【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米颗粒捕获，具体涉及一种基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法及装置。
技术介绍
1、精准医疗的关键问题在于如何对不同个体的多种疾病或潜在疾病提供细胞或基因层面快速、高效、准确的筛查。这对于简便、快捷的测试手段与方法提出了更高的要求。
2、芯片实验室作为一项集成了样品制备、生物化学反应、分析、检测等功能的一体化平台技术，受到了来自各个领域，尤其是快速检测领域的重视。为了在微纳空间内实现对样品的上述系列操作，芯片实验室需要解决的关键科学问题之一在于如何实现微纳米尺度颗粒精准和快速捕获及操控。在此背景下，微纳尺度颗粒操控技术得到了广泛深入的研究。目前，已发展的微粒操控技术包括：微针、声学操控、电动驱动、离心力驱动、磁镊和光镊。其中，光镊技术由于非接触和远程操控等优点，被广泛应用于微纳流控芯片、光学印刷和胶体组装等领域。然而，传统光镊技术受到衍射极限的限制，制约了该技术的发展。因此，等离激元光镊技术应运而生。技术利用等离激元材料在特定波长激光辐照下产生等离激元共振现象的特性，大幅增强了局部光学力，展现出了优异性能，具有发展潜力。
3、现有纳米颗粒捕获设备操作复杂、设备昂贵、捕获纳米颗粒种类单一、存在衍射极限，以及对于较小粒径的捕获需要高功率激光器导致目标颗粒温度过高产生热损伤等问题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法及装置。
2、本专利技术采用如下技术方案：
3、
4、步骤1、计算得到不同间距双纳米砖结构在不同入射激光波长和偏振角度下纳米砖结构的吸收截面，获得双纳米砖结构所在微流体室中待检测流体的温度场和流场，以及入射激光经双纳米砖结构散射后的电磁场分布情况；
5、步骤2、根据步骤1得到的电磁场分布计算结果，计算纳米颗粒受到的光学力；根据步骤1得到的流场分布，计算纳米颗粒受到的斯托克斯阻力，所述斯托克斯阻力是热泳力和热渗透力；将光学力与斯托克斯阻力相加计算出纳米颗粒所受合力；
6、步骤3、通过纳米颗粒所受合力计算捕获效率，确定最优的纳米颗粒捕获参数，进而实现对不同粒径纳米颗粒的捕获。
7、进一步地，所述步骤1中计算得到入射激光经双纳米砖结构散射后的电磁场分布情况，具体过程为：
8、利用有限时域差分法计算得到：
9、
10、
11、式中，e为电场强度；h为磁场强度，b为磁感应强度，对式(1)和式(2)的求解，在yee网格上离散，yee网格中电场与磁场交叉放置，在计算的过程中通过前一个时刻的电磁场计算出后一个时刻的电磁场分布，最终模拟出整个电磁场分布；
12、入射激光的波矢可由下式表示：
13、
14、式中k1为光在介质中传播的波数，φ1和θ1分别为入射光的方位角和极角，对于沿着z轴方向入射的激光，其电磁波可以表示为：
15、e0＝e0 exp(-i(kxx+kyy))(-sinφ1,cosφ1,0) (4)
16、式中e0为电场振幅，kx为x方向波数，ky为y方向波数，电场振幅与光源强度有如下关系：
17、
18、式中i为激光强度，c为光速，c＝3×108m/s，n为介质中折射率。
19、进一步地，所述步骤1中计算得到双纳米砖结构所在微流体室中待检测流体的温度场和流场，具体过程为：
20、纳米结构接受激光的辐照会吸收光能将其转化为热能，吸收截面cabs代表纳米结构对光吸收强弱的物理量，对于纳米结构其吸收截面与纳米结构的介电常数虚部和散射后的电场分布有关：
21、
22、式中k1为待检测流体的波数，k1＝2πnw/λ0＝nwω/c，nw为待检测流体的折射率，λ0为入射激光波长，ω为入射激光频率，ε为金属的相对介电常数，e0为入射激光的电场分布，e(r)为散射后纳米颗粒内的电场分布；纳米结构的产热量正比于吸收截面：
23、
24、结合式(6)和式(7)得到热源q：
25、
26、热源密度q(r)代表纳米结构内单位体积的热源大小：
27、
28、纳米结构接受激光的辐照后会产生热量，该部分热量会向周围介质传递，热扩散方程如下，采用有限元法计算温度场和流场：
29、
30、式中ρl，cpl和kl分别是密度、比热和导热系数，t为温度；
31、热泳迁移速度与温度梯度成反比：
32、
33、式中为滑移速度，dt热泳系数，dt取2.77×10-12m2/(s·k)；
34、热渗透由固液交界面的温度梯度引起，沿壁面切向方向温度梯度产生了滑移速度，在空间内形成环状流动，滑移速度如下式所示：
35、
36、式中为滑移速度，为固液界面切向单位向量，χ为热渗透系数，取1.8×10-10m2/s。
37、进一步地，步骤2中，所述计算纳米颗粒受到的光学力，具体过程为：
38、根据步骤1中电磁场分布的计算结果，定义电磁场中的麦克斯韦张量，在受力物体表面积分即可以得到纳米颗粒受到的光学力大小，应力张量在时谐场中应力张量的时间平均形式为：
39、
40、将时间平均应力张量对纳米颗粒表面的面积分即可得到纳米颗粒所受的光学力：
41、
42、式中fopt代表纳米颗粒受到的光学力。
43、进一步地，步骤2中，所述计算纳米颗粒受到的斯托克斯阻力，具体过程为：
44、根据步骤1中温度场分布的计算结果，计算纳米颗粒受到的斯托克斯阻力：
45、fi＝6πηuir (15)
