線偏振平面光波對處于拓撲絕緣體襯底上方微粒的可調諧捕獲和篩選的方法技術

本發明專利技術提供一種線偏振平面光波對處于拓撲絕緣體襯底上方微粒的可調諧捕獲和篩選的方法，破壞微粒周圍的玻印亭矢量的對稱分布，使微粒上的總玻印亭矢量不為零，產生非梯度光學力；然后，通過改變拓撲絕緣體襯底平板的量子態，改變微粒上的總玻印亭矢量的方向和大小，進而改變總玻印亭矢量作用在微粒上的非梯度光學力的方向和大小，來調控微粒在入射光場中的運動軌跡，從而對附著在微粒表面的納米尺寸分子進行可調諧捕獲和篩選的技術方案。其中，通過光照、通電、加熱、加壓、和外加磁場等方式實現拓撲絕緣體襯底平板從拓撲非平庸到拓撲平庸的可逆量子相變。

【技術實現步驟摘要】
線偏振平面光波對處于拓撲絕緣體襯底上方微粒的可調諧捕獲和篩選的方法
本專利技術涉及一種線偏振平面光波對處于拓撲絕緣體襯底上方微粒的可調諧捕獲和篩選的方法，可應用于生物、醫學及納米操控等領域。
技術介紹
對微小物體的光學捕獲和篩選一直是光學領域的研究熱點。光學梯度力在各種光學捕獲技術中扮演著重要的角色，例如通過光學梯度力實現的光鑷和光學捆綁等。然而，光學梯度力具有產生設備復雜、不可調諧和難以捕獲和篩選納米尺寸分子等缺點。2008年，Ward,T.J.等提出通過圓偏振光產生的光學梯度力可以捕獲和分離具有納米尺寸的手性分子。但是，圓偏振入射光仍然需要使用復雜的設備來產生，不利于系統的實際應用；且其捕獲和分離的納米尺寸分子必需具有手性結構，因此限制了其作用對象的范圍。所以，本專利技術提出在位于拓撲絕緣體襯底平板上方的微粒表面覆蓋納米尺寸分子，使其在線偏振平面光波照射下在微粒周圍產生非梯度光學力；然后，利用拓撲絕緣體量子態隨外加光場、電場、溫度場、壓力場、和磁場改變而變化的特性，調諧拓撲絕緣體襯底平板上方微粒受到的非梯度光學力大小和方向，從而實現對附著在微粒表面的納米尺寸分子的捕獲和篩選，其中納米尺寸分子可以為非手性結構。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服了利用梯度光學力捕獲和篩選納米尺寸分子這一傳統方法中所具有的入射光源復雜(即入射光必需為圓偏振或橢圓偏振)、篩選對象局限(即納米尺寸分子必需具有手性結構)、由圓偏振或橢圓偏振光產生的梯度光學力不可調諧、以及難以捕獲納米尺寸非手性分子等不足，而提供一種具有系統簡單、操作方便、超靈敏、超快速、主動調諧等優點的由線偏振平面光波產生的非梯度光學力捕獲和篩選位于拓撲絕緣體襯底平板上方的非手性納米尺寸分子的方法，可用于生物，醫學以及納米操控等領域。一種線偏振平面光波對處于拓撲絕緣體襯底上方微粒的可調諧捕獲和篩選的方法，將微粒置于拓撲絕緣體襯底平板上方，該拓撲絕緣體襯底平板破壞了微粒周圍的玻印亭矢量對稱分布，使微粒上的總玻印亭矢量不為零，產生非梯度光學力；通過改變拓撲絕緣體襯底平板的量子態，改變微粒上的總玻印亭矢量分布，進而改變總玻印亭矢量作用在微粒上的非梯度光學力的方向和大小，來調控微粒在入射光場中的運動軌跡，從而對附著在微粒表面的納米尺寸分子進行可調諧捕獲和篩選，其中，微粒置于拓撲絕緣體襯底平板上方，微粒材料可以是介質或金屬，拓撲絕緣體襯底的長、寬、高在10納米到10米，微粒與拓撲絕緣體襯底平板表面的距離為l(l>0)；微粒的外形可以是球體、圓柱體、圓錐體等曲面幾何體或棱柱體、正方體、長方體等多面體，體積在1立方納米至1000立方微米。