CN1292496A - 纳米近场光钳方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于近场光学和光钳技术领域,本方法使激光与近场探针相互作用获得近场局域增强光场,利用该光场对微粒的光梯度力作用来实现捕获、移动、拉伸、扭转和释放等光钳操作。本发明从根本上突破了传统光学的受衍射限制的分辨率和操控精度,分辨率达到亚波长或纳米量级,适用于生物单分子操控。
Description
本发明属于近场光学和光钳技术领域，特别涉及激光与物质在纳米局域空间相互作用并实现光操作的方法。
传统光学，或称为远场光学，由于受到衍射极限的限制，最高光学分辨率只能达到半波长量级。
传统光钳是建立在衍射受限的远场光学的原理之上。传统光钳方法是将激光聚焦到近似衍射极限斑，在聚焦中心附近存在很强的梯度力场，形成“光阱”，利用该场对处于其中的微粒的束缚力来实现光钳操作。传统光钳的系统构成主要包括捕获光聚焦系统、样品操作系统、显微动态监测系统。所形成的“光阱”由于受到原理性限制最小空间尺度约为半波长，在可见光范围内为300纳米左右。因此在实际工作时，操作对象为微米或亚微米量级；为了操作更小的样品，通常在被操作样品端部附着微米胶球，首先使光阱“捕获”此胶球，然后通过对胶球的操作实现对被附着纳米尺寸样品的操作。传统光钳还无法实现对生物单分子或其他纳米微粒样品的直接操作。
近场光学的核心问题是探测束缚在物体表面的隐失光场，隐失光场为非辐射场。距离物体表面小于λ的区域称为近场区域。处于近场区域的非辐射光场一方面包含了物体表面的微细结构信息(＜＜λ)，另一方面其场强随离开物体表面的距离呈指数衰减，远场方法无法探测。近场光学从基本原理上突破了衍射极限，通过对非辐射场的探测可以获得超衍射极限的高分辨率。近场光学已被应用于超高分辨率光学成像、纳米局域光谱研究、纳米空间探测、近场光刻和超高密度数据存储等方面。已有的研究表明，激光从光纤纳米孔径出射或与具有纳米尺寸尖端的金属探针相互作用，在针尖附近产生局域增强并沿轴线方向迅速衰减的隐失光场，该光场同时在垂轴平面内也表现出由轴线向边缘迅速衰减的分布特性。即这种纳米空间的光场表现出很强的三维梯度场特性。
本发明的目的在于为克服传统光钳的衍射受限的不足之处，将近场光学原理和光钳技术进行结合，提出一种近场光钳方法，运用这种方法实现对生物单分子或其他微粒样品的直接操作。
本发明提出一种纳米近场光钳方法，其特征在于，使激光与一个或一个以上近场探针相互作用获得近场局域增强光场，利用该光场对微粒的光梯度力作用来实现捕获、移动、拉伸、扭转和释放等纯光机械操作。
所说的近场探针可采用纳米微孔径、尖端具有纳米孔径的光纤探针、具有纳米针尖的金属探针、用光阱捕获的金属或介质纳米小球之一种。
所说的纳米孔径是在金属膜上可用微加工、光刻、离子束、机械等方法制成的孔径。
所说的尖端具有纳米孔径的光纤探针可采用光纤／硅／氮化硅材料制成的，尖端具有直径小于100纳米的通光孔径，该孔径光纤探针可是裸光纤探针或者在裸光纤探针的尖端锥面外镀一层金属或硅或氮化硅的膜，光纤可是多模、单模光纤、保偏光纤、掺铒光纤或具有梯度折射率的光纤之一种。
所说的具有纳米针尖的金属探针可采用化学腐蚀方法制成的金属尖针。
所说的激光与近场探针相互作用的方法是可将激光耦合进孔径型光纤探针，在探针的尖端处形成沿三维方向迅速衰减的中心增强场或中心加环型增强场；处在激光照射或由全反射形成的隐失光场下的金属尖针在尖端的近场范围内形成局域增强场。
所说的近场局域增强光场存在对样品微粒的梯度作用力场，形成“光阱”，可将样品微粒捕获并约束于光强极点附近或光环中心，实现光钳操作。
所说的光钳操作方法是当光束移动时，被捕获、被约束的微粒也随之移动；当采用多个近场探针同时作用于微粒且具有不同的空间位置、移动方向或位移时，微粒可以被移动、扭转、拉伸，实现更为复杂的近场光钳操作。
所说的光钳操作方法是在光钳的作用区域可施加电场、磁场等，利用电场力、磁场力、重力等外力与光场的梯度力的共同作用来实现对微粒的稳定操作和其他复杂操作。
