[发明专利]线偏振非平面光波在包裹石墨烯薄层的微粒上产生可调谐非梯度光学力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用线偏振非平面光波在包裹石墨烯薄层的微粒上产生可调谐非梯度光学力的方法，可应用于生物、医学及纳米操控等领域。

背景技术

对微小物体的光学捕获和筛选一直是光学领域的研究热点。光学梯度力在各种光学捕获技术中扮演着重要的角色，例如通过光学梯度力实现的光镊和光学捆绑等。然而，光学梯度力具有产生设备复杂、不可调谐和难以捕获和筛选纳米尺寸分子等缺点。2008年，Ward,T.J.等提出通过圆偏振光产生的光学梯度力可以捕获和分离具有纳米尺寸的手性分子。但是，圆偏振入射光仍然需要使用复杂的设备来产生，不利于系统的实际应用；且其捕获和分离的纳米分子必需具有手性结构，因此限制了其作用对象的范围。所以，本发明提出在包裹石墨烯薄层微粒的石墨烯表面覆盖纳米尺寸分子，使其在线偏振非平面光波照射下在包裹石墨烯薄层微粒周围产生非梯度光学力；然后，利用改变外加电场、温度、注入光强、和石墨烯的厚度等方式改变石墨烯的费米能级分布，进而改变石墨烯的介电系数及电导率，调谐包裹石墨烯薄层微粒受到的非梯度光学力大小和方向，从而实现对附着在石墨烯薄层表面的纳米尺寸分子的捕获和筛选，其中纳米尺寸分子可以为非手性结构。

发明目的

本发明的目的在于克服了利用梯度光学力捕获和筛选纳米尺寸分子这一传统方法中所具有的入射光源复杂(即入射光必需为圆偏振或椭圆偏振)、筛选对象局限(即纳米尺寸分子必需具有手性结构)、由圆偏振或椭圆偏振光产生的梯度光学力不可调谐、以及难以捕获纳米尺寸非手性分子等不足，而提供一种具有系统简单、操作方便、超灵敏、超快速、主动调谐等优点的由线偏振光产生的非梯度光学力捕获和筛选非手性纳米尺寸分子的方法，可用于生物，医学以及纳米操控等领域。

发明内容

本发明解决问题采用的技术方案如下：

一种包裹石墨烯薄层的微粒产生可调谐非梯度光学力的方法，是一种利用线偏振非平面光波在包裹石墨烯薄层的微粒上产生可调谐非梯度光学力的方法。在线偏振非平面光波照射下，通过使包裹石墨烯薄层的微粒偏离入射光轴(z轴)中心，破坏包裹石墨烯薄层的微粒周围的玻印亭矢量对称分布，使包裹石墨烯薄层的微粒上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；且该总玻印亭矢量随石墨烯的费米能级的变化发生改变，进而改变总玻印亭矢量作用在包裹石墨烯薄层的微粒上的非梯度光学力的方向和大小，来调控包裹石墨烯薄层的微粒在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在石墨烯薄层表面的纳米尺寸分子进行可调谐捕获和筛选，其中包裹石墨烯薄层的微粒处于入射光束内，且偏离光束沿入射方向的中心对称轴(z轴)的距离为l(0<l≤w(z))，w(z)为入射光束宽，随z的变化发生改变(-∞<z<+∞)；其中，微粒的材料可以是金属或介质等，外形可以是球体、椭球体、圆柱体、圆锥体等曲面几何体或者棱柱、正方体、长方体等多面体，体积在1立方纳米至1000立方微米。

所述的入射光为线偏振非平面波，类型包括高斯波、贝塞尔波、艾里波等；入射光垂直照射包裹石墨烯薄层的微粒；频率范围为0.3μm～20μm；功率范围为0.1mW/μm²～10mW/μm²。

所述的入射光的光源采用波长可调谐激光器、半导体连续或准连续激光、或者发光二极管。

所述的包裹石墨烯薄层的微粒的材料可以是金属或介质，金属可以是Al、Ag、Au、Cu、Ni、Pt等，介质可以是半导体材料如Si、SiO₂、GaAs、InP、Al₂O₃等或聚合物。

所述的石墨烯薄层是由M层碳原子层构成，其中1≤M≤100。

所述的附着在石墨烯薄层表面的纳米尺寸分子可以具有非手性结构或手性结构，如抗原，抗体，酶，激素，胺类，肽类，氨基酸，维生素等。

所述的包裹石墨烯薄层的微粒是通过材料生长工艺实现，包括磁控溅射、电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长、分子束外延等。

所述的包裹石墨烯薄层的微粒，可以通过改变外加电场、温度、注入光强、和石墨烯的厚度等方式改变石墨烯的费米能级分布，进而改变石墨烯的介电系数及电导率。