一种高效样品微粒汇集装置及光学汇集方法

摘要

本发明公开了一种高效样品微粒汇集装置及光学汇集方法。利用汇集装置的硅圆环(1)，通过调整入射光波长控制硅圆环(1)内激发出的谐振在产生谐振的硅圆环(1)中，光强分布呈现亚波长强局域特性，且局域位置与波长无关，只与孔(2)的周期分布有关；N个周期分布的孔(2)分布可形成周期分布的势阱并稳定捕获微粒。本发明为了克服现有技术对低浓度微粒的捕获难度较大的问题。

说明书

技术领域

本申请涉及微纳光子学领域，具体地涉及一种高效样品微粒汇集装置及光学汇集方法。

背景技术

自A.Ashkin于1986年利用高度聚焦的激光束产生的光场梯度力对单细胞进行非接触性捕获及无损活体操纵单细胞，光镊(Optical Tweezers)就被当作生物、物理及化学等学科的有力研究工具。光束中的微粒可以吸收以及散射光子，于是光子动量传递微粒，从而产生力的作用，微粒在光力的作用下被拉向光强最强的区域。传统光镊系统打开了精确研究细胞功能的大门，而基于微纳光子晶体结构的纳米位移光镊将可操纵对象的尺度及操控定位达到纳米量级。正因为光镊可对多个微粒进行复杂操控的特点，生命科学研究也成为了光镊技术的一个重要应用领域。随着进一步发展，纳米光镊的特有功能可以衍生到对生物大分子的精细操作、分子水平识别以及对疾病的早期诊断等方面的研究。

对于低浓度的细胞或者病毒而言，由于在显微物镜的视场中不易找到样品，从而无法进行高效的光捕获，因而实现纳米光镊对低浓度活细胞及微粒的汇聚作用对于至关重要，关乎在生物医学方面的纳米光镊应用前景。

目前，可以结合光梯度力和热梯度的结合来实现长矩捕获以及汇集，然而，这种机制不能有效应用在光热效应可忽略的电介质捕获系统中。在不考虑光热效应的微流体及声流体捕获系统中，可以汇集低浓度微粒，但在这些系统中，粒子处理是在一维通道中进行，效率不高。

发明内容

本发明提供一种高效样品微粒汇集及光学汇集方法，本发明为了克服现有技术对低浓度微粒的捕获难度较大的问题；利用一种同心环形谐振腔阵列实现高效率的微粒汇聚的方法，在不受到聚焦光斑面积限制的情况下实现低浓度微粒精确稳定的汇集。该方法具有汇聚周期短，汇聚效率高等优点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高效样品微粒汇集装置，所述汇集装置包括M个硅圆环1，所述M个硅圆环1同心设置，每个所述硅圆环1上设置N个周期分布的孔2；

每个所述硅圆环1之间的距离为g，所述相邻两个孔2之间的距离为a，所述孔2半径为r

一种高效样品微粒汇集的光学汇集方法，所述光学汇集方法为，利用汇集装置的硅圆环1，通过调整入射光波长控制硅圆环1内激发出的谐振在产生谐振的硅圆环1中，光强分布呈现亚波长强局域特性，且局域位置与波长无关，只与孔 2的周期分布有关；N个周期分布的孔2分布可形成周期分布的势阱并稳定捕获微粒。

进一步的，所述硅圆环1通过调整其上相邻孔2的弧长间距，实现相应的共振波长的红移或者蓝移。

进一步的，在相邻的硅圆环1上，被捕获的微粒所受势阱有相互重叠的区域；调节入射光波长，微粒从外侧的环输运到相邻的内侧环；继续扫描入射光波长，实现微粒从最外侧环到最内侧环的汇聚。

进一步的，所述共振波长与两孔间弧长间矩a的关系是2n

计算微粒所受的光力，入射光是光辐射强度为3mW/μm

其中

式中，H为磁感应强度，E为电场强度，

本发明的有益效果是：

本发明的实现了纳米光镊对低浓度微粒收集及捕获，同时具有汇聚周期短，汇聚效率高的优点。可用于低浓度的细胞或者病毒等生物大分子的精细操作、分子水平识别以及对疾病的早期诊断等方面的研究。

附图说明

图1是本发明提供的同心圆环阵列结构示意图。

图2是本发明图1的局部放大示意图。

图3是本发明提供的同心环形谐振腔阵列结构中某一环的共振信息示意图，其中，(a)表示单环的结构以及参数，内外径分别是r1和r2。孔的半径rh，两孔的弧长间距为a，(b)表示环半径不同时(R1，R2和R3)对应的三个弧长间距a(a1＝382nm，a2＝377nm，a3＝373nm)的吸收光谱，(c)表示环上表面的归一化光场，局域场在孔附近有明显增强效果，(d)表示环形波导的有效折射率随波长的变化，其中空心标记点为软件模拟结果，拟合后满足 n

