一种基于表面晶格共振的光流控器件及其应用

1.本发明属于光流控技术领域，具体涉及一种基于表面晶格共振的光流控器件及其应用。


背景技术：

2.光流控主要研究如何在微纳尺度上控制光和流体的相互作用。近些年来伴随着光流控技术的蓬勃发展，流式细胞仪小型化、价格下降以及更紧凑的趋势逐渐明显，而这将会给医疗保健诊断以及某些疾病的预防检测带来极大的便利。近年来，在光流控研究领域，等离激元因其优异的近场局域增强、可突破光衍射极限特性、将光场束缚在亚波长尺度内、显著的光热响应等独特的性能引起越来越多的关注。利用等离激元增强的光热效应产生的温度梯度特性，热能可以进一步转换为力、声等其他形式的能量，应用于光流控领域。目前，最成熟的应用是利用光-热-力这样的能量转换作为分子或者药物的传输和捕获的机制，以用于生物医疗设备、疾病诊疗或者检测。例如，局域等离激元结构产生的电磁热所维持的热诱导对流可用于微流体混合(applied physics letters,2008,92(12):124108)。由金纳米棒诱导的局域等离激元结构的光热效应转化为强大的光学梯度力，可应用在微粒聚集上(applied physics letters,2012,101(5):053118)。可以看出，等离激元结构的光热效应所诱导的对流对于微纳尺度上的粒子传输和捕获应用具有十分重要的应用价值。中国发明专利cn109092378b公开了一种基于等离激元纳米结构的微流控芯片流量光控制方法，采用不同材料的纳米棒实现不同的温度与流场分布，通过调节外部泵浦光的偏振和强度，实现对微流道内流体的精确调控。
3.虽然等离激元微纳结构可以作为微纳热源，然而，常见的等离激元结构(如颗粒，超表面结构)的光吸收率低，由此诱导的流体对流的流速低。而且这些结构在外部光作用下是单个结构单元响应，最后整体表现出宏观光热-流控的物理过程，而不是所有结构单元共振响应。这导致其光热响应以及由此诱导的流体对流的流速低，阻碍了其作为光热流控器件的应用。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服传统基于等离激元结构的光流控器件的光吸收率低、以及由此诱导的流体对流速度低的问题，提供一种基于表面晶格共振的光流控器件，包括衬底层、薄膜层、周期性纳米结构层和液体环境层。通过周期性纳米结构层上发生的局域表面等离激元共振与纳米结构在薄膜上的周期性排列所支持的衍射光栅行为引起的干涉现象，显著提高光吸收率；该结构可实现所有结构单元共振响应。结构中的薄膜层不仅能有效地扩散排列在其上的纳米结构产生的热量，而且通过自身的散热增加了温度分布的空间范围，显著提高了器件的光热响应，从而提高了由此诱导的液体环境层流体对流的流速。
5.本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.一种基于表面晶格共振的光流控器件，包括衬底层10、薄膜层20、周期性纳米结构层30，所述薄膜层20设置在衬底层上，所述周期性纳米结构层30设置在所述薄膜层上，所述周期性纳米结构层30由周期性排列的微纳结构构成，其特征在于：所述基于表面晶格共振的光流控器件还包括液体环境层40，所述液体环境层40设置在周期性纳米结构层30上，用于将器件产生的热量转换成对流。
7.进一步优选，所述薄膜层为高热导率材料，用于有效地扩散排列在其上的周期性纳米结构层30产生的热量，同时薄膜层20自身的散热能够增加温度分布的空间范围，提高光热响应，从而提高由此诱导的流体对流的流速。
8.进一步优选，所述薄膜层为金薄膜或石墨。
9.进一步优选，所述周期性纳米结构层中的微纳结构的形状为圆形或者正方形。
10.进一步优选，所述周期性纳米结构层30由多个半径为70-170nm，厚度为20-80nm的纳米圆盘组成，所述多个纳米圆盘在空间上按照周期性的正方形结构或六角形结构排布，相邻纳米圆盘的间隙为550-620nm。
11.进一步优选，所述周期性纳米结构层30由多个边长为140-340nm，厚度为20-80nm的纳米方盘组成，所述多个纳米方盘在空间上按照周期性的正方形结构或六角形结构排布，相邻纳米方盘的间隙为550-620nm。
