利用飞秒激光对磁性纳米粒子进行光动力组装的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，属于激光微纳米加工技术领域，具体步骤为：(1)、基底清洗；(2)、建立飞秒激光焦点的运动轨迹；(3)、利用飞秒激光直写系统对磁性纳米粒子进行光动力组装。可将磁性纳米粒子组装成任意图案，并集成至任何材料表面和任何活体生物体，具有高度可控性和高分辨率的、无接触和无破坏性的增材加工特性。本发明专利技术还提供了利用飞秒激光对磁性纳米粒子进行光动力组装在磁驱动方面的应用，即先将磁性纳米粒子集成至微纳器件(微型涡轮)或活体生物体(水蚤)表面形成磁性模块，然后用外磁场对器件或生物体进行驱动，最终可实现对其运动方向、形式和轨迹的精确控制。

Method and application of femtosecond laser for photodynamic assembly of magnetic nanoparticles

The invention discloses a method for using femtosecond laser photodynamic assembly of magnetic nanoparticles, which belongs to the laser micro nano processing technology field, which comprises the following steps: (1), substrate cleaning; (2), trajectory of the femtosecond laser focus; (3), photodynamic assembly of magnetic nanoparticles using femtosecond laser direct writing system. Magnetic nanoparticles can be assembled into any pattern and integrated into any material surface and any living organism, with highly controllable and high resolution, non-contact and nondestructive material processing characteristics. The invention also provides the use of femtosecond laser photodynamic on magnetic nanoparticles used in magnetic drive, namely the first magnetic nanoparticles integrated into micro nano devices (micro turbine) or living organisms (Daphnia) formed on the surface of the magnetic module, and then use the external magnetic field on the device or biological drive, can realize the precise control of the final the direction of movement, form and track.

【技术实现步骤摘要】
利用飞秒激光对磁性纳米粒子进行光动力组装的方法及应用
本专利技术属于激光微纳米加工
，具体涉及利用飞秒激光的实现磁性纳米粒子的光动力组装的方法，及将其集成到材料表面或生物体中，形成磁性模块并实现磁驱动的应用。技术背景随着纳米技术的飞速发展，将各种功能性(金属粒子、磁性粒子、量子点等)的纳米粒子(1-50nm)组装并集成到微纳器件或生物体中已成为微纳加工的重要环节。依靠传统的自组装方法很难实现对纳米粒子行为的精确控制，包括将其分离、定位、聚集和组装等。随后，人们提出了化学组装、生物模板组装和外置电磁场力组装等方法。化学组装主要以共价键、静电吸引和分子间范德华力这三种作用力作为组装动力。其弊端在于，需要相当复杂的化学修饰来调配上述三种作用力，且难以实现对粒子行为的精确操控。生物模板组装主要是利用DNA、蛋白质和病毒等生物材料进行组装。通过控制这些生物模板的尺寸和机械性能，目前已广泛用于对溶胶状态下的纳米粒子的组装。