基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置、系统及方法制造方法及图纸

公开了基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置、等离激元镊系统及其等离激元镊操作方法，可调谐等离激元镊装置中，中间层层叠于所述基层上，上层层叠于所述中间层上，其包括周期性槽阵列；等离激元系统包括太赫兹产生模块、传输与聚焦模块、捕获与观测模块以及探测及后处理模块组成；等离激元镊操作方法包括以下步骤，辐射太赫兹电磁波于所述可调谐等离激元镊装置，槽的几何结构和/或尺寸使得太赫兹电磁波局域聚焦在槽的内部以在所述槽内部形成三维势阱力，待捕获对象经由所述三维势阱力捕获于所述槽中。

Device, system and method of tunable plasmon tweezers based on terahertz band

【技术实现步骤摘要】
基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置、系统及方法
本专利技术涉及光镊
，特别是一种基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置、等离激元镊系统及其等离激元镊操作方法。
技术介绍
光镊是一种用光捕获物体的技术。它利用光行成三维势阱去束缚物体，然后通过移动光束实现在微纳米尺度操纵物体。由于光镊可以高精度、非接触地捕获和操控微粒，不会对微粒造成机械损伤，也不会对微粒周围的环境造成影响，因此其在细胞操纵、病毒检验以及生物分子传感等生物医学领域具有引人注目的应用前景。激光光镊技术通常利用高数值孔径物镜对入射激光进行聚焦，形成一束高度汇聚的激光进而在焦点处形成三维势阱，实现对微粒的捕获和操控。如果微粒在激光焦点附近，照射在微粒上的激光因为反射和折射会给微粒一个指向焦点的力，将微粒捕获在焦点处，一旦微粒偏离这个“陷阱”中的能量最低点(即位置的稳定点)，就会受到指向稳定点的恢复力作用，好像掉进了一个无法摆脱的“陷阱”一般。如果移动聚焦光斑，微粒也会随之移动，因此便实现对微粒的捕获和操控。由于激光光镊可以非接触，高精度地操纵微粒，不会对微粒产生机械损伤，并且它产生的皮牛(PN)数量级的力适合于生物细胞、亚细胞以及原子物理的研究。但传统激光光镊技术也存在许多局限性与难点：(1)受光衍射极限λ/2的影响，激光聚焦光斑的尺寸被限制在微米量级，激光光镊技术可以稳定捕获的微粒尺寸也被限制在在微米量级，无法实现对纳米尺寸颗粒的捕获；(2)激光焦点处光强太强，被捕获微粒能承受的照射时间有限，无法满足生物学领域研究的要求；(3)难以实现选择性捕获；(4)体积大，结构复杂。综上所述，由于传统激光光镊技术采用高度汇聚的激光行成三维势阱，被捕获的微粒难以在长时间内承受激光焦点处过强的光强，并且捕获微粒的大小受限于衍射极限，难以满足生物医学领域对活体细胞，纳米尺度生物大分子和病毒等生物样本的研究需求。目前而言，大部分生物分子的检测，使用的都是标记传感器。这种传感器在识别生物分子前，需要对样本进行修饰或其他前处理，比如，对样本进行荧光标记、放射性核素标记以及各种酶标记等。标记过程不仅极其复杂且耗时长，而且可能会对生物样本的原有性质有所影响，限制了这些检测手段的检测精度和应用范围。此外，在生物分子检测中，常常需要在样本浓度很低甚至单分子的情况下实现生物样本(生物大分子或微生物)的检测，这就需要生物传感器具有较高的灵敏度和准确度。然而，传统激光光镊有限的捕获区域，并不适合用于开发高灵敏度生物分子传感器。超材料等离激元镊利用超材料在电磁波的辐射下会产生表面等离激元这一性质，在超材料表面附近激发很强的局域电场强度，从而获得较强的势阱力，实现对微粒的捕获。由于摆脱了传统激光光镊技术存在的缺陷，超材料等离激元镊可在纳米尺度捕获与操纵微粒，并具有光强低、体积小和便于集成等优点。通常，超材料等离激元镊通过从超材料的设计参数入手改变其工作频率和局域场场强等性能，从而实现对捕获能力和捕获范围的调控。此时，等离激元镊的结构参数一旦确定，就难以对其性能进行调控，即结构决定功能。因此，目前的超材料等离激元镊仍然存在捕获能力、捕获范围不可调控或结构复杂等问题，难以实现对不同类型生物样本的捕获与操纵。更重要的是，目前的超材料等离激元镊通常工作在可见光、近红外光波段，难以实现对活体生物样本的无损捕获与操纵。例如，可见光波段超材料等离激元镊基于金属层-氧化层-金属层的多层结构周期孔阵列构成，超材料的光学性质受中间层厚度和排布周期等结构参数的影响，其中金属层为等离激元材料。为了让超材料工作在可见光波段，孔阵列的结构参数通过精心设计。当可见光源发出的光通过棱镜激发金属层产生表面等离激元时，超材料的表面会产生较强的瞬逝场，孔阵列结构附近得到比入射光场高几个数量级的电磁场局域场强，从而获得很强的梯度力，实现对纳米量级微粒的捕获与操纵。该可见光波段超材料等离激元镊摆脱了传统激光光镊的局限，并具有体积小、易集成等优点，但存在不可调谐，生物相容性不好等问题，难以实现对不同类型生物样本的无损捕获与操纵。基于液晶材料的可调谐超材料等离激元镊由多层结构组成，通过在金属层-液晶材料层-金属层-氧化层多层结构上，制备具有周期性结构的孔阵列。