时会发生电磁交叉极化，从而产生皮牛量级的不同力学效应。因此，通过光诱导力显微镜中对光力进行探测，即可推断出不同的电磁极化率，并根据电磁极化率和手性参数的相关性可以实现对手性参数的检测。与传统的光谱学技术不同，光诱导力显微镜探测利用了尖端-样品交互系统与光相互作用的近场数据，因此不受衍射的限制，具有高信噪比的优势。
举例来说，若采用不同旋度的圆偏振平面波照射(沿着z方向传播)，施加在颗粒上的沿z方向的力会存在差异:
因此，对于各向同性的手性颗粒来说，通过测量ΔFz就可以反推出颗粒的电磁极化率αem及手性参数κ。
若手性颗粒为各向异性，使用圆偏振激发光场依然能够检测出横向极化率但却无法检测出只存在纵向极化率/>的材料(此时ΔFz＝0)。想要实现对纵向电磁极化率的测量，一种可能的方法是采用只具有纵向电场或磁场分量的激发光场。
纵观原有的手性参数分量检测技术，首先，必须使用两种不同的入射光才能对横向和纵向的手性参数分量进行检测，其次，对于横向手性分量的检测中并不能区分x和y两个方向的手性参数分量。因此，实现对纳米手性颗粒手性参数的完备检测，依然具有挑战性。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了克服现有技术的存在的不足，提出了一种手性参数完备检测装置与技术，用于解决纳米尺度各向异性材料的手性参数检测问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明的一种手性参数完备检测的装置，包括激光器、非偏振分光棱镜、第一矢量光场生成系统、第二矢量光场生成系统、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一高数值孔径物镜、第二高数值孔径物镜和光诱导力显微镜；从激光器发出的激光经由非偏振分光棱镜分束为相互垂直的两束光，分别为第一光束和第二光束，第一光束经过由第一矢量光场生成系统、第一反射镜、第一高数值孔径物镜后聚焦在第一高数值孔径物镜焦点区域；所述第一反射镜与第一矢量光场生成系统的出射光成45度角；第一反射镜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；第二光束依次经过第二反射镜、第三反射镜后传递至第二矢量光场生成系统，再经第二高数值孔径物镜聚焦在第二高数值孔径物镜焦点区域；第二反射镜与第二光束成45度角，第三反射镜与第二反射镜的出射光成45度角；第二矢量光场生成系统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；聚焦的第一高数值孔径物镜焦点区域与第二高数值孔径物镜焦点区域重合，该区域为焦斑重合区域；第一矢量光场生成系统和第二矢量光场生成系统均由计算机控制；光诱导力显微镜用于对焦斑重合区域进行光力探测。
本发明的一种手性参数完备检测的方法，所述方法基于本发明的手性参数完备检测的装置，所述方法具体包括如下步骤：
步骤1、根据需要测定的各向异性手性参数分量，选定特定取向的手性偶极矩焦场，继而根据电偶极子和磁偶极子辐射场的时间反演理论，计算出获得该光学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在第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜的焦斑重合区域；
步骤4、将纳米手性颗粒置于手性偶极矩焦场中心，利用光诱导力显微镜对纳米手性颗粒进行光力探测，从而实现手性参数的完备检测。
进一步的，步骤1中选定特定取向的手性偶极矩焦场，继而根据电偶极子和磁偶极子辐射场的时间反演理论，计算出获得该光学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；具体包括如下步骤：
步骤1.1、将所述特定取向的手性偶极矩焦场等效为电偶极子和磁偶极子的组合，且电偶极子和磁偶极子的振动方向与所需手性偶极矩焦场的取向保持一致，电偶极子与磁偶极子的振幅相等，相位差为π/2；
步骤1.2、根据电偶极子和磁偶极子辐射场的时间反演理论，计算出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、偏振和相位分布。
进一步的，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在第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜的焦斑重合区域；具体包括如下步骤：
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、通过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。
有益效果：本发明提出的各向异性手性材料的手性参数完备检测装置与技术在各向异性材料手性参数分量检测完备性方面有着重要的应用，具体来说：
本发明的功能性强，可以实现纳米尺寸粒子手性参数分量的完备检测。
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振动方向，能够实现取向可调的手性偶极矩，从而实现对各向异性材料手性参数分量的检测。
