基于铜钱形全介质纳米光镊的高通量粒子捕获装置

技术领域

本发明涉及一种基于铜钱形全介质纳米光镊的高通量粒子捕获装置，属于光学领域。

背景技术

光学捕获以其非接触、精确控制和无创操作等优点引起了研究人员的广泛关注，并在生物化学、医学等领域得到了广泛应用(文献1：S.Yang,C.Hong,Y.Jiang,andJ.C.Ndukaife,"Nanoparticle Trapping in aQuasi-BIC System,"ACS Photonics 8,1961-1971(2021))。为提高捕获性能，硅波导、微环谐振器和光子晶体腔许多粒子捕获装置已经被探究(文献2：S.Lin,E.Schonbrun,and K.Crozier,"Optical ManipulationwithPlanar Silicon Microring Resonators,"Nano Letters 10,2408-2411(2010)；文献3：H.Li,X.Yu,X.Wu,W.Shi,M.Chen,L.Y.Liu,and L.Xu,"All-optically-controllednanoparticle transporting and manipulating at SOI waveguide intersections,"Optics Express 20,24160-24166(2012)；文献4：F.Liang and Q.M.Quan,"DetectingSingle Gold Nanoparticles(1.8nm)with Ultrahigh-Q Air-Mode Photonic CrystalNanobeam Cavities,"ACS Photonics 2,1692-1697(2015)；文献5：D.Q.Yang,F.Gao,Q.T.Cao,C.Wang,Y.F.Ji,and Y.F.Xiao,"Single nanoparticle trapping based on on-chip nanoslotted nanobeam cavities,"Photonics Research 6,99-108(2018))，但是现有的装置主要用于捕获单个或少数粒子。然而，对于生物学研究，需要大量样本来提供更多的统计意义。因此，探索如何同时捕获大量粒子已成为研究人员的一个重要课题。

到目前为止，人们已经提出了一系列基于等离子体光镊的方案来实现大量粒子的捕获(文献6：X.Han,V.G.Truong,P.S.Thomas,and S.N.Chormaic,"Sequential trappingof single nanoparticles using a gold plasmonicnanohole array,"PhotonicsResearch 6,981-986(2018)；文献7：J.C.Ndukaife,Y.Xuan,A.G.A.Nnanna,A.V.Kildishev,V.M.Shalaev,S.T.Wereley,and A.Boltasseva,"High-ResolutionLarge-Ensemble Nanoparticle Trapping with Multifunctional ThermoplasmonicNanohole Metasurface,"ACS Nano 12,5376-5384(2018))。尽管等离子体光镊可以同时实现大量粒子的并行捕获，但金属材料的光致加热效应会导致强烈的温升，可能会破坏生物细胞的活性，这限制了其在生物医学领域的应用(文献8：Z.Liu,F.Hu,Y.Zhang,Y.Zhang,K.Zhang,W.Su,J.Zhang,X.Yang,and L.Yuan,"All-Fiber Near-Field Optical Tweezer:Reducing Thermal Disturbance,"J.Lightwave Technol.40,2511-2515(2022))。更多能够实现高通量捕获多个纳米粒子的全介质光镊方案仍有待探索。

因此，我们提出了一种铜钱形全介质纳米光镊装置以实现大量粒子的高通量捕获。该装置不仅实现了强烈的电场局域，而且提供了高的电场增强，这可以实现高性能的粒子捕获：在输入强度为1mW/μm

发明内容

本发明提出一种基于铜钱形全介质纳米光镊的高通量粒子捕获装置，避免了等离子体光镊的光致热效应对生物细胞活性的破坏；此外由于装置具有大量热点，可以实现高通量的粒子捕获，对生物学研究具有重大意义。

1.本发明的具体内容

对于生物学研究而言，同时捕获大量的样品更具有统计意义，例如药物筛选等应用场景。

(1)本发明提出了一种基于铜钱形全介质纳米光镊的高通量粒子捕获装置，利用周期排列的纳米孔来捕获半径为60nm的聚苯乙烯粒子，实现高通量的粒子捕获。

(2)该装置结构示意图如图1所示，装置的周期：p＝700nm。二氧化硅衬底厚度：h

2.本发明的优点如下：

(1)相比于微环谐振器，光纤，一维光子晶体微腔等粒子捕获装置，本发明具有大量热点，可以并行捕获大量粒子，实现高通量的粒子捕获。

(2)相比于等离子体粒子捕获装置，本发明可以避免因金属材料的光致热效应，不会因过高的温度而损坏生物细胞的活性，适用范围更加广泛。

(3)本发明结构基于二氧化硅衬底，且每个单元尺寸一致，在提升结构稳定性的同时也降低了制作难度。

3.本发明的原理如下：

(1)在沿y方向偏振的平面波光源垂直入射时，激发出λ＝1533.19nm的谐振模式，该模式下，电场主要局域在每个单元的方形孔中间。

(2)由于电场高度局域在方形孔，溶液中的聚苯乙烯粒子在随机移动到孔附近时，会受到强烈的光学捕获力而被捕获在方形孔中。

(3)当溶液中的粒子被捕获之后会使得装置的谐振波长发生偏移，因此可以通过监测谐振波长的偏移来检测粒子的捕获状态。

附图说明

图1(a)是铜钱形全介质纳米光镊的示意图，结构是在二氧化硅衬底上周期排列空心硅柱形成的，整个装置被浸没在包层溶液中。图1(b)是该装置一个单元的侧视图，硅柱的高度：h

图2(a)是利用FDTD计算出的铜钱形全介质纳米光镊的反射谱，谐振波长：λ＝1533.19nm。图2(b)是λ＝1533.19nm时x-y面(z＝0)处的电场分布图。图2(c)是λ＝1533.19nm时y-z面(x＝0)处的电场分布图。图2(d)是λ＝1533.19nm时x-z面(y＝0)处的电场分布图。

图3(a)是粒子在z方向不同位置上(x＝0，y＝0)所受到的光力。图3(b)是粒子在z方向不同位置上(x＝0，y＝0)的势能。此时光源的输入强度为：1mW/μm

图4是该装置在捕获粒子之前和捕获粒子之后的反射谱。捕获粒子之前的谐振波长为1533.19nm，捕获粒子之后的谐振波长为1535.06nm。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图，对发明的具体结构、原理以及性能作进一步说明：

本发明提出了一种基于铜钱形全介质的高通量粒子捕获装置，图1为该装置的结构示意图。衬底材料为二氧化硅，其厚度h

沿y方向偏振的平面波光源垂直入射时，激发出λ＝1533.19nm的模式。图2(a)显示了通过FDTD仿真得到的反射谱。图2(b)-(d)为该模式下的电场分布，电场主要局域在纳米孔的中心位置，综合考虑孔的尺寸和粒子半径，最终粒子会被捕获在孔的中心位置。并且由于该装置具有大量纳米孔，每个孔都可以稳定的捕获粒子，进而实现高通量的粒子捕获。

图3(a)给出了z方向不同位置处粒子所受的捕获力，此时光源的输入强度为1mW/μm

图4给出了该装置在捕获粒子前后的反射谱变化。为捕获粒子时谐振波长为1533.19nm，当粒子被捕获之后，谐振波长变为1535.06nm，因此可以通过谐振波长的变化来检测粒子的捕获状态。