46、式中，r为纳米颗粒半径，η为待检测流体的粘滞系数，ui为i方向上纳米颗粒相对待检测流体的速度或迁移速度，fi为i方向上纳米颗粒受到的热泳力和热渗透力，即纳米颗粒受到的斯托克斯阻力。
47、进一步地，步骤3中，所述通过纳米颗粒所受合力计算捕获效率，确定最优的纳米颗粒捕获参数，进而实现对不同粒径纳米颗粒的捕获，具体过程为：
48、做布朗运动的颗粒其运动方程由郎之万方程来描述：
49、
50、式中x(t)代表t时刻颗粒的位置，γ是摩擦系数，γ＝6πηr，η是待检测流体的动力粘度，r是纳米颗粒半径，k是势阱刚度系数，式中四项从左到右依次表示惯性项、摩擦项、恢复力项和噪音项；其中噪音项表示与颗粒相邻的流体分子的随机脉动引起的波动力，其中wi是平均值为0，方差为1的高斯分布随机数，△t是离散的时间步长；由于颗粒的质量很小，故忽略惯性项；恢复力项将其等效成合力项f：
51、
52、利用随机欧拉法求解随机常微分方程：
53、
54、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，是按以下步骤进行的：
2.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，所述步骤1中计算得到入射激光经双纳米砖结构散射后的电磁场分布情况，具体过程为：
3.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，所述步骤1中计算得到双纳米砖结构所在微流体室中待检测流体的温度场和流场，具体过程为：
4.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，步骤2中，所述计算纳米颗粒受到的光学力，具体过程为：
5.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，步骤2中，所述计算纳米颗粒受到的斯托克斯阻力，具体过程为：
6.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，步骤3中，所述通过纳米颗粒所受合力计算捕获效率，确定最优的纳米颗粒捕获参数，进而实现对不同粒径纳米颗粒的捕获，具体过程为：
7.一种基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获装置，其特征在
8.根据权利要求7所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获装置，其特征在于，所述微流体室为封闭长方体容器，微流体室长度范围为1100nm～2000nm，宽度范围为700nm～1500nm，高度范围为100nm～500nm。
9.根据权利要求7所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获装置，其特征在于，所述纳米砖的长度范围为100nm～500nm，宽度范围为100nm～300nm，高度范围为10nm～80nm.两块纳米砖间距的范围为10nm～70nm，纳米砖的材料为金或银。
10.根据权利要求7所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获装置，其特征在于，所述激光器发射的入射激光波长范围是300nm～1400nm，偏振角度为0～90度，入射光强为1×109～9×109W/m2。
...【技术特征摘要】
1.一种基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，是按以下步骤进行的：
2.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，所述步骤1中计算得到入射激光经双纳米砖结构散射后的电磁场分布情况，具体过程为：
3.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，所述步骤1中计算得到双纳米砖结构所在微流体室中待检测流体的温度场和流场，具体过程为：
4.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，步骤2中，所述计算纳米颗粒受到的光学力，具体过程为：
5.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，步骤2中，所述计算纳米颗粒受到的斯托克斯阻力，具体过程为：
6.根据权利要求1所述的基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获方法，其特征在于，步骤3中，所述通过纳米颗粒所受合力计算捕获效率，确定最优的纳米颗粒捕获参数，进而实现对不同粒径纳米颗粒的捕获，具体过程为：
7.一种基于等离激元纳米结构的纳米颗粒捕获装置，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：任亚涛，冀禹昆，高包海，何明键，齐宏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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