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CN116130139B - 纳米颗粒运输器件及用于颗粒捕获和长距离运输的方法 - Google Patents

纳米颗粒运输器件及用于颗粒捕获和长距离运输的方法

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CN116130139B
CN116130139B CN202211606916.2A CN202211606916A CN116130139B CN 116130139 B CN116130139 B CN 116130139B CN 202211606916 A CN202211606916 A CN 202211606916A CN 116130139 B CN116130139 B CN 116130139B
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甘润菊
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Central South University
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明公开了一种纳米颗粒运输器件，包括二氧化硅基底、水滴型金纳米阵列、偏振光波以及纳米颗粒；二氧化硅基底作为基底；水滴型金纳米阵列，设置于二氧化硅基底上，作为驱动单元，与偏振光光场作用形成激化局部电场，对纳米颗粒进行捕获与定向距离运输；偏振光波，用于提供光源，与水滴型金纳米阵列作用产生消逝场；纳米颗粒，作为被捕获和运输的对象；水滴型金纳米阵列包括周期性排布的水滴型等离子金纳米结构，水滴型等离子金纳米结构由水滴型尾部与圆形主体嵌合构成，纳米颗粒的运输方向与水滴型尾部之间有一定夹角。本发明可以以更低的光功率实现更稳定捕获，也使得器件对于目标颗粒实现高操作性的运输。

Description

纳米颗粒运输器件及用于颗粒捕获和长距离运输的方法
技术领域
本发明涉及光操纵技术领域，具体涉及一种纳米颗粒运输器件及用于颗粒捕获和长距离运输的方法。
背景技术
近年来，随着用于精确医学诊断和生物传感的芯片实验室系统的发展趋势，高精度的粒子操纵变得重要。利用表面等离子体共振(SPR)的优点，光学俘获突破了纳米尺度上的衍射极限。等离子体配置和技术能够将电磁场定位到比自由空间波长小得多的热点，用作捕获和分选纳米颗粒、检测病毒、固定DNA和组装活细胞的非侵入性工具。由于场增强源于金属表面的激发局域表面等离子体共振(LSPR)模式，因此探索具有高捕获效率的新型金属纳米结构始终是该领域的主要目标。在这些金属纳米结构的尖角处可以实现更高的电场强度，如蝴蝶结、四角板、金字塔和纳米孔。然而，由于热点高度局域化，将粒子从一个热点转移到另一个热点并不容易。被捕获的粒子在捕获位置之间转移，需要相邻光学势阱之间的空间重叠。近来，有研究者使用波长选择性结构，例如纳米棒和C形纳米孔，通过周期性改变激发波长实现热点位置的切换，成功地传输了粒子。此外，纳米环和纳米椭圆被提出作为光学传送带的单元，通过旋转激发光束的偏振方向控制热点沿着平滑的轮廓连续移动。虽然规则的对称结构提供了面积更大的热点，但此类结构产生的光学势阱刚度较低，导致捕获效率降低。
现有的技术如专利号为CN114308395B的专利使用领结型结构通过不同的共振波长来进行纳米颗粒的分选，其只能实现不同大小的纳米颗粒的分选；专利号为CN111834028A的专利使用的是硅三聚体通过控制偏振方向让纳米颗粒在硅三聚体的小范围内移动，其只能实现纳米颗粒的捕获和在三聚体内小范围移动。随着纳米制造工艺的进步，需要我们超越常规结构，打破几何约束，提高整个系统的性能。纳米制造工艺需要对纳米颗粒采用更低的光功率实现更稳定的捕获，也要求对纳米颗粒实现高操作性的运输，特别是实现定向长距离的运输。
发明内容
鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种纳米颗粒运输器件及用于颗粒捕获和长距离运输的方法，本发明与传统的方案不同，异于传统的规则结构，提出了一种由三角形与圆形嵌合构成的水滴型结构，使得结构对于激发光源有很好的跟随性的同时，可以在特殊偏振情况时在特定区域产生极强的局部场强，使得可以以更低的光功率实现更稳定捕获，通过旋转光源的偏振角度来操控目标颗粒的定向运输从而对目标纳米颗粒实现高精度、高操作性的运输。
