基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置、系统及方法与流程

本发明涉及光镊技术领域，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。

背景技术：

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。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，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。

技术实现要素：

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的可调谐等离激元镊装置中，所述尺寸包括槽的宽度尺寸、长度尺寸以及槽之间的横向间距及纵向间距。

所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置中，基层材料包括二氧化硅、石英或玻璃，上层为金属薄膜层，所述金属薄膜层材料包括金、银、铜或铝。

根据本发明的另一方面，一种等离激元镊系统包括，

太赫兹产生模块，其用于产生太赫兹电磁波，

传输与聚焦模块，其用于连通所述太赫兹产生模块以传输和聚焦太赫兹波，

捕获与观测模块，其用于观察、捕获与操纵生物样本，

探测及后处理模块，其用于对获取的太赫兹反射信号进行处理，提取生物样本的有效特征参量，定量表征生物分子浓度等信息，

所述的可调谐等离激元镊装置，其接收来自传输与聚焦模块的太赫兹波。

根据本发明的又一方面，一种所述基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的等离激元镊操作方法包括以下步骤，

辐射太赫兹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，

待捕获对象经由所述三维势阱力捕获于所述槽中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

太赫兹波(terahertzwaves，thz)，也称作t射线，指频率范围在0.110thz(1thz＝10¹²hz)，波长在3～0.03mm之间的电磁波。由于太赫兹电磁波具有温度低(4.8～478k)、穿透力强以及能量低(1thz＝4.1mev)等特性，其能量远低于原子和分子的电离能，因此不会对生物样本产生光致电离作用并且可以不干扰被研究体系。本发明提出了一种新的超材料等离激元镊——太赫兹波段可调谐等离激元镊，相比于传统的激光光镊，可见光和近红外光波段超材料等离激元镊，太赫兹波段可调谐等离激元镊技术具有更好的生物相容性，不会影响生物样本活性，不会使生物样本产生光致电离，可实现对生物样本的无损、非电离捕获与操纵；相比于已存在的超材料等离激元镊技术，太赫兹波段可调谐等离激元镊可通过控制外场电压调节其捕获范围和捕获能力，实现对不同类型生物样本的选择性捕获与操纵。此外，本发明还具有如下特点：(1)选择性强、灵敏度高：可实现低浓度甚至单分子生物样本的准确选择和捕获；(2)结构简单，操纵简便。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的结构示意图；

图2a是根据本发明一个实施例的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的矩形槽阵列结构示意图；

图2b是根据本发明一个实施例的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的矩形-领结形槽阵列结构示意图；

图3a是根据本发明一个实施例的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的矩形槽等离激元镊微粒捕获位置示意图；

图3b是根据本发明一个实施例的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的矩形-领结形槽等离激元镊微粒捕获位置示意图；

图4是根据本发明一个实施例的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的领结形槽的领结结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的等离激元镊系统的结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的等离激元镊操作方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照图1至图6更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图3b所示，一种基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置包括，

基层4，

中间层3，其层叠于所述基层4上，

上层2，其层叠于所述中间层3上，其包括多个槽1，槽1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1的内部以在所述槽1内部形成三维势阱力。

电磁波局域聚焦是将入射电磁波局域在远小于波长尺度的局域范围内，获得极大增强的局域电场，由于局域增强的电场强度随与聚焦点的间距变大而迅速变小，所以电场梯度较大，而三维势阱力大小正比于电场梯度，从而可增强势阱力。

当频率为0.1-3thz的太赫兹电磁波对等离激元镊进行辐射时，特殊设计的周期性槽1阵列将入射电磁波能量局域聚焦在槽1的内部，局域聚焦位置的电场场强最高点对应势能最低点，即位置稳定点，从而在槽1的内部形成三维势阱力，实现对微粒的捕获。由于太赫兹电磁波局域聚焦形成的势阱在槽1的纵向上以谐振子的形式分布，因此微粒最开始将被捕获于一些特殊的位置上。随着时间的推移，微粒将较为线性地被捕获于槽1的纵向区域。

