專利名稱：一種基于左手材料的光鑷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物樣品(例如蛋白質(zhì)、DNA以及抗體等)檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種基于左手材料的光鑷，可應(yīng)用于疾病治療診斷和生物醫(yī)學(xué)。
背景技術(shù)：
生命科學(xué)的發(fā)展為疾病的診斷、治療及預(yù)防提供了高效便捷的手段，同時(shí)也面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何操縱具有微小尺寸的組織、細(xì)胞、藥物、生物大分子和生物活性分子等， 提供即時(shí)、在線、準(zhǔn)確和全面的分析。為了解決這些問(wèn)題，人們嘗試將激光微束光阱效應(yīng)與生物工程、微電子工藝、以及光電子學(xué)等學(xué)科有機(jī)結(jié)合，由此形成了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)光鑷技術(shù)。1986年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Arthur Ashkin首次將光鑷技術(shù)應(yīng)用于生命科學(xué)的研究，他利用單束激光引入高數(shù)值孔徑物鏡形成了三維光學(xué)阱，并證明了這種光阱可以無(wú)損傷地操縱基于微米級(jí)及亞微米級(jí)的活體物質(zhì)。(Opt. Lett. 1986,11 :288-290)。由于光鑷技術(shù)可以定量測(cè)試生物體所產(chǎn)生的PN級(jí)的生物微作用力以及nm級(jí)的微小位移，因此，目前已成為最前沿的生命科技領(lǐng)域之一，得到了人們的廣泛關(guān)注。目前廣泛研究的光鑷技術(shù)有傳統(tǒng)光鑷技術(shù)，多光束光鑷技術(shù)，近場(chǎng)光鑷技術(shù)和特殊光鑷技術(shù)等。其中傳統(tǒng)光鑷技術(shù)是激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束和反射光路后，聚焦到樣品池中。樣品池隨樣品臺(tái)二維移動(dòng)，與被撲獲得微粒產(chǎn)生相對(duì)位移。但該技術(shù)只能操控單個(gè)微粒。 Nature, 1987 (330) :769-771，其在多光鑷技術(shù)中，每個(gè)光鑷都由獨(dú)立的光束形成，因此一次可以形成多個(gè)光阱，并同時(shí)撲獲多個(gè)微粒，極大增強(qiáng)了光鑷的效率。但是難以對(duì)單個(gè)納米量級(jí)的生物分子進(jìn)行撲獲和操縱。激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2007，44(5) :62-66，其近場(chǎng)光鑷技術(shù)的撲獲范圍具有高度局域性，可以做到這一點(diǎn)，是中分子水平操縱的有力工具之一，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作難度較高。光學(xué)技術(shù)，2003，四(3) :266-272，其特殊光鑷技術(shù)主要采用貝塞爾光束和拉蓋爾.高斯光束，它可以在光束的傳播方向上同時(shí)撲獲多個(gè)粒子和對(duì)任意粒子的光致旋轉(zhuǎn)。但是，其不能對(duì)納米量級(jí)的粒子進(jìn)行操作，且成本較高，詳見激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2007，44 (6) :15-260上述傳光鑷系統(tǒng)都屬于分立器件結(jié)構(gòu)，具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)，同時(shí)他們撲獲納米級(jí)或亞微米量級(jí)的分子能力較低、靈敏度較差。因此設(shè)計(jì)研發(fā)具有尺寸小、 靈敏度高、納米級(jí)或亞微米量級(jí)粒子撲獲能力強(qiáng)的光鑷技術(shù)是目前亟需解決的問(wèn)題?；谥芷谛钥钻嚵薪Y(jié)構(gòu)的左手材料的尺寸可以達(dá)到< 6um，(PRL 106,067402, 2011)。由于其具有磁偶極子，在光源照射下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿光照方向的pN級(jí)的負(fù)向光學(xué)力 (negative optical force)。因此，將基于周期性孔陣列結(jié)構(gòu)的左手材料應(yīng)用于光鑷技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)納米量級(jí)粒子的準(zhǔn)確抓獲和操縱是本發(fā)明的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述光鑷系統(tǒng)的問(wèn)題，提供了一種基于左手材料(Metamaterial)的光鑷，該集成器件具有尺寸小、靈敏度高、撲獲納米級(jí)或亞微米量級(jí)粒子能力強(qiáng)、準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)。