但是，生物模板受到其组装原理的限制，无法用于溶胶状态以外的组装环境。而通过引入外场来施加静电力或磁场力，也可以对纳米粒子进行组装。然而，由于很难将引入的电磁场限域在纳米尺度，导致这种组装的分辨率极低。此外，一些半导体工艺中的流行技术也被应用于纳米粒子的组装，例如光刻、纳米压印等。这类技术除了工艺复杂之外，还必须依赖于高度平整、光滑的组装表面，为其应用带来了很大的限制。由此可见，寻找一种同时具备高度限域性和高度可控性的组装动力，是解决这一问题的关键。而飞秒激光由于其超高能量的脉冲具有“光镊”效应，恰恰能够提供这样一种组装动力。具体地，激光焦点处的电磁场呈现稳态的势阱分布，而纳米粒子被此处的电磁场极化后即受到洛伦兹力作用，最终被束缚在势阱底部并随着激光束的移动而移动。同时，现有的飞秒激光技术能够灵活的调控激光波长、相位、功率等几乎所有的相关光学参数，保证了对上述洛伦兹力的精准控制。因此，飞秒激光可以实现对纳米粒子行为的精确控制，是一种理想的、无接触和无破坏的组装手段。据此，人们已经利用飞秒激光尝试了对金属纳米粒子和量子点进行光动力组装，但是目前还未实现过任何氧化物粒子的组装。而且，之前的组装技术仅能在玻璃这种平面基底上实现，在加工基底的选择和器件兼容性方面具有很大的局限性。
技术实现思路
为了解决上述纳米粒子组装方面的技术难题，本专利技术提出了一种利用飞秒激光的光动力组装和集成磁性纳米粒子的方法。即利用飞秒激光的“光镊”效应，实现对尺度在4-45nm范围内的磁性纳米粒子进行精准定位、移动和聚集；进一步地，利用这种组装的高度可控性和高空间分辨率，可以通过激光扫描将磁性纳米粒子实现任意设计的图案绘制。在集成方面，由于光动力组装的电磁力本质和高度可控性，完全不受目标集成表面的限制，可将磁性纳米粒子集成至多种材料和任意形貌的表面。一种利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，具体步骤如下：(1)、基底清洗；(2)、建立飞秒激光焦点的运动轨迹；(3)、利用飞秒激光直写系统对磁性纳米粒子进行光动力组装。进一步地，步骤(1)中所述的基底为无机物材料(玻璃、金属、硅等)、聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS))、负性光敏树脂(聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA))或活体生物体。进一步地，所述的基底为无机物材料时，清洗步骤为：将基底依次置于丙酮、乙醇、去离子水三种环境下进行超声清洗，各清洗一次，清洗时间均为30min，随后在氮气流下吹干待用；基底为聚合物时，由于此类基底可溶于上述清洗所用的有机溶剂，所以其清洁步骤为：使用3M胶带清洁其表面，以粘掉表面沉积的灰尘、杂质等；基底为负性光敏树脂时，无需清洗步骤，只需在显影、吹干后尽快使用，以免表面污染；基底为活体生物体时，需要用去离子水进行多次(10次以上)冲洗，随后浸泡在去离子水中待用。进一步地，步骤(2)所述的建立飞秒激光焦点的运动轨迹，具体为使用MATLAB、VisualBasic或C语言，依据待加工基底的具体形貌和加工目标图案，按照点点扫描的方式，建立飞秒激光焦点的运动轨迹，即一组与目标图案对应的空间点阵的坐标序列。进一步地，所述的空间点阵的坐标序列的点点间距为10-50nm。进一步地，步骤(3)所述的利用飞秒激光直写系统对磁性纳米粒子进行光动力组装，具体步骤为：首先，将基底浸没在磁性纳米粒子溶液中，用60-100倍的数值孔径为1.25-1.40的油浸物镜，将飞秒激光聚焦在待加工基底与磁性纳米粒子溶液界面处；其次，将步骤(2)中建立的飞秒激光焦点的运动轨迹预先导入到飞秒激光直写系统的控制电脑中，在基底上根据步骤(2)建立的飞秒激光焦点的运动轨迹和待加工基底的表面形貌选择加工的初始位置，在VisualBasic软件控制下用飞秒激光进行逐点扫描，按照预设的运动轨迹对磁性纳米粒子进行扫描加工；扫描完毕后，使用超纯水冲洗基底若干次，直至完全去除磁性纳米粒子；最后，在氮气环境下吹干基底，即完成飞秒激光对磁性纳米粒子的光动力组装。而组装完毕的这一具有磁性响应的区域，即形成一个可驱动的磁性模块。进一步地，所述的磁性纳米粒子为γ-Fe2O3磁性纳米粒子，所述的γ-Fe2O3磁性纳米粒子需预先配置成溶液，扫描时需将基底置于此溶液中，γ-Fe2O3磁性纳米粒子溶液的具体配置方法为：在氮气气氛下，先将FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O以1:2的摩尔比在去氧水中溶解混合，同时用磁控搅拌仪进行搅拌；待其充分溶解后，将NH3·H2O(6-10.5mL)加入上述混合溶液，同时去掉氮气气氛，并继续搅拌1-4小时，最终获得γ-Fe2O3磁性纳米粒子的水溶液，所配磁性纳米粒子溶液的浓度为0.5-1M。