所述的入射光為線偏振平面波；入射光入射方向平行于拓撲絕緣體襯底平板，頻率范圍為0.3微米～20微米，功率范圍為0.1mW/μm2～10mW/μm2。所述的入射光的光源采用波長可調諧激光器、半導體連續或準連續激光、或者發光二極管。所述的表面附有納米尺寸分子的微粒，微粒材料可以是金屬或介質，其中，金屬可以是Al、Ag、Au、Cu、Ni、Pt等，介質可以是半導體材料如Si、SiO2、GaAs、InP、Al2O3等或聚合物。所述的拓撲絕緣體襯底平板，拓撲絕緣體可以是BixSb1-x、HgTe、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3。所述的表面附有納米尺寸分子的微粒，納米尺寸分子可以具有非手性結構或手性結構，如抗原，抗體，酶，激素，胺類，肽類，氨基酸，維生素等。所述的拓撲絕緣體襯底平板，拓撲絕緣體通過材料生長工藝實現，包括磁控濺射、電子束蒸發、金屬有機化合物化學氣相沉淀、氣相外延生長、分子束外延等。所述的拓撲絕緣體襯底平板，可以通過光照、通電、加熱、加壓、和外加磁場等方式實現拓撲絕緣體從拓撲非平庸到拓撲平庸的可逆量子相變。本專利技術系統由光源、顯微鏡和光學力顯示器構成。測試前先將拓撲絕緣體襯底平板置于裝有水或油的樣品池底部，然后將表面附有納米尺寸分子的微粒置于裝有水或油的樣品池中，同時置于拓撲絕緣體襯底平板上方，線偏振平面波光源從樣品池的側壁進入，照射微粒，由于拓撲絕緣體襯底平板破壞了微粒周圍的玻印亭矢量對稱分布，使微粒上的總玻印亭矢量不為零，產生非梯度光學力；然后，通過改變拓撲絕緣體襯底平板中拓撲絕緣體的量子態，改變拓撲絕緣體襯底平板上方微粒表面的總玻印亭矢量分布，進而改變總玻印亭矢量作用在微粒上的非梯度光學力的方向和大小，來調控微粒在入射光場中的運動軌跡，從而對附著在微粒表面的納米尺寸分子進行可調諧捕獲和篩選。顯微鏡可以用來觀測表面附有納米尺寸分子的微粒在入射光作用下所產生的運動軌跡。所述顯微鏡可以采用普通熒光垂直或正置顯微鏡。所述系統可以通過簡單的線偏振平面光波實現對具有納米尺寸非手性結構物體的可調諧捕獲和篩選。克服了利用梯度光學力捕獲和篩選納米尺寸分子這一傳統方法中所具有的入射光源復雜(即入射光必須為圓偏振或橢圓偏振)、篩選對象局限(即納米尺寸分子必須具有手性)、由圓偏振或橢圓偏振光產生的梯度光學力不可調諧、以及難以捕獲納米尺寸分子等問題，具有系統簡單、操作方便、超靈敏、超快速、主動調諧等優點，可用于生物，醫學以及納米操控等領域。附圖說明圖1為表面附有納米尺寸分子的微粒示意圖。圖2為由線偏振光產生的非梯度光學力捕獲和篩選處于拓撲絕緣體襯底平板上方的表面附有納米尺寸分子的微粒的過程示意圖。圖3為由線偏振光產生的非梯度光學力捕獲和篩選處于拓撲絕緣體襯底平板上方的表面附有納米尺寸分子的微粒的測試系統示意圖。圖中：1微粒，2納米尺寸分子，3拓撲絕緣體襯底平板，4光源，5顯微鏡，6光學力顯示器，7樣品池，8控溫器，9CCD攝像機，10監視器，11計算機，12錄像機。具體實施方式為使得本專利技術的技術方案的內容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本專利技術的具體實施方式。其中的材料生長技術包括：磁控濺射，電子束蒸發，金屬有機化合物化學氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術等常用技術。實施例1首先，通過材料生長工藝產生微粒1，如附圖1(a)所示。