为了达到上述目的，本发明提供了一种纳米颗粒运输器件，所述纳米颗粒运输器件为基于水滴型等离子金纳米结构的纳米颗粒运输器件，所述纳米颗粒运输器件包括二氧化硅基底、水滴型金纳米阵列、偏振光波以及纳米颗粒；所述二氧化硅基底，作为所述纳米颗粒运输器件的基底；所述水滴型金纳米阵列，设置于所述二氧化硅基底上，作为驱动单元，与偏振光光场作用形成激化局部电场，对纳米颗粒进行捕获与定向距离运输；所述偏振光波，用于提供光源，与水滴型金纳米阵列作用产生消逝场；所述纳米颗粒，作为被捕获和运输的对象；
所述水滴型金纳米阵列包括周期性排布的水滴型等离子金纳米结构，所述水滴型等离子金纳米结构由等腰三角形结构的水滴型尾部与圆形主体嵌合构成，各所述水滴型等离子金纳米结构间隔一定距离，所述纳米颗粒的运输方向与所述水滴型尾部之间存在一定夹角。
依照本发明的一个方面，所述偏振光波的入射方向垂直所述二氧化硅基底设置。
依照本发明的一个方面，所述偏振光波的光偏振方向与所述水滴型尾部的方向一致。
基于同一发明构思，本发明还提供了上述纳米颗粒运输器件用于颗粒捕获和长距离运输的方法，包括以下步骤：
步骤1：先将纳米颗粒运输器件进行建模，确定三维分解方向；再计算纳米颗粒运输器件在Z方向不同偏振角度下圆偏振的均匀偏振光波照射下在横向切面的激化电场分布图；
步骤2：确定纳米颗粒运输器件的尺寸以及水滴型等离子金纳米结构的具体排布方式；
步骤3：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力；先利用麦克斯韦张量法或者体积法计算线偏振光下光合力在三维方向，即(x,y,z)三个方向上进行三个分力Fx、Fy、Fz的分解，分析三个光分力在水滴型金纳米阵列上方处所受到的光力，得到纳米颗粒的有效捕获范围；
步骤4：根据水滴型等离子金纳米结构的特殊的水滴型结构，以及驱动单元阵列的排布方式，确定运输过程中，光源的偏振旋转角度；
步骤5：计算按照步骤4改变偏振旋转角度的条件下，纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力和运输目标颗粒的能力。
依照本发明的一个方面，所述步骤3中，所述定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力具体为：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的捕获势能；以势能的最后值为能量参考点，将力沿着所需方向一维积分得到势能，当势能大于1KBT，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中；势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中KB为玻尔兹曼常数，T为温度。
依照本发明的一个方面，所述步骤4中，所述确定运输过程中，光源的偏振旋转角度具体是通过以下步骤确定的：
通过顺序改变光源的偏振旋转角度，激化水滴型等离子金纳米结构产生不同位置的局部激化场强，从而通过寻址热点来定向运输目标颗粒。
依照本发明的一个方面，所述步骤5中，所述纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力的计算过程包括：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的捕获势能；以势能的最后值为能量参考点，将力沿着所需方向一维积分得到势能，当势能大于1KBT，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中；势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中KB为玻尔兹曼常数，T为温度。
依照本发明的一个方面，所述纳米颗粒运输器件处在水的环境中，其水的折射率为1.33。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出了一种基于水滴型等离子金纳米结构的纳米颗粒运输器件，利用水滴型结构的特殊性，当光偏振方向与水滴型结构尾部方向一致时，可以激化产生极强的局部激化电场，从而可以以较小的光功率在较大的纵向范围内，实现目标颗粒的有效捕获；
(2)本发明的水滴型等离子体金纳米结构对于不同偏振角度的偏振光源的激化响应差异明显，可以利用此特性，将金纳米结构按一定方式周期性排布构建纳米运输器，并顺序改变光源的偏振角度，来实现目标颗粒的可操纵的定向运输。