为了进一步理解本发明，通过以下实施例进一步阐述。

实施例1：本专利应用于医学传统光镊系统时，通过采用特殊设计的太赫兹波段可调谐等离激元镊对低能量太赫兹电磁波进行局域聚焦和增强，进而在槽形阵列周围形成用于捕获生物微粒的三维势阱。此外，根据不同生物样本7吸收不同波长的太赫兹波，因此只需要控制中间层3石墨烯的外场电压，对入射太赫兹电磁波响应频率和电场场强增强大小进行调节，即可达到对等离激元镊捕获范围和捕获能力的调谐，最终实现对不同类型生物样本7(如活体细胞、生物大分子等)的选择性无损、非电离捕获与操纵。

实施例2：通过融合传统的选择性分子传感技术，本发明可用于开发具有高灵敏度的生物分子识别传感器。当被检生物样本7的介电特性发生变化时，太赫兹波透过太赫兹波段超材料的传输特性会随之发生改变，thz探测器通过检测此变化来鉴别被测对象所携带的生物信息。相似地，可通过控制中间层3石墨烯的外场电压，对入射太赫兹电磁波响应频率和电场场强增强大小进行调节，实现对不同生物样本7准确的选择性捕获与检测。作为一种新的生物分子识别技术，基于提出的太赫兹波段可调谐等离激元镊的传感技术，还具有如下特点：(1)无标记检测：不需要对样品进行预先标记或其他预处理，大大节约了时间；(2)检测精度高：生物样品没有受其他物质影响而改变原先性质，所以测试结果较为准确；(3)检测灵敏度高：相比传统的激光光镊，提出的等离激元镊具有更宽的捕获区域，因此可实现微量样品检测；此外，由于大部分生物大分子的自然振动能级均处在太赫兹波段。太赫兹波的低光子能量特性能激发出生物分子的集体振荡模式，提高生物分子在空间中的密度，从而进一步提高生物分子探测的灵敏度。

在一个实施例中，基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置由上层金属薄膜、中间层石墨烯以及底部基底材料三层结构组成。上层金属薄膜材料包括金、银、铜或铝；中间层3为单层石墨烯；基底材料包括二氧化硅、石英或玻璃。其中，上层金属薄膜上布置有周期性结构的槽1阵列，周期性槽阵列形状包括矩形或矩形-领结形。基层4主要用于支撑石墨烯层和金属层，且二氧化硅、石英或玻璃在太赫兹波段的性质比较稳定，避免受电磁波的影响。

所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的优选实施例中，所述中间层3为石墨烯层。

在超材料与衬底材料接触的表面磁场强度可以增强1000倍以上。一方面，超材料的结构形式和结构参数会对太赫兹电磁波局域场增强效率产生较大的影响。另一方面，太赫兹电磁波局域场增强效率还受衬底材料的电磁属性影响，衬底材料的电磁属性不同，入射电磁波的响应频率、局域场的场强都会发生相应的改变。石墨烯作为一种具有优异光电性能的二维材料，对电磁波几乎是完全透明的，仅吸收2.3％的电磁波，具有较低的损耗。此外，石墨烯具有特殊的动态可调电学性质，其介电常数大小在不同电压下会发生变化。由于周期性槽1阵列对于衬底材料的电磁属性极为敏感，因此只需要通过控制电压即可改变中间层3石墨烯衬底材料的电磁属性，进而调节入射太赫兹电磁波的响应频率和局域场的强度，以实现对不同类型生物样本7的准确选择、捕获与操纵。

所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的优选实施例中，多个槽1为周期性槽1阵列。

所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的优选实施例中，所述周期性槽1阵列包括矩形槽阵列或矩形-领结槽1阵列。如图4所示，在一个实施例中，矩形-领结形是在矩形的中心位置设计有一个领结形结构，领结形结构包括两个几何参数相等的等腰梯形和一个正方形组成，等腰梯形的上底与正方形的边长相等，正方形的边长b为0-100μm，等腰梯形的下底与矩形的宽度相等。为了实现对微粒的捕获，太赫兹电磁波需要被聚焦到微粒尺寸大小的局部区域，以便等离子共振能发生，因此槽1的结构参数需要根据捕获微粒进行设计。矩形槽1、矩形-领结形槽1的长度1设计范围为10μm-1mm，宽度w设计范围为500nm-10μm，相邻两个槽1横向间距d1和纵向间距d2设计范围为10μm-1mm。