图4是本发明提供的同心环形谐振腔阵列结构中某一单环的上微粒的受力及势阱；其中(a)表示微粒所受的径向光力随位置的变化，(b)表示径向的势阱分布，(c)表示微粒在竖直方向所受光力的变化，(d)表示竖直方向的势阱分布，(e)表示微粒在角向所受光力的变化，(f)表示角向的势阱分布。

图5是本发明提供的环形阵列的光学收集过程示意图；其中(a)表示微粒被第一个硅圆环所捕获，(b)表示该微粒被转移到第二个环上，(c)表示该微粒被转移到第三个环上，(d)表示三个不同入射波长时微粒所受径向光力的不同，(e)表示三个不同入射波长时微粒所受到的光势阱。

图6本发明提供的同心环形谐振腔阵列对粒子的动态收集过程中粒子位置变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高效样品微粒汇集装置，所述汇集装置包括M个硅圆环1，所述M个硅圆环1同心设置，每个所述硅圆环1上设置N个周期分布的孔2；

每个所述硅圆环1之间的距离为g，所述相邻两个孔2之间的距离为a，所述孔2半径为r

一种高效样品微粒汇集的光学汇集方法，所述光学汇集方法为，利用汇集装置的硅圆环1，通过调整入射光波长控制硅圆环1内激发出的谐振在产生谐振的硅圆环1中，光强分布呈现亚波长强局域特性，且局域位置与波长无关，只与孔 2的周期分布有关；N个周期分布的孔2分布可形成周期分布的势阱并稳定捕获微粒。这一光场分布特性能够天然的形成对纳米颗粒的高效率捕获。

利用具有周期分布的孔的环形谐振腔，通过优化孔的分布周期和半径，提高粒子捕获效率。调节入射光的波长，实现被捕获的微粒将从最外侧的环转移到相邻的内侧环。连续扫描入射光波长，实现微粒从最外侧到最内侧的汇聚。

进一步的，所述硅圆环1通过调整其上相邻孔2的弧长间距，实现相应的共振波长的红移或者蓝移。

当相邻孔2的弧长间距a，硅圆环1被独立激发，没有串扰。

进一步的，在相邻的硅圆环1上，被捕获的微粒所受势阱有相互重叠的区域；调节入射光波长，微粒从外侧的环输运到相邻的内侧环；继续扫描入射光波长，实现微粒从最外侧环到最内侧环的汇聚。

进一步的，所述共振波长与两孔间弧长间矩a的关系是2n

计算微粒所受的光力，入射光是光辐射强度为3mW/μm

其中

式中，H为磁感应强度，E为电场强度，

实施例2

图1的M个硅环从内到外分别命名从R

首先考虑单个环时的捕获情况。如图3(a)所示。不失一般性，我们采用硅环，放置在二氧化硅的基底上。环的宽度和厚度分别是200nm和220nm，采用这种参数可以保证波导仅有单一模式，单环的内外半径分别是r

利用FDTD方法计算光和器件的相互作用。环内的共振谱如图3(b)所示，其中尖锐的共振峰波长在880nm(仅有一个共振峰，不同于平常的谐振环)。图 3(c)展示了环上表面的强度分布(被入射场强度归一化)，可以清晰地看到环上表面的场增强。因为孔的存在，在孔的附近位置，光强分布有二倍的增强，这也表示在孔的附近，光捕获是有效且稳定的。

当孔的数量是N＝30，内径r

计算微粒所受的光力，入射光是光辐射强度为3mW/μm

其中

以捕获和定位折射率为1.54的聚苯乙烯小球为例，小球半径为100nm，置于环形腔上表面的20nm处，环境温度设置为300K。

沿极坐标系的径向光力(F

实施例3

参见图5和图6。为8个环组成的环形阵列的光学收集过程。为了清楚起见，我们首先计算三个环的微粒的受力及势阱，三个环的中心线半径分别是r

为了进一步说明波长对微粒收集过程的调制。利用Langevin方程模拟微粒的动态收集过程。参见图6，我们假设微粒的初始位置分别接近R

本发明能够实现在微纳尺度内对低浓度微纳粒子的定位汇集，这对微纳光子学，生物医药，化学化工领域的发展十分有利。

首先，本发明借助表面共振场捕获低浓度样品，原则上，收集器的操作区域可以非常大，可以覆盖整个光镊系统，不具备尺度上的限制。其次，本发明所采用的收集器可以集成到微纳器件上，对样品溶液进行多向传输。当入射波长顺序扫描，被捕获的微粒将从最外环转移至相邻的内环，直至被汇集到最中心环上，实现了亚波长尺度的汇集位移控制。最后，本发明方法具有较大的创新之处，打破了传统方法中对低浓度微粒捕获的种种限制，且收集时间是ms量级，即使仅有一个微粒，也能够被高效快速收集。