一种基于多层介质膜的微粒操控装置的制作方法

本发明涉及光热操控技术领域，特别涉及一种基于多层介质膜的微粒操控装置。

背景技术：

光热技术以其无创性和易操作，广泛用于光热肿瘤治疗、光热成像、光热增强催化等，受到了越来越多的关注。光热捕获颗粒的机理是在基底的光照区域产生热量，从而具有非常大的温度梯度，诱导热对流、热泳的产生。微粒悬浮液中的温度梯度，可以使微粒向热源移动并且被捕获。上述捕获技术在实际应用中有一定的局限性，其存在的问题为：

1、成本高。比如需要昂贵而复杂的激光系统和光敏基板来加热微流体，这导致了高成本的投入和复杂的实验过程。

2、功能单一。大多数装置使用点光源激光操控微粒，导致微粒在没有额外操控的情况下只能被捕获在一个固定的位置，无法移动微粒到我们所需要的位置。

3、迁移速度慢。多数装置利用热泳法来实现精确的微粒控制。然而，热泳速度通常非常小，而且受激光光斑大小的影响，微粒需要很长的时间向热源移动。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提出了一种基于多层介质膜的微粒操控装置，该装置结构简单，容易制造，其利用了在不同偏振光激发下，介质多层膜电场强度分布不同，可以同时、快速地实现移动和捕获介质微粒。

本发明实现上述目的的技术方案如下：一种基于多层介质膜的微粒操控装置，该装置包括：玻璃基底层1、多层介质膜2、聚苯乙烯微球3、去离子水4和油浸显微物镜10，所述的多层介质膜2沉积在玻璃基底层1上；聚苯乙烯微球3用去离子水4稀释后，滴在多层介质膜2上；te偏振或者tm偏振的线偏振光聚焦在油浸显微物镜10的后焦面上任意一点，经过油浸显微物镜10，形成一束特定角度的平行光以激发多层介质膜2内的模式，对于te、tm偏振，多层介质膜内电场强度分布不同，从而达到聚集和传输聚苯乙烯微球3的目的。

进一步地，所述的多层介质膜2由厚度66nm的高折射率介质si3n4层5和厚度110nm的低折射率介质sio2层6交替组成，顶层sio2层7为缺陷层，一共14层。

进一步地，所述的微粒是直径为2μm、密度为1.05g/cm3的聚苯乙烯微球3。

本发明和现有技术相比的优势为：

1、低成本：仅需要在多层介质膜上滴入含有微粒的去离子水，用物镜收集其白光像即可，无需微流槽或者刻写结构。其结构简单紧凑，造价低廉，且多层介质膜可以重复清洗利用。

2、实用性强：根据实际的需求，可以改变多层介质膜的厚度，实现不同波段、不同工作环境的微粒操控，同时，可以用棱镜激发代替物镜，降低了对光路的要求。

3、功能集成：该装置可以同时实现对微粒的捕获和移动，且操作简单。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于多层介质膜的微粒操控装置的立体结构示意图；

图2为产生平行光的原理示意图；

图3为多层介质膜的电场分布图；其中左图为和右图分别为te、tm偏振的电场强度分布；

图4为利用该装置捕获以及移动的微粒。其中a、b、c、d图为te偏振光在一定时间序列下捕获直径2微米微粒的过程，e、f、g、h图为转换成tm偏振后，被捕获的颗粒在一组时间序列下发生迁移。

图中，1玻璃基底层；2多层介质膜；3聚苯乙烯微球；4去离子水；5高折射率介质si3n4层；6低折射率介质sio2层；7顶层sio2层；8led灯；9基片；10油浸显微物镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1-2所示的一种基于多层介质膜的微粒操控结构，包括：玻璃基底层1、多层介质膜2、聚苯乙烯微球3、去离子水4、led灯8、基片9(多层介质膜2、和玻璃基底层1)、油浸显微物镜10。其中，多层介质膜由厚度66nm高折射率介质si3n4层5和厚度110nm低折射率介质sio2层6交替组成，顶层sio2层7厚220nm。聚苯乙烯微球3的直径是2微米，用去离子水4稀释。聚苯乙烯微球3悬浮在去离子水4中，滴在基片9上，从油浸显微物镜10出射的平行光以角度63°辐射基片9，led灯8提供亮场照明，并用油浸显微物镜10收集光学信号。

参照图3所示，对于te偏振，电场局域在多层介质膜内，在多层介质膜表面产生热量，微粒在热梯度力的作用下，向热源移动，从而实现捕获。对于tm偏振，电场主要局域在多层介质膜和水的分界面，场强随着到表面的距离指数衰减，是倏逝波。倏逝波产生的光力大于多层膜内电场产生的热梯度力，因此，多层膜表面上的微粒在光力的作用下，沿着倏逝波传播方向运动，从而实现微粒移动。

参照图4所示，为利用该装置操控的微粒(直径2μm)。平行光以63°辐照样品，舜逝波的方向如箭头所示垂直向上。在te偏振时，微粒被很快地捕获到光斑中心，转换成tm偏振后，微粒迅速离开光斑中心向上移动。从而实现了对微粒的操控。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于多层介质膜的微粒操控装置，包括玻璃基底层(1)、多层介质膜(2)、聚苯乙烯微球(3)、去离子水(4)和油浸显微物镜(10)，所述的多层介质膜(2)沉积在玻璃基底层(1)上；聚苯乙烯微球(3)用去离子水(4)稀释后，滴在多层介质膜(2)上；TE偏振或者TM偏振的线偏振光聚焦在油浸显微物镜(10)的后焦面上任意一点，经过油浸显微物镜(10)，形成一束特定角度的平行光以激发多层介质膜(2)内的模式，对于TE、TM偏振，多层介质膜内电场强度分布不同，从而达到聚集和传输聚苯乙烯微球(3)的目的。该装置首次利用介质多层膜实现了微粒的捕获，同时可以转换偏振实现微粒移动，结构简单、实用性强。

技术研发人员：陆凤雅;张斗国
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2019.09.04
技术公布日：2019.11.12