本发明的近场光钳方法，主要要实现近场梯度力形成、光钳操作和近场显微动态监测三部分功能。使激光与纳米探针相互作用可以获得近场局域增强光场，例如将激光耦合进孔径型光纤探针、用激光照射具有纳米尖端的金属探针或使金属探针处于由全反射形成的隐失光场，激发近场局域光场。通过改变光纤探针针尖与样品之间的相互位置、激光功率等参数来改变该近场局域光场对样品的光梯度力作用，同时可以借助一些外界辅助条件，例如磁场、电场等，来克服微粒受到的外界干扰力，从而实现对样品微粒的捕获、移动和释放等光钳操作。当多个光钳同时作用于微粒且具有不同的空间位置、移动方向或位移时，可以实现更为复杂的拉伸、扭转等近场光钳操作。对操作过程的动态监测由近场光学扫描显微方法来实现。
针对上述近场光钳方法，近场光钳系统包含作为捕获光源的激光器、光耦合器和近场探针来形成近场局域光场。近场探针可以采用纳米微孔径、具有纳米孔径的光纤探针、具有纳米针尖的金属探针、用光阱捕获的金属或介质纳米小球等。其中纳米微孔径可以是金属膜上采用微加工、光刻、离子束、机械等方法制成的孔径。孔径型光纤探针是光纤／硅／氮化硅材料制成的，可以是裸光纤探针或者在裸光纤探针的尖端锥面外镀一层金属或硅或氮化硅的膜制成，尖端具有直径小于100纳米的通光孔径。光纤可以是多模、单模光纤、保偏光纤、掺铒光纤和梯度折射率光纤等。所说的具有纳米针尖的金属探针可以是采用化学腐蚀等方法制成的金属尖针，如钨丝尖针等。为实现光钳操作，系统应具备探针与样品之间相对位置的控制机构，如间距控制器、扫描器等。近场光学扫描需要系统具有激光光源、近场探针、间距控制机构和用作图像处理的计算机。以上用以实现各个功能的机构可以独立，也可以相互交错。
采用上述近场光钳方法具体可包括：被操作目标的选择定位及操作两部分，所说的目标的选择和定位包括以下步骤：
(1)根据特定的样品选择波长适当的激光光源；
(2)选择合适的近场探针，如孔径型光纤探针；
(3)将激光束耦合进入孔径型光纤探针，在探针顶端出射孔径附近形成增强隐失光场；
(4)使用显微镜观测系统粗略的选择适当的样品区域；
(5)采用纵向微位移装置将样品和探针的距离缩小到近场范围并保持；
(6)采用横向微位移装置实现探针对样品的横向二维扫描，在扫描的过程中采用一定的样品一探针间距控制机制使二者保持在近场距离；
(7)根据采集所得到的图象数据进行处理，判断感兴趣样品的位置以及形貌、光学透过率、折射率；
所说的目标样品的操作包括以下步骤：
(1)将探针移动到选定的待操作样品处；
(2)调整激光器的输出功率，使之对样品所产生的光梯度力的大小适合于操作特定的样品；
(3)调整探针的位置使之适合于实现特定动作，如拉伸，扭转等：
(4)对样品实施操作；
(5)重新调整激光功率，减小梯度力，释放样品。
本发明的工作原理如下：
(1)当微粒处于非均匀光场中且物体的折射率大于周围介质的折射率时，微粒将受到指向光强中心的梯度力作用。如果非均匀光场很强，光梯度力足够克服例如重力、布郎运动力等外界干扰，那么该梯度光场就形成“光阱”，能够将样品微粒捕获并约束于光强极点附近或光环中心，对处于其中的微粒进行捕获、移动、拉伸、扭转和释放等操作。
(2)激光从光纤纳米孔径出射或与纳米尖端金属针相互作用，在探针尖端处形成局域增强然后沿着轴线方向迅速衰减的隐失光场，该光场同时在垂轴平面内也表现出从轴线向边缘迅速衰减的梯度分布特性，即形成沿三个方向迅速衰减的中心增强场或中心加环型增强场。这种近场局域增强光场的梯度变化可以采用微分的方法计算出来。
(3)上述近场局域增强光场是非均匀光场，对于置于其中的微小物体产生一定的梯度力，该力指向光场强度中心。梯度力可以根据光动力学原理的方法进行简单估算。
(4)纳米微孔径、孔径型光纤探针以及具有纳米尖端的金属探针与激光相互作用都能够产生近场局域增强光场。
(5)光场对微粒的梯度力作用的大小随激光波长、激光功率、探针与样品的相互位置的变化而变化。
本发明具有如下特点：
(1)近场光钳具备了直接对单分子操作的可能性，其潜在的应用在于操作纳米颗粒和生物单分子。同时使分子动力学、生物化学等过程的单分子荧光检测和其他纳米局域光谱探测成为可能。
(2)近场光学与光钳原理的相结合形成崭新近场光钳原理与实验方法。从根本上突破了传统光学的受衍射限制的分辨率和操控精度，分辨率达到亚波长或纳米量级，适用于生物单分子操控。