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，可以实现对各向异性手性材料的手性参数完备检测。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2是在第一高数值孔径物镜和第二高数值孔径物镜光瞳面的电偶极子和磁偶极子光场强度分布和偏振态分布图；
图3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沿着光轴z方向的手性偶极矩对应方向电场强度、磁场强度以及两者相位差分布图；
图4是改变焦场的手性取向并随之对颗粒在手性偶极矩取向方向的光力响应进行探测后得到的与手性参数分量之间的关系图。
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，一种手性参数完备检测的装置，包括激光器1、非偏振分光棱镜2、第一矢量光场生成系统3、第二矢量光场生成系统4、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第一高数值孔径物镜8、第二高数值孔径物镜9和光诱导力显微镜10。
从激光器1发出的激光经由非偏振分光棱镜2分束为相互垂直的两束光，分别为第一光束和第二光束，第一光束经过由第一矢量光场生成系统3、第一反射镜、第一高数值孔径物镜8后聚焦在第一高数值孔径物镜8焦点区域；所述第一反射镜5与第一矢量光场生成系统3的出射光成45度角；第一反射镜5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。
第二光束依次经过第二反射镜6、第三反射镜7后传递至第二矢量光场生成系统4，再经第二高数值孔径物镜9聚焦在第二高数值孔径物镜9焦点区域；第二反射镜6与第二光束成45度角，第三反射镜7与第二反射镜6的出射光成45度角，第二矢量光场生成系统4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。
聚焦的第一高数值孔径物镜8焦点区域与第二高数值孔径物镜9焦点区域重合，该区域为焦斑重合区域。
第一矢量光场生成系统3和第二矢量光场生成系统4均由计算机控制；光诱导力显微镜10用于对焦点区域进行光力探测。
当纳米手性颗粒置于手性偶极矩焦场中心时，纳米手性颗粒会对光学焦场有光力的响应，通过改变焦场的手性取向并随之对颗粒在手性偶极矩取向方向的光力响应进行探测，即可实现各向异性材料手性参数的完备检测。
本发明的一种手性粒子光学检测和分选的方法，包括以下步骤：
步骤1、根据需要测定的各向异性手性参数分量，选定特定取向的手性偶极矩焦场，根据电偶极子和磁偶极子辐射场的时间反演理论，计算出获得该光学焦场所需入射光场在第一高数值孔径物镜8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1.1、将选定的特定取向的手性偶极矩焦场等效为电偶极子和磁偶极子的组合，且电偶极子和磁偶极子的振动方向与所需手性偶极矩焦场的取向保持一致，电偶极子与磁偶极子的振幅相等，相位差为π/2；
步骤1.2、根据电偶极子和磁偶极子辐射场的时间反演理论，计算出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、偏振和相位空间分布。
以在x-z平面振动的取向可调的电偶极子和磁偶极子为例，第一高数值孔径物镜8入射光瞳面的电偶极子和磁偶极子入射场分布分别为：
电偶极子电场在x、y和z方向上的分振幅分别表示为：
磁偶极子电场在x、y和z方向上的分振幅分别表示为：
其中，Ee1为第一高数值孔径物镜电偶极子入射光电场，Em1为第一高数值孔径物镜磁偶极子入射光电场，是极坐标系中的方位角，ex、ey和ez分别是沿入射场x、y和z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；A为偶极子振幅，θ1为电偶极子和磁偶极子在x-z平面振动时振动方向和z-轴之间的夹角。
第二高数值孔径物镜9入射光瞳面的电偶极子和磁偶极子入射场分布分别为：
电偶极子电场在x、y和z方向上的分振幅分别表示为：
磁偶极子电场在x、y和z方向上的分振幅分别表示为：
其中，Ee2为第二高数值孔径物镜电偶极子入射光电场，Em2为第二高数值孔径物镜磁偶极子入射光电场。
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11对第一矢量光场生成系统3与第二矢量光场生成系统4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3和第二矢量光场生成系统4调制后的光场聚焦在焦斑重合区域。
步骤3.1、选择焦距相同的第一高数值孔径物镜8和第二高数值孔径物镜9，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、通过调整第一高数值孔径物镜8和第二高数值孔径物镜9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8聚焦的焦斑与通过第二高数值孔径物镜9聚焦的焦斑重合。从而在物镜的焦点附近区域生成取向可控且尺寸在衍射极限的光学手性偶极矩焦场。引入了4Pi共聚焦系统，从而在物镜的焦点附近区域生成取向可控且尺寸在衍射极限的光学手性偶极矩焦场。