其中微粒的幾何形狀和尺寸可以采用有限時域差分法、有限元法等算法確定。其次，在微粒1外表面附著納米尺寸分子2，如附圖1(b)所示。然后，將表面附著納米尺寸分子2的微粒1置于拓撲絕緣體襯底平板3表面上方，距離為l(l>0)，當入射光為線偏振平面波且拓撲絕緣體襯底平板3為拓撲非平庸體時，處于拓撲絕緣體襯底平板3上方的微粒1周圍的玻印亭矢量為非對稱分布，即微粒1上的總玻印亭矢量不為零，產生沿入射光方向指向右前方的非梯度光學力，使微粒1沿入射光方向的右前方運動，進而帶動附著在微粒1表面的納米尺寸分子2沿入射光方向的右前方運動，如附圖2(a)所示。之后，通過光照、通電、加熱、加壓和外加磁場等方式將拓撲絕緣體襯底平板3的拓撲非平庸體轉化為拓撲平庸體(即拓撲絕緣體產生從拓撲非平庸到拓撲平庸的量子態變化)，使微粒1表面的總玻印亭矢量方向和大小發生改變，產生沿入射光方向指向左前方的非梯度光學力，使微粒1帶動附著在其表面的納米尺寸分子2沿入射光方向的左前方運動，如附圖2(b)所示。最后，通過降溫、光照等方式使拓撲絕緣體襯底平板3由拓撲平庸體變回拓撲非平庸體(即拓撲絕緣體產生從拓撲平庸到拓撲非平庸的量子態變化)，此時微粒1受本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種線偏振平面光波對處于拓撲絕緣體襯底上方微粒的可調諧捕獲和篩選的方法，其特征在于，將微粒置于拓撲絕緣體襯底平板上方，該拓撲絕緣體襯底平板破壞了微粒周圍的玻印亭矢量對稱分布，使微粒上的總玻印亭矢量不為零，產生非梯度光學力；通過改變拓撲絕緣體襯底平板的量子態，改變微粒上的總玻印亭矢量分布，進而改變總玻印亭矢量作用在微粒上的非梯度光學力的方向和大小，來調控微粒在入射光場中的運動軌跡，從而對附著在微粒表面的納米尺寸分子進行可調諧捕獲和篩選，其中，微粒置于拓撲絕緣體襯底平板上方，微粒材料可以是介質或金屬，拓撲絕緣體襯底的長、寬、高在10納米到10米，微粒與拓撲絕緣體襯底平板表面的距離為l，l>0；微粒的外形是曲面幾何體或多面體，體積在1立方納米至1000立方微米。

【技術特征摘要】
1.一種線偏振平面光波對處于拓撲絕緣體襯底上方微粒的可調諧捕獲和篩選的方法，其特征在于，將微粒置于拓撲絕緣體襯底平板上方，該拓撲絕緣體襯底平板破壞了微粒周圍的玻印亭矢量對稱分布，使微粒上的總玻印亭矢量不為零，產生非梯度光學力；通過改變拓撲絕緣體襯底平板的量子態，改變微粒上的總玻印亭矢量分布，進而改變總玻印亭矢量作用在微粒上的非梯度光學力的方向和大小，來調控微粒在入射光場中的運動軌跡，從而對附著在微粒表面的納米尺寸分子進行可調諧捕獲和篩選，其中，微粒置于拓撲絕緣體襯底平板上方，微粒材料是介質或金屬，拓撲絕緣體襯底的長、寬、高在10納米到10米，微粒與拓撲絕緣體襯底平板表面的距離為l，l>0；微粒的外形是曲面幾何體或多面體，體積在1立方納米至1000立方微米。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，入射光為線偏振平面波；入射光入射方向平行于拓撲絕緣體襯底平板，波長范圍為0.3微米～20微米，功率范圍為0.1mW/μm2～1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹暾，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：遼寧;21