(3)本发明利用三维时域有限差分法和麦克斯韦应力张量法分析了该设计的可行性。模拟结果表明，在局域等离子体共振的帮助下，该设计方法能够实现对纳米颗粒的捕获和可控运输，本发明与传统的颗粒运输方法相比，所需光功率更小，同时具有更高的操作可控性，该方法为光学微纳操纵器件及大规模实现片上实验室集成中的应用提供了新的设计方法。
下面将结合具体实施方式进一步阐述。
附图说明
图1为本发明所述的纳米颗粒运输器件的部分结构示意图一；
图2为本发明所述的纳米颗粒运输器件的部分结构示意图二；
图3为在不同偏振角度的的均匀偏振光波垂直入射所述的水滴型等离子金纳米结构中电场在x-y平面的局部分布图；
图4(a)为水滴型等离子金纳米结构的水滴型尾部的尖端和圆形主体的边缘区域的X方向目标纳米颗粒所受光力情况；图4(b)为水滴型等离子金纳米结构的水滴型尾部的尖端和圆形主体的边缘区域的Y方向目标纳米颗粒所受光力情况；图4(c)为水滴型等离子金纳米结构的水滴型尾部的尖端和圆形主体的边缘区域的X方向的电势情况；图4(d)为为水滴型等离子金纳米结构的水滴型尾部的尖端和圆形主体的边缘区域的Y方向的电势情况；
图5(a)为偏振角度为90°的偏振光源下的电场强度分布；图5(b)为偏振角度为150°的偏振光源下的电场强度分布；图5(c)为偏振角度为60°的偏振光源下的电场强度分布；图5(d)为本发明的所述纳米颗粒运输器件按照顺序依次在90°、150°和60°在X方向的电势情况。
附图说明：1、二氧化硅基底；2、水滴型等离子金纳米结构。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
一方面，本发明为了解决其技术问题提供了一种基于水滴型等离子金纳米结构的纳米颗粒运输器件，如图1-2所示，所述纳米颗粒运输器件包括二氧化硅基底1、水滴型金纳米阵列、偏振光波以及纳米颗粒；
所述二氧化硅基底1，二氧化硅基底作为水滴型金纳米阵列的基底，主要起到支撑水滴型金纳米阵列的作用，且二氧化硅是一种制造光学芯片的常用材料，不会与放入的样品溶液反应；
所述水滴型金纳米阵列设置于所述二氧化硅基底1上，作为驱动单元，与偏振光光场作用形成激化局部电场如图3所示，对纳米颗粒进行捕获与定向距离运输；
所述偏振光波，用于提供光源，与水滴型金纳米阵列作用产生消逝场；所述纳米颗粒，作为被捕获和运输的对象。
在本实施例中，如图1-2所示，所述水滴型金纳米阵列包括周期性排布的水滴型等离子金纳米结构2，所述水滴型等离子金纳米结构2由等腰三角形结构的水滴型尾部与圆形主体嵌合构成，各所述水滴型等离子金纳米结构2间隔一定距离f，所述纳米颗粒的运输方向(参见图1的X轴方向)与所述水滴型尾部之间存在一定夹角α；其中，等腰三角形的底边为L，高为e，圆形的直径为D，水滴型等离子金纳米结构的厚度为h，纳米颗粒的直径为d。
在本实施例中，各所述水滴型等离子金纳米结构2间隔的距离f为110nm，所述纳米颗粒的运输方向(参见图1的X轴方向)与所述水滴型尾部之间存在的夹角α为150°，等腰三角形的底边L为144nm，等腰三角形的高e为95nm，圆形的直径D为330nm，水滴型等离子金纳米结构的厚度h为35nm，纳米颗粒的直径d为100nm；波所述偏振光的入射方向垂直于二氧化硅基底1方向设置，光波波长为1550nm，光波强度为1W/μm2。
本发明通过改变偏振光波的偏转角度的方法来实现水滴型金纳米阵列中纳米颗粒的捕获与运输：改变纳米颗粒运输器件的电场分布，从而改变纳米颗粒在水滴型金纳米阵列中的光力和势能；具体的，通过改变偏振光波的偏转角度的方法来改变水滴型金纳米阵列纳米颗粒的捕获与运输，包括以下两个过程：
平面偏振光捕获纳米颗粒：用与水滴型金纳米阵列平面垂直，光波偏振方向与水滴型等离子金纳米结构的水滴型尾部一致的偏振光进行纳米颗粒捕获研究。具体而言：采用麦克斯韦张量法或者体积法进行计算光力，以势能的最后值为能量参考点，将力沿着所需方向一维积分得到势能。用于定量分析纳米颗粒被捕获的颗粒尺寸以及捕获位置；
改变偏振光波的偏转角度分选纳米颗粒法：采用顺序切换偏振光的偏振角度进行纳米颗粒的运输。在纳米颗粒运输器件结构中周期性的激发可寻址的热点，用周期性改变的局部场热点来操作目标颗粒(纳米颗粒)，实现目标颗粒可控的定向运输。
另一方面，本发明提供了一种纳米颗粒运输器件用于颗粒捕获和长距离运输的方法，其具体步骤如下：