本發(fā)明解決問(wèn)題采用的技術(shù)方案如下左手材料光鑷該光鑷具有一層或多層三明治結(jié)構(gòu)，所述的三明治結(jié)構(gòu)是通過(guò)在襯底上交替生長(zhǎng)金屬層、絕緣層、金屬層而成；其上具有周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列，使其具有磁偶極子，并在光源照射下，產(chǎn)生一個(gè)沿光照方向的負(fù)向光學(xué)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微小粒子的抓獲和選擇。所述的三明治結(jié)構(gòu)是通過(guò)在襯底上交替生長(zhǎng)金屬層、絕緣層、金屬層而成。金屬層的寬度在ι微米至10厘米之間、高度在20納米至500微米之間，絕緣層在1微米至10厘米之間、高度在20納米至500微米之間。金屬層包括Al、Ag、Au、Cu等，絕緣層包括A1203、 MgF2、HSQ(Hydrogen silsesquioxane)等。所述的襯底可以采用晶體材料、有機(jī)材料，其中晶體材料包括硅、砷化鎵、磷化銦等半導(dǎo)體襯底。所述的周期性孔矩陣孔可以是矩形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形等，孔的寬度在20納米至10微米之間、高度在60納米至10厘米之間。周期性孔矩陣可以通過(guò)干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，如電子束曝光(Ε-beam lithography)、聚焦離子束曝光(Focus Ion Beam lithography)和反應(yīng)離子束刻蝕(Reactive Ion Etching,RIE)等，其特點(diǎn)是底部平坦，空壁光滑，側(cè)面形狀不限。左手材料光鑷的制備過(guò)程是在襯底上通過(guò)生長(zhǎng)工藝制備三明治結(jié)構(gòu)(金屬層-絕緣層-金屬層)；然后在三明治結(jié)構(gòu)上通過(guò)掩模和刻蝕工藝制備周期性孔矩陣。本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)由光源、顯微鏡和光力顯示器構(gòu)成。測(cè)試前將左手材料光鑷置于樣品池上方，左手材料在光源的照射下，在磁偶極子震蕩頻率附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿光照方向的負(fù)向光學(xué)力，從而形成光鑷射向樣品池，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一特定尺寸微粒的抓獲和操縱。然后降低或者升高光源的輸入頻率，改變左手材料光鑷對(duì)粒子的作用力，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他特定尺寸微粒的選取。此時(shí)，光力顯示器顯示的數(shù)據(jù)，即為左手材料光鑷對(duì)不同尺寸微粒的吸附力大小。顯微鏡可以用來(lái)觀測(cè)微粒在所述光鑷作用下所產(chǎn)生的位移。光源采用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器、半導(dǎo)體連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)激光、或者發(fā)光二極管。顯微鏡可以采用普通熒光垂直或正置顯微
^Mi ο本發(fā)明的左手材料光鑷具有特有的磁偶極子，可以使其在很小功率光源的作用下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米或者亞微米粒子的抓獲，減少了由于光源功率過(guò)大所導(dǎo)致的光鑷對(duì)生物樣本的活力影響和擾動(dòng)。因此，該光鑷具有體積小、抓獲力大、穩(wěn)定性高、抓獲準(zhǔn)確率高等特
點(diǎn)ο


圖1為左手材料光鑷工作示意圖。圖2為左手材料光鑷的各種形狀示意圖。圖3為左手材料光鑷制作流程示意圖。圖4為左手材料光鑷系統(tǒng)測(cè)試示意圖。圖中1襯底，2三明治結(jié)構(gòu)，3掩膜，4周期性孔矩陣，5單層的左手材料光鑷，6金屬層，7絕緣層，8多層的左手材料光鑷，9光源，10顯微鏡，11光力顯示器，12樣品池，13控溫器，14CXD攝像機(jī)。
具體實(shí)施例方式為使得本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。其中的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)包括蒸發(fā)、濺射、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)、分子束外延(MBE)、電子束蒸發(fā)(Ε-beam evaporation)或液相外延(LPE)等常用技術(shù)。其中的掩模工藝包括電子束曝光(E-beamlith0graphy，EBL)、聚焦離子束曝光(Focus Ion Beam lithography,FIBL)等常用技術(shù)。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕(Reactive Ion Etching, RIE) 等常用工藝。首先，利用薄膜生長(zhǎng)工藝在玻璃襯底1上形成N(N>= 1)層三明治結(jié)構(gòu)(金屬層-絕緣層-金屬層)2，如附圖3 (a)所示。