进一步地，所用飞秒激光的脉冲波长为650-1000nm，脉冲宽度100-200fs，所述的磁性纳米粒子的直径为4-45nm。本专利技术还提供了利用飞秒激光对磁性纳米粒子进行光动力组装在磁驱动方面的应用，即先将磁性纳米粒子集成至微纳器件(微型涡轮)或活体生物体(水蚤)表面形成磁性模块，然后用外磁场对器件或生物体进行驱动，最终可实现对其运动方向、形式和轨迹的精确控制。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：在磁性纳米粒子的集成方面：1、本专利技术提出的飞秒激光的光动力组装，是一种无接触、无污染、无破坏性的组装；2、适用于多种材料表面，可兼容多种仪器；3、具有高度的可控性(扫描精度20nm)、较高的空间分辨率(820nm)和高度的图案化水平；在磁驱动方面：1、提出了一种具有普适性的磁驱动方法，适用于多种器件和多种活体生物体；2、集成磁性模块和驱动的过程对器件/活体生物体无任何损害，且生物体在集成和驱动操作后仍可维持一切正常生命体征。附图说明图1为利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的扫描电镜图；其中，图1a为实施例1的飞秒激光焦点的运动轨迹，图1b为实施例2的飞秒激光焦点的运动轨迹；图2为利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的线宽(即分辨率)随激光功率变化的控制曲线，即线宽W对激光功率P的依赖关系；其中，插入图为曲线中各点线宽值对应的实物线条的扫描电镜照片；图3为实施例3利用飞秒激光在微型涡轮中集成磁性模块的示意图；图4为实施例3利用飞秒激光在微型涡轮中集成磁性模块的扫描电镜照片；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)、基底清洗；(2)、建立飞秒激光焦点的运动轨迹；(3)、利用飞秒激光直写系统对磁性纳米粒子进行光动力组装。

【技术特征摘要】
1.利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)、基底清洗；(2)、建立飞秒激光焦点的运动轨迹；(3)、利用飞秒激光直写系统对磁性纳米粒子进行光动力组装。2.如权利要求1所述的利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的基底为无机物材料、聚合物、负性光敏树脂或活体生物体。3.如权利要求2所述的利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，其特征在于，所述的基底为无机物材料时，清洗步骤为：将基底依次置于丙酮、乙醇、去离子水三种环境下进行超声清洗，各清洗一次，清洗时间均为30min，随后在氮气流下吹干待用；基底为聚合物时，清洁步骤为：使用3M胶带清洁其表面，以粘掉表面沉积的灰尘或杂质；基底为负性光敏树脂时，在显影、吹干后使用；基底为活体生物体时，需要用去离子水进行10次以上冲洗，随后浸泡在去离子水中待用。4.如权利要求1所述的利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，其特征在于，步骤(2)所述的建立飞秒激光焦点的运动轨迹，具体为使用MATLAB、VisualBasic或C语言，依据待加工基底的具体形貌和加工目标图案，按照点点扫描的方式，建立飞秒激光焦点的运动轨迹，即一组与目标图案对应的空间点阵的坐标序列。5.如权利要求5所述的利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，其特征在于，所述的空间点阵的坐标序列的点点间距为10-50nm。6.如权利要求1所述的利用飞秒激光的光动力组装磁性纳米粒子的方法，其特征在于，步骤(3)所述的利用飞秒激光直写系统对磁性纳米粒子进行光动力组装，具体步骤为：首先，将基底浸没在磁性纳米粒子...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，张永来，王欢，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22