(3)近场光钳系统采用了近场扫描显微方法来完成对光钳操作的监测，与传统的显微摄像技术不同。
(4)近场光学双光针形成新型近场双光钳可对生物微粒或分子进行特殊操作。能够在约束单分子空间位置的同时施加光力，使分子按人的意志进行旋转、位移等特殊操作。
附图简要说明：
图1为孔径型金属膜光纤探针的近场局域光场分布。
图2为局域增强光场对微粒的光力作用示意图。
图3为本发明的实施例一：采用单光针近场光钳系统的组成原理图。
图4为本发明的实施例二：采用双光针近场光钳系统的组成原理图。
本发明的近场光钳方法的实施例结合单光针近场光钳系统和双光针近场光钳系统详细描述如下：
图1为孔径型金属膜光纤探针的近场局域光场分布。采用图1(a)所示物理模型，利用时域有限差分方法进行仿真计算，可获得图1(b)(c)(d)(e)所示的孔径型镀金属膜光纤探针的近场分布图。计算中以均匀介质芯1模拟光纤材料，理想导体模拟金属膜层2。可将针尖的顶点中心定义为坐标原点，锥度定义为探针锥面倾角α的二倍，真空波长选为633nm，电场的各分量分别为Ex=Ez=0，Ey=-1V／m。以△x=△y=△z=10nm的空间步长计算探针的场分布，计算空间的大小为120×120×100个网格单元。探针孔径为60nm，金属膜层2厚30nm。金属膜探针分别在x=0、y=0、z=-3nm、z=-15nm平面内的电场分布如图1(b)(c)(d)(e)所示。从这几幅图可以很明显的看出电场沿探针轴线具有很强烈的衰减特性。在探针的孔径边缘处表现出显著的场增强现象，这种场增强效应随着离探针孔径距离的增加而迅速衰减从而在横截面内表现出类似高斯分布的场特性。综上所述，孔径型金属膜光纤探针的近场分布具有很显著的三维梯度场，如果将微小的样品3放置在该梯度场中，则必然受到逆梯度方向的力。
图2为局域增强光场对微粒的光力作用示意图。以孔径型镀金属膜光纤探针4为例，探针头的局域光场是一个梯度光场。由已有的光钳力学原理得知，折射率小于周围介质的电介质微粒5处在强度非均匀分布的强光场中时，它将受到一个指向强度中心的回复力，称为光的梯度力。当该梯度力足以克服光的辐射压力、重力、布郎运动等扰动作用时，就能够将处于光场强度中心的某个区域的微粒5捕获并将其束缚在一定位置上。这与远场光钳的效果相似，但是可操作微粒的尺寸更小。
实施例一为采用单光针近场光钳系统，该系统的原理结构如图3所示。结合图3详细说明近场光钳方法的具体步骤如下：
半导体激光器6的输出光通过光纤耦合器7进入光纤探针8的切平端。探针8的尖端与操作样品12之间距离为纳米量级。依靠间距测控探测器11产生的反馈信号控制纵向微动扫描器10来带动探针8纵向逼近样品，从而实现样品12与探针8之间的逼近和间距控制。利用微动扫描器10带动探针8进行横向微动可以实现近场扫描。光学显微系统14收集到的光信号由双色分束器15分为两束，成像照明光部分进入显微观测摄像系统16(成像照明光源在此图没有标出)，近场探测光部分进入微弱光探测器17转化为电信号，再经计算机18进行图像处理，最后获得近场扫描图形。操作过程是先利用显微观测摄像系统16对样品进行粗定位，找到密度和分散度合适的样品区域；再对该局部区域进行近场扫描，精确定位要操作的单个微粒；然后将探针工作模式从扫描操作转变为光钳操作模式，在模式转变过程中需要改变系统的一些参数，例如调节激光器6改变光强或波长，通过微动扫描器10和间距测控探测器11改变探针与样品之间的距离，调节微动扫描器10的移动速度以及改变探针形状，这些参数的调整都应针对不同的系统装置来选择；接下来对微粒进行光钳操作；进行一次光钳操作以后，再将模式转变为扫描操作模式，监测操作结果，调整探针位置，准备下一次光钳操作；如此扫描和光钳操作交替进行。
实施例二为采用双光针近场光钳系统，其原理结构如图4所示。结合图4详细说明近场光钳方法的具体步骤如下：