其次，在三明治結(jié)構(gòu)2上沉積薄膜作為掩模3， 其中3可以是SiO2等，如附圖3(b)所示。然后，將根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，定義滿足填充因子和刻蝕圖形要求的周期性孔矩陣樣板(Pattern)，并通過(guò)掃描式離子束曝光(EBL)或聚焦離子束曝光(FIBL)將樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖3(c)所示。其中，理論計(jì)算可以采用有限時(shí)域差分法、有限元法等算法。通過(guò)刻蝕工藝，在2材料上制備周期性孔矩陣4，如附圖3(d)所示。最后，移除掩模3，得到左手材料光鑷5，如附圖3(e)所示。其中基于多層三明治結(jié)構(gòu)的左手材料光鑷8 如附圖3(f)所示。本發(fā)明測(cè)試系統(tǒng)主要由光源9、顯微鏡10和光力顯示器11構(gòu)成。測(cè)試前可以將左手材料光鑷8直接置于樣品池12上方，左手材料在光源9的照射下，形成光鑷射向樣品池， 實(shí)現(xiàn)對(duì)某一特定尺寸微粒的抓獲和操縱。顯微鏡10可以用來(lái)觀測(cè)微粒在所述光鑷作用下所產(chǎn)生的位移。左手材料光鑷對(duì)不同尺寸微粒的吸附力由光力顯示器11顯示。本發(fā)明系統(tǒng)同時(shí)還包括控溫器13、(XD攝像機(jī)14。(附圖4所示)利用CXD攝像機(jī)14對(duì)光鑷作用下的微粒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將所得的視頻信號(hào)在顯示器顯示。樣品池12與控溫器13相連，使樣品在光鑷的作用下始終處于常溫狀態(tài)。顯微鏡10用來(lái)采集視場(chǎng)信息。綜上所述，本發(fā)明提供的左手材料光鑷具有磁偶極子特性，該特性使其利用很小功率光源實(shí)現(xiàn)對(duì)納米或者亞微米粒子的抓獲，減少了由于光源功率過(guò)大所導(dǎo)致的光鑷對(duì)生物樣本的活力影響和擾動(dòng)，從而顯著提高了光鑷的靈敏度、分辨率和抗干擾性。以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說(shuō)明書和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于左手材料的光鑷，其特征在于，該光鑷具有一層或多層三明治結(jié)構(gòu)，其上具有周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列；所述的三明治結(jié)構(gòu)是通過(guò)在襯底上交替生長(zhǎng)金屬層、絕緣層、金屬層而成，金屬層的寬度在1微米至10厘米、高度在20納米至500微米，絕緣層在1微米至10厘米、高度在20納米至500微米；所述的襯底采用晶體材料、有機(jī)材料；所述的周期性孔矩陣孔是矩形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形；孔的寬度在20納米至10微米、高度在60納米至10厘米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于左手材料的光鑷，其特征在于，金屬層包括Al、Ag、Au、Cu。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于左手材料的光鑷，其特征在于，絕緣層包括A1203、MgF2、HSQ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于左手材料的光鑷，其特征在于，所述的晶體材料包括硅、砷化鎵、磷化銦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于左手材料的光鑷，其特征在于，周期性孔矩陣通過(guò)干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束曝光、聚焦離子束曝光和反應(yīng)離子束刻蝕。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于左手材料的光鑷，通過(guò)在一層或多層三明治結(jié)構(gòu)上(金屬層-絕緣層-金屬層)，制備具有周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列，使其具有磁偶極子，并在光源照射下，產(chǎn)生一個(gè)沿光照方向的負(fù)向光學(xué)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微小粒子的準(zhǔn)確抓獲和選擇。該光鑷所特有的磁偶極子，可以使其在很小功率光源的作用下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小粒子的抓獲，減少了由于光源功率過(guò)大所導(dǎo)致的光鑷對(duì)生物樣本的活力影響和擾動(dòng)。該光鑷具有體積小、抓獲力大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/84GK102565057SQ20111042157
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者曹暾 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)