12.进一步优选，所述薄膜层的厚度为20～100nm，优选为40nm。
13.进一步优选，衬底层的材料为电介质材料，优选为二氧化硅。
14.第二方面，本发明提供了一种基于表面晶格共振的光流控器件在疾病诊疗中的应用，应用基于上述任意一种基于表面晶格共振的光流控器件，应用包括以下步骤：
15.步骤1，将基于表面晶格共振的光流控器件置于液体环境的微流腔室内；
16.步骤2，将抗原修饰的小尺寸的纳米结构混入微流腔室内，并用荧光标记这些纳米结构；
17.步骤3，将抗体修饰的大尺寸的纳米结构混入微流腔室内；
18.步骤4，用激光照射所述光流控器件，在微流腔室内产生流体对流；
19.步骤5，抗原修饰的荧光标记的纳米结构与抗体修饰的纳米结构在对流的作用下发生碰撞并充分进行抗原抗体反应，此时具有特异性抗原的纳米结构会附着在抗体修饰的纳米结构上形成聚集结构，并且在对流作用下顺着流线运动，使所述聚集结构在光流控器件附近发生聚集；
20.步骤6，关闭激光，对聚集在光流控器件附近的聚集结构进行荧光检测，根据是否检测到抗原来判断抗原抗体是否进行了反应，以完成对抗体的检测。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
22.本发明的光流控器件是一种基于表面晶格共振的结构，这是一种通过纳米结构上发生的局域表面等离激元共振与纳米结构在高热导率薄膜上的周期性排列所支持的瑞利异常衍射光的耦合，实现共振结构的集体响应，而普通的局域等离激元共振的光流控器件仅仅是单个器件响应。当入射光照射本发明的光流控器件时,由于组成该光流控器件的周期性纳米结构层发生的局域表面等离激元共振与纳米结构在薄膜层上的周期性排列所支持的衍射光栅行为引起了干涉现象，发生表面晶格共振，相比于仅发生偶极电磁共振的基于局域等离激元共振的光流控器件可以产生更强的局域电磁场和更高的吸收。从而，该器
件可以将更多的入射光的能量有效地转化为电子集体振动的动能，最终通过电子-声子相互作用转变为更多的热能。这些热能通过热辐射和热传导过程从周期性纳米结构层和薄膜层耗散到液体环境层，从而可以在液体环境层中产生更高的温度梯度。由于液体温度的变化会引起其密度的变化，最终会产生流体对流。由于流体对流中流体流速大小依赖于温度变化，因此，本发明基于表面晶格共振的光流控器件可以产生更快速的流体对流。同时，本发明的光流控器件的薄膜层不仅能有效地扩散排列在其上的纳米结构产生的热量，而且通过自身的散热增加了温度分布的空间范围，因此本发明基于表面晶格共振的光流控器件允许在空间和时间内广泛重构温度场，为光流控的应用，如粒子操纵等提供了更高控制自由度。
附图说明
23.图1为本技术实施例1的基于表面晶格共振的光流控器件的结构示意图；
24.图2为基于局域等离激元共振的光流控器件的结构示意图；
25.图3为本技术实施例1基于表面晶格共振的光流控器件和基于局域等离激元共振的光流控器件的吸收光谱和电磁场分布对比图，其中，(a)为基于表面晶格共振的光流控器件的吸收光谱，(b)为基于局域等离激元共振的光流控器件的吸收光谱，(c)为基于表面晶格共振的光流控器件的电磁场分布，(d)为基于局域等离激元共振的光流控器件的电磁场分布；
26.图4为本技术实施例1基于表面晶格共振的光流控器件和基于局域等离激元共振的光流控器件的光诱导温度分布，其中，(a)为基于表面晶格共振的光流控器件在xz平面的光诱导温度分布，(b)为基于局域等离激元共振的光流控器件在xz的光诱导温度分布，(c)为基于表面晶格共振的光流控器件在不同的xy平面z＝40，0，－100nm时的光诱导温度分布，(d)为基于局域等离激元共振的光流控器件在不同的xy平面z＝40，0，－100nm时的光诱导温度分布；
27.图5为本技术实施例1基于表面晶格共振的光流控器件和基于局域等离激元共振的光流控器件的时空轴向温度分布，其中，(a)为基于表面晶格共振的光流控器件的时空轴向温度分布，(b)为基于局域等离激元共振的光流控器件的时空轴向温度分布；
28.图6为本技术实施例1基于表面晶格共振的光流控器件和基于局域等离激元共振的光流控器件的热诱导流体对流分布，其中，(a)为基于表面晶格共振的光流控器件的热诱导流体对流分布，(b)为基于局域等离激元共振的光流控器件的热诱导流体对流分布，(c)为两种器件的温度随时间变化图，(d)为两种器件的流速随时间变化图；