首先利用照明光源28、照明聚光系统27、光学显微系统20和显微观测摄像系统19对所要操作的样品进行粗定位。在对样品精确定位时可以有两种方案。方案一是两组激光器21、光纤探针22、微动扫描器23和间距测控器24其中一者或两者都能实现上面实施例一中所介绍的近场扫描，这时要在显微观测摄像系统19和光学显微系统20之间加入双色分束器，类似图3中所示，在分出光束的另一端添加微弱光探测器和计算机来处理扫描图形。方案二是利用其中一个光纤探针22作为激光光源，使已经进行了荧光处理的微粒受激产生荧光，另一个光纤探针22作为荧光探测头，这则需要在探针后方连接一个微弱光探测器将光信号转化为电信号，从而实现单分子光谱的激发和检测。在进行光钳操作时，两个光纤探针分别都是一个可以独立操作的光钳，两个光钳可以分别对不同的操作对象进行操作，也可以相互配合来完成单光钳难以完成的任务，比如旋转、双向牵引等。如果设计中针对样品将其中一个激光光源选为合适的波长，那么就可能形成光刀，使用时将光钳和光刀配合起来。该近场光钳双光针系统可以实现对生物单分子的多种有效、复杂的操作，这是传统远场光钳所难以完成的。
Claims (10)
1、一种纳米近场光钳方法，其特征在于，使激光与一个或一个以上近场探针相互作用获得近场局域增强光场，利用该光场对微粒的光梯度力作用来实现捕获、移动、拉伸、扭转和释放等纯光机械操作。
2、如权利要求1所述的纳米近场光钳方法，其特征在于，所说的近场探针采用纳米微孔径、尖端具有纳米孔径的光纤探针、具有纳米针尖的金属探针、用光阱捕获的金属或介质纳米小球之一种。
3、如权利要求2所述的纳米近场光钳方法，其特征在于，所说的纳米孔径是在金属膜上用微加工、光刻、离子束、机械等方法制成的孔径。
4、如权利要求2所述的纳米近场光钳方法，其特征在于，所说的尖端具有纳米孔径的光纤探针是采用光纤／硅／氮化硅材料制成的，尖端具有直径小于100纳米的通光孔径，该孔径光纤探针是裸光纤探针或者在裸光纤探针的尖端锥面外镀一层金属或硅或氮化硅的膜，光纤是多模、单模光纤、保偏光纤、掺铒光纤或具有梯度折射率的光纤之一种。
5、如权利要求2所述的纳米近场光钳方法，其特征在于，所说的具有纳米针尖的金属探针是采用化学腐蚀方法制成的金属尖针。
6、如权利要求1所述的纳米近场光钳方法，其特征在于，所说的激光与近场探针相互作用的方法是将激光耦合进孔径型光纤探针，在探针的尖端处形成沿三维方向迅速衰减的中心增强场或中心加环型增强场；处在激光照射或由全反射形成的隐失光场下的金属尖针在尖端的近场范围内形成局域增强场。
7、如权利要求1所述的纳米近场光钳方法，其特征在于，所说的近场局域增强光场存在对样品微粒的梯度作用力场，形成“光阱”，将样品微粒捕获并约束于光强极点附近或光环中心，实现光钳操作。
8、如权利要求1所述的纳米近场光钳方法，其特征在于，所说的光钳操作方法是当光束移动时，被捕获、被约束的微粒也随之移动；当采用多个近场探针同时作用于微粒且具有不同的空间位置、移动方向或位移时，微粒可以被移动、扭转、拉伸，实现更为复杂的近场光钳操作。
9、如权利要求1所述的纳米近场光钳方法，其特征在于，所说的光钳操作方法是在光钳的作用区域施加电场、磁场等，利用电场力、磁场力、重力等外力与光场的梯度力的共同作用来实现对微粒的稳定操作和其他复杂操作。
10、如权利要求1所述的纳米近场光钳方法，具体包括被操作目标的选择定位及操作两部分，所说的目标的选择和定位包括以下步骤：
(1)选定样品和激光波长：根据特定的样品选择波长适当的激光光源；选择探针；
(2)粗选样品区：采用显微观测系统粗略的选择适当的样品区域；
(3)纵向微逼近：采用纵向微位移装置将样品和探针的距离缩小到近场范围；
(4)样品的横向扫描：采用横向微位移装置实现样品和探针之间的横向相对扫描，并在扫描过程中采用样品-探针间距控制装置使二者保持在近场距离；
(5)图象处理：根据采集所得到的图象数据进行处理，判断感兴趣样品的位置；
所说的目标样品的操作包括以下步骤：
(1)将探针移动到选定的待操作样品处；
(2)调整激光器的输出功率，使之对样品所产生的光梯度力的大小适合于操作特定的样品；
(3)调整探针的位置使之适合于实现特定动作；
(4)对样品实施操作；
(5)重新调整激光功率，减小梯度力，释放样品。
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