步骤4、将纳米手性颗粒置于手性偶极矩焦场中心，纳米手性颗粒会对光学焦场有光力的响应，通过对电偶极子磁偶极子之间相位差从0-2π的改变，得到对应方向的最大光力和最小光力之间的光力差；因为各向异性的手性参数分量只对特定方向的光力差响应，也就是对特定方向的手性偶极矩响应，从而可以通过特定方向的手性偶极矩检测各向异性的手性参数分量。因此光诱导力显微镜10通过探测光力即可实现各向异性材料手性参数的完备检测。
图2以沿着光轴z方向的手性偶极矩为例，分别显示了经第一矢量光场生成系统3和第二矢量光场生成系统4产生的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光瞳面的电偶极子和磁偶极子光场强度分布。光场的偏振态分布由偏振椭圆标出。
图3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手性偶极矩对应方向电场强度、磁场强度以及两者相位差分布，证实焦场为具有π/2相位差的电偶极子和磁偶极子叠加后的手性偶极矩。
图4为通过对电偶极子磁偶极子之间相位差从0-2π的改变，得到对应方向的最大光力、最小光力之间的光力差和手性参数分量之间的关系，证实特定方向的手性偶极矩可以实现对各向异性手性材料手性参数的完备检测。
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 (3)
1.一种手性参数完备检测的方法，其特征在于，所述方法基于手性参数完备检测的装置，所述手性参数完备检测的装置包括：激光器(1)、非偏振分光棱镜(2)、第一矢量光场生成系统(3)、第二矢量光场生成系统(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(6)、第三反射镜(7)、第一高数值孔径物镜(8)、第二高数值孔径物镜(9)和光诱导力显微镜(10)；
从激光器(1)发出的激光经由非偏振分光棱镜(2)分束为相互垂直的两束光，分别为第一光束和第二光束，第一光束经过由第一矢量光场生成系统(3)、第一反射镜(5)、第一高数值孔径物镜(8)后聚焦在第一高数值孔径物镜(8)焦点区域；所述第一反射镜(5)与第一矢量光场生成系统(3)的出射光成45度角；第一反射镜(5)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；
第二光束依次经过第二反射镜(6)、第三反射镜(7)后传递至第二矢量光场生成系统(4)，再经第二高数值孔径物镜(9)聚焦在第二高数值孔径物镜(9)焦点区域；第二反射镜(6)与第二光束成45度角，第三反射镜(7)与第二反射镜(6)的出射光成45度角；第二矢量光场生成系统(4)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；
聚焦的第一高数值孔径物镜(8)焦点区域与第二高数值孔径物镜(9)焦点区域重合，该区域为焦斑重合区域；
第一矢量光场生成系统(3)和第二矢量光场生成系统(4)均由计算机控制；
光诱导力显微镜(10)用于对焦斑重合区域进行光力探测；所述手性参数完备检测的方法具体包括如下步骤：
步骤1、根据需要测定的各向异性手性参数分量，选定特定取向的手性偶极矩焦场，继而根据电偶极子和磁偶极子辐射场的时间反演理论，计算出获得该光学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(11)对第一矢量光场生成系统(3)与第二矢量光场生成系统(4)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(3)和第二矢量光场生成系统(4)调制后的光场聚焦在第一高数值孔径物镜(8)和第二高数值孔径物镜(9)的焦斑重合区域；
步骤4、将纳米手性颗粒置于手性偶极矩焦场中心，利用光诱导力显微镜(10)对纳米手性颗粒进行光力探测，从而实现手性参数的完备检测。
2.根据权利要求1所述一种手性参数完备检测的方法，其特征在于，步骤1中选定特定取向的手性偶极矩焦场，继而根据电偶极子和磁偶极子辐射场的时间反演理论，计算出获得该光学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；具体包括如下步骤：
步骤1.1、将所述特定取向的手性偶极矩焦场等效为电偶极子和磁偶极子的组合，且电偶极子和磁偶极子的振动方向与所需手性偶极矩焦场的取向保持一致，电偶极子与磁偶极子的振幅相等，相位差为π/2；
步骤1.2、根据电偶极子和磁偶极子辐射场的时间反演理论，计算出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、偏振和相位分布。
3.根据权利要求1所述一种手性参数完备检测的方法，其特征在于，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(3)和第二矢量光场生成系统(4)调制后的光场聚焦在第一高数值孔径物镜(8)和第二高数值孔径物镜(9)的焦斑重合区域；具体包括如下步骤：
步骤3.1、选择焦距相同的第一高数值孔径物镜(8)和第二高数值孔径物镜(9)，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、通过调整第一高数值孔径物镜(8)和第二高数值孔径物镜(9)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(8)聚焦的焦斑与通过第二高数值孔径物镜(9)聚焦的焦斑重合。
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