步骤1：先将纳米颗粒运输器件进行建模，确定三维分解的方向；再计算纳米颗粒运输器件在Z方向不同偏振角度下圆偏振的均匀偏振光波照射下在横向切面的激化电场分布图，参见图3；
步骤2：确定纳米颗粒运输器件的尺寸，依据所设计的运输步骤，确定等水滴型离子体金纳米结构的具体排布方式，
不断改变水滴型金纳米结构参数，优化纳米颗粒分选器件结构参数，得到最佳结构。确定了由等腰三角形与圆形嵌合构建水滴型金纳米结构，其中等腰三角形底L为144nm，高e为95nm，圆形直径D为330nm。水滴型金纳米阵列按照，水滴尾部与沿运输方向夹角α为150°，以距离f为110nm的间隔周期性排布。
步骤3：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力；先利用麦克斯韦张量法或者体积法计算线偏振光下光合力在三维方向，即(x,y,z)三个方向上进行三个分力Fx、Fy、Fz的分解，分析三个光分力在水滴型金纳米尖角上方5nm处所受到的光力，得到颗粒的有效捕获范围，参见图4；并于原边缘上方的情况进行比对分析，验证了水滴型结构所具有的优势；
步骤4：根据水滴型金纳米阵列作为驱动单元特殊的水滴型结构，以及水滴型金纳米阵列的排布方式，确定运输过程中，光源的偏振旋转角度为：90°，150°，60°；
步骤5：计算按照步骤4改变光偏振角度的条件下，三次目标颗粒所受光学势阱之间的空间重叠，势阱深度有效稳定，验证了上述所设计方案运输目标纳米颗粒的有效性，参见图5。
在本实施例中，所述步骤3中定量分析纳米颗粒分选器件捕获金纳米颗粒的能力具体为：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的捕获势能；以势能的最后值为能量参考点，将力沿着所需方向一维积分得到势能，当势能大于1KBT，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中；势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中KB为玻尔兹曼常数，T为温度。
在本实施例中，所述步骤5中，所述纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力的计算过程包括：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的捕获势能；以势能的最后值为能量参考点，将力沿着所需方向一维积分得到势能，当势能大于1KBT，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中；势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中KB为玻尔兹曼常数，T为温度。
在本实施例中，所述步骤4中通过顺序切换90°，150°，60°偏振光偏转角度，可以通过寻址热点实现目标纳米颗粒的可操控定向运输。
在本实施例中，所述纳米颗粒分选器件结构处在水的环境中，其水折射率为1.33。
本发明提出了一种基于水滴型等离子金纳米结构的纳米颗粒运输器件，利用水滴型结构的特殊性，当光偏振方向与水滴型结构尾部方向一致时，可以激化产生极强的局部激化电场，从而可以以较小的光功率在较大的纵向范围内，实现目标颗粒的有效捕获，
同时，水滴型等离子金纳米结构对于不同偏振角度的偏振光源的激化响应差异明显，可以利用此特性，将金纳米结构按一定方式周期性排布构建纳米运输器，并顺序改变光源的偏振角度，来实现目标颗粒的可操纵的定向运输。
利用三维时域有限差分法和麦克斯韦应力张量法分析了该设计的可行性。模拟结果表明，在局域等离子体共振的帮助下，该设计方法能够实现对纳米颗粒的捕获和可控运输，本发明与传统的颗粒运输方法相比，所需光功率更小，同时具有更高的操作可控性，该方法为光学微纳操纵器件及大规模实现片上实验室集成中的应用提供了新的设计方法。
需要说明的是，由图3可知，水滴结构表面被激化的局部场强对于光偏振的方向具有很好的跟随性，同时水滴型的尖部会较为固定的被激化产生局部场强，当光偏振角度小于60°时，水滴型的尖部都产生了激化场强。通过这一特性，我们可以选用特定的偏转角度，来实现目标颗粒的运输。
需要说明的是，有图4可知，在同等光功率条件下，尖端具有比圆边缘更宽的捕获范围和更强的捕获能力。捕获能力(势阱深度)相差两倍，y方向可捕获范围的差异约为200nm。
