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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。颗粒实现高操作性的运输。颗粒实现高操作性的运输。

【技术实现步骤摘要】
纳米颗粒运输器件及用于颗粒捕获和长距离运输的方法


[0001]本专利技术涉及光操纵
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]鉴于目前存在的上述不足，本专利技术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，本专利技术与传统的方案不同，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。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术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；
[0006]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。
[0007]依照本专利技术的一个方面，所述偏振光波的入射方向垂直所述二氧化硅基底设置。
[0008]依照本专利技术的一个方面，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。
[0009]基于同一专利技术构思，本专利技术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：
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]依照本专利技术的一个方面，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1K
B
T，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K
B
为玻尔兹曼常数，T为温度。
[0016]依照本专利技术的一个方面，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：
[0017]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。
[0018]依照本专利技术的一个方面，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1K
B
T，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K
B
为玻尔兹曼常数，T为温
度。
[0019]依照本专利技术的一个方面，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。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)本专利技术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；
[0022](2)本专利技术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。
[0023](3)本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊莎，李斌杰，甘润菊，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：