在光照条件下，利用液晶材料的介电常数和双折射率随外加电场或温度场的变化而变化的特性，实现对等离激元镊势阱力的可调谐性。尽管该超材料等离激元镊能够实现可调谐功能，但依然无法实现对生物样本的无损捕获与操纵，并且存在结构复杂等问题。综上所述，根据构建势阱力的方法不同，目前光镊技术可分为激光光镊技术和基于表面等离激元的超材料等离激元镊技术。激光光镊技术是利用高数值孔径物镜对入射激光进行聚焦，利用光学梯度力在焦点位置处形成三维势阱，实现对微粒的非接触捕获。但是，激光焦点处的光强过强，被捕获微粒能承受的照射时间有限，无法满足生物医学领域对活体生物样本的研究需求。此外，传统激光光镊体积大，结构复杂，可捕获微粒的大小受限于衍射极限，一般处在微米尺度，近一步限制了其在生物医学领域的应用。基于表面等离激元的超材料等离激元镊技术是利用光源发出的光通过棱镜聚焦后激发超材料表面产生等离子体共振，此时超材料表面附近会激发很强的局域场场强，从而获得较强的势阱力，实现对微粒的捕获。相比传统激光光镊技术，超材料等离激元镊突破了衍射极限，可捕获纳米尺度的微粒，并具有体积小、易集成、捕获范围广等优点。由于可见光和近红外光均对活体生物样本具有损伤作用，因此目前常见的可见光、近红外光波段超材料等离激元镊难以实现对生物样本的无损捕获与操纵，并存在捕获能力和捕获范围不可调节或结构复杂等问题。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
鉴于上述问题，提出一种基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置、等离激元镊系统及其等离激元镊方法，利用具有良好生物相容性的太赫兹电磁波作为辐射源，通过控制外场电压实现对入射电磁波响应频率和局域场强度的调节；以克服传统激光光镊，可见光、近红外光波段超材料等离激元镊生物相容性差，不可调谐或结构复杂等问题；实现对不同类型活体生物样本(如细胞、细胞器以及生物大分子)的选择性无损、非电离捕获与操纵，进一步扩展光镊技术在生物医学领域的应用。一种基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置包括，基层，中间层，其层叠于所述基层上，上层，其层叠于所述中间层上，其包括多个槽，槽的几何结构和/或尺寸使得太赫兹电磁波能量局域聚焦在槽的内部以在所述槽内部形成三维势阱力。所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置中，所述中间层为石墨烯层。所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置中，多个槽为周期性槽阵列。所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置中，所述周期性槽阵列包括矩形槽阵列或矩形-领结槽阵列，其中，领结结构包括两个几何参数相等的等腰梯形和一个正方形，等腰梯形的上底与正方形的边长相等，正方形的边长为0-100μm，等腰梯形的下底与矩形的宽度相等。所述的基于太赫兹波段本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置，其包括，/n基层，/n中间层，其层叠于所述基层上，/n上层，其层叠于所述中间层上，其包括多个槽，槽的几何结构和/或尺寸使得太赫兹电磁波能量局域聚焦在槽的内部以在所述槽内部形成三维势阱力。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置，其包括，
基层，
中间层，其层叠于所述基层上，
上层，其层叠于所述中间层上，其包括多个槽，槽的几何结构和/或尺寸使得太赫兹电磁波能量局域聚焦在槽的内部以在所述槽内部形成三维势阱力。


2.如权利要求1所述的，优选的，基于太赫兹波段的可调谐光镊装置，其中，所述中间层设有调节其电磁属性的可变电压场。


3.如权利要求1或2所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置，其中，所述中间层为石墨烯层。


4.如权利要求1所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置，其中，多个槽为周期性槽阵列。


5.如权利要求4所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置，其中，所述周期性槽阵列包括矩形槽阵列或矩形领结槽阵列，其中，领结结构包括两个几何参数相等的等腰梯形和一个正方形，等腰梯形的上底与正方形的边长相等，正方形的边长为0-100μm，等腰梯形的下底与矩形的宽度相等。


6.如权利要求1所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置，其中，矩形槽阵列中，太赫兹电磁波局域聚焦点发生于矩形槽的中心位置，矩形-领...

【专利技术属性】
技术研发人员：张留洋，沈忠磊，陈雪峰，徐亚飞，韩东海，翟智，孙瑜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61