所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的优选实施例中，矩形槽阵列5中，太赫兹电磁波局域聚焦点发生于矩形槽1的中心位置，矩形-领结形槽阵列6中，太赫兹电磁波局域聚焦点发生于由领结结构分隔开来的两个矩形槽1的中心位置。如图3a至图3b所示，对于矩形槽1型超材料等离激元镊，太赫兹电磁波局域聚焦点发生于矩形槽1的中心位置；对于矩形-领结形槽1型超材料等离激元镊，由于领结形结构的存在，因此太赫兹电磁波的局域聚焦点不发生于矩形-领结形槽的中心位置，而是发生于由领结结构分隔开来的两个矩形槽的中心位置。因此，对于矩形槽1型超材料等离激元镊，微粒最开始被捕获于槽1的中心位置；而对于矩形-领结槽1型超材料等离激元镊，微粒最开始被捕获于由领结结构分隔开来的两个矩形槽的中心位置。随着时间的推移，对于两种结构形式的超材料等离激元镊，微粒都将较为线性地被捕获于槽1的纵向区域。但是，对于矩形-领结槽1型超材料等离激元镊，领结形成的位置不可能被捕获微粒，因为这个区域为势能最高点。相比与传统激光光镊，该等离激元镊具有更宽的捕获区域，因此可提高其在生物分子传感领域应用的可能性。

所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的优选实施例中，所述尺寸包括槽1的宽度尺寸、长度尺寸以及槽1之间的横向间距及纵向间距。

所述的基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的优选实施例中，基层4材料包括二氧化硅、石英或玻璃，上层2为金属薄膜层，所述金属薄膜层材料包括金、银、铜或铝。

根据本发明的另一方面，一种等离激元镊系统包括，

太赫兹产生模块，其用于产生太赫兹电磁波，

传输与聚焦模块，其用于连通所述太赫兹产生模块以传输和聚焦太赫兹波，捕获与观测模块，其用于观察、捕获与操纵生物样本，

探测及后处理模块，其用于对获取的太赫兹反射信号进行处理，提取生物样本的有效特征参量，定量表征生物分子浓度等信息，所述的可调谐等离激元镊装置，其接收来自传输与聚焦模块的太赫兹波。

由于太赫兹波段可调谐超材料等离激元镊具有生物相容性好等特点，因此更适合应用于生物医学领域，如图5所示为基于本专利开发的用于选择性捕获特殊分子的医学光镊系统或生物分子传感系统。该系统由太赫兹产生模块、传输与聚焦模块、捕获与观测模块、探测及后处理模块组成，其整体结构原理图如图5所示。其中，太赫兹产生模块包括太赫兹源等组成，用于产生太赫兹电磁波；传输与聚焦模块由传输光路、抛物面镜、si-bs片以及透镜等组成，用于对太赫兹波的定向传输、反射与聚焦；捕获与观测模块由生物样本7、超材料等离激元镊以及显微镜等组成，用于观察、捕获与操纵生物样本7；探测及后处理模块由thz探测器和计算机等组成，用于对获取的太赫兹反射信号进行处理，提取生物样本7的有效特征参量，定量表征生物分子浓度等信息。

如图6所示，一种所述基于太赫兹波段的可调谐等离激元镊装置的等离激元镊操作方法包括以下步骤，

第一步骤s1，辐射太赫兹波于所述可调谐等离激元镊装置，

第二步骤s2，槽1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1的内部以在所述槽1内部形成三维势阱力，

第三步骤s3，待捕获对象经由所述三维势阱力捕获于所述槽1中。

针对目前传统激光光镊技术和超材料等离激元镊技术生物相容性差、不可调谐或结构复杂等问题，本发明可克服目前光镊生物相容性差的问题，实现对活体生物样本7的无损、非电离捕获与操纵；可通过控制外场电压调节石墨烯衬底材料电磁属性，以对入射太赫兹波的响应频率和局域场的场强进行调控，最终实现对不同类型生物样本7的选择性捕获与操纵，提出的等离激元镊还具有结构简单、操纵简便等优点，可克服目前超材料等离激元镊不可调谐或结构复杂等问题。

工业实用性

本发明所述的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以在光镊领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。