需要说明的是，有图5可知，周期性改变光偏振方向，可以提供有效的局部场强，通过捕获势阱图可以看到，三次捕获的势阱在x方向上空间捕获势阱重叠，可以实现有效的定向运输。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种纳米颗粒运输器件，其特征在于，所述纳米颗粒运输器件为基于水滴型等离子金纳米结构的纳米颗粒运输器件，所述纳米颗粒运输器件包括二氧化硅基底、水滴型金纳米阵列、偏振光波以及纳米颗粒；所述二氧化硅基底，作为所述纳米颗粒运输器件的基底；所述水滴型金纳米阵列，设置于所述二氧化硅基底上，作为驱动单元，与偏振光光场作用形成激化局部电场，对纳米颗粒进行捕获与定向距离运输；所述偏振光波，用于提供光源，与水滴型金纳米阵列作用产生消逝场；所述纳米颗粒，作为被捕获和运输的对象；
所述水滴型金纳米阵列包括周期性排布的水滴型等离子金纳米结构，所述水滴型等离子金纳米结构由等腰三角形结构的水滴型尾部与圆形主体嵌合构成，各所述水滴型等离子金纳米结构间隔一定距离，所述纳米颗粒的运输方向与所述水滴型尾部之间存在一定夹角。
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒运输器件，其特征在于，所述偏振光波的入射方向垂直所述二氧化硅基底设置。
3.根据权利要求1所述的纳米颗粒运输器件，其特征在于，所述偏振光波的光偏振方向与所述水滴型尾部的方向一致。
4.一种如权利要求1所述的纳米颗粒运输器件用于颗粒捕获和长距离运输的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：先将纳米颗粒运输器件进行建模，确定三维分解方向；再计算纳米颗粒运输器件在Z方向不同偏振角度下圆偏振的均匀偏振光波照射下在横向切面的激化电场分布图；
步骤2：确定纳米颗粒运输器件的尺寸以及水滴型等离子金纳米结构的具体排布方式；
步骤3：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力；先利用麦克斯韦张量法或者体积法计算线偏振光下光合力在三维方向，即(x,y,z)三个方向上进行三个分力Fx、Fy、Fz的分解，分析三个光分力在水滴型金纳米阵列上方处所受到的光力，得到纳米颗粒的有效捕获范围；
步骤4：根据水滴型等离子金纳米结构的特殊的水滴型结构，以及驱动单元阵列的排布方式，确定运输过程中，光源的偏振旋转角度；
步骤5：计算按照步骤4改变偏振旋转角度的条件下，纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力和运输目标颗粒的能力。
5.根据权利要求4所述的用于颗粒捕获和长距离运输的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力具体为：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的捕获势能；以势能的最后值为能量参考点，将力沿着所需方向一维积分得到势能，当势能大于1KBT，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中；势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中KB为玻尔兹曼常数，T为温度。
6.根据权利要求4所述的用于颗粒捕获和长距离运输的方法，其特征在于，所述步骤4中，所述确定运输过程中，光源的偏振旋转角度具体是通过以下步骤确定的：
通过顺序改变光源的偏振旋转角度，激化水滴型等离子金纳米结构产生不同位置的局部激化场强，从而通过寻址热点来定向运输目标颗粒。
7.根据权利要求4所述的用于颗粒捕获和长距离运输的方法，其特征在于，所述步骤5中，所述纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的能力的计算过程包括：定量分析纳米颗粒运输器件捕获纳米颗粒的捕获势能；以势能的最后值为能量参考点，将力沿着所需方向一维积分得到势能，当势能大于1KBT，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中；势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中KB为玻尔兹曼常数，T为温度。
8.根据权利要求4所述的用于颗粒捕获和长距离运输的方法，其特征在于，所述纳米颗粒运输器件处在水的环境中，其水的折射率为1.33。
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