29.图7为本技术实施例2基于表面晶格共振的光流控器件的示意图；
30.图8为本技术实施例2基于表面晶格共振光流控器件的吸收光谱和电磁场分布，其中，(a)为吸收光谱，(b)为电磁场分布；
31.图9为本技术实施例2的基于表面晶格共振光流控器件的光诱导温度分布，其中，(a)为基于表面晶格共振的光流控器件在xz平面的光诱导温度分布，(b)为基于表面晶格共振的光流控器件在不同的xy平面z＝40，0，－100nm时的光诱导温度分布；
32.图10为本技术实施例2的基于表面晶格共振的光流控器件的热诱导流体对流分布，其中(a)为xz平面的热诱导流体对流分布，(b)为xy平面的热诱导流体对流分布；
33.图标：10-衬底层；20-薄膜层；30-周期性纳米结构层；40-液体环境层。
具体实施方式
34.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
35.实施例1
36.图1为本发明提供的一种基于表面晶格共振的光流控器件的结构示意图，该结构包括衬底层、薄膜层、周期性纳米结构层、和液体环境层。其中薄膜层设置在衬底层上，周期性纳米结构的单元结构为圆盘，设置在薄膜层上。液体环境层位于周期性纳米结构层的上方。
37.具体而言：
38.本实施例基于表面晶格共振的光流控器件的电磁、光热和流体响应如下：
39.通过使用三维有限元方法fem计算软件comsol multiphysics进行计算模拟和实验，研究了包括光学、热力学和流体动力学在内的多学科问题，具体参数优选如下：
40.周期性纳米圆盘的半径为120nm，厚度为40nm，周期为方形周期，周期大小为590nm。薄膜层厚度设为100nm。
41.为了突出本发明基于表面晶格共振的光流控器件的优势，本实施例同时设计了基于局域等离激元共振的光流控器件作为对比组，基于局域等离激元共振的光流控器件的结构示意图如图2所示，该器件包括衬底层、周期性纳米结构层(单元结构为圆盘)和液体环境层，其中周期性纳米圆盘设置在衬底层上。周期性纳米圆盘由贵金属材料au制成。具体参数与基于表面晶格共振的光流控器件的相同，即：周期性纳米圆盘的半径为120nm，厚度为40nm，周期为方形周期，周期大小为590nm。
42.图3为本实施例基于表面晶格共振的光流控器件和基于局域等离激元共振的光流控器件的吸收光谱和电磁场分布图，其中，入射光为沿着x方向偏振的电磁波。从图3(a)中，可以明显看出：基于表面晶格共振的光流控器件在808nm附近存在一个极窄的吸收峰，其吸收率可达97％。该共振波长接近瑞利异常波长λ
ra
＝pn,其中p为结构周期，n为液体环境层折射率。此外，图3(c)中的电磁场沿x方向集中在纳米盘和薄膜两侧，强电磁场局域于金属/液体环境界面的液体环境侧，表明纳米圆盘上的局域表面等离激元共振以及由周期排列决定的瑞利异常的同时激发，即组成该光流控器件的周期性纳米结构层发生的局域表面等离激元共振与纳米结构在金属薄膜层上的周期性排列所支持的衍射光栅行为引起了干涉现象，也就是说表面晶格共振被激发。而从图3(b)可以看出，基于局域等离激元共振的光流控器件在980nm附近存在一个较宽的吸收带，其吸收率为21.5％，对应于图3(d)中明显分布在纳米圆盘上的偶极电磁共振。因此，基于表面晶格共振的光流控器件相比基于局域等离激元共振的光流控器件的光吸收率明显高很多。此外，由于au薄膜中的镜像电荷，它产生的辐射场相当于两倍高的共振纳米结构的辐射场，从而导致基于表面晶格共振的光流控器件比基于局域等离激元共振的光流控器件电磁场增强也高近2倍。
43.本发明基于表面晶格共振的光流控器件通过光热响应可以将入射光的能量有效地转化为电子集体振动的动能，最终通过电子-声子相互作用转变为热能。为了进一步说明本发明基于表面晶格共振的光流控器件的光热响应的优势，本实施例公开了基于表面晶格
共振的光流控器件和基于局域等离激元共振的光流控器件的光诱导温度分布，如图4所示。可以观察到，基于表面晶格共振的光流控器件的空间温升在x-z平面上(图4(a))和x-y平面上(图4(c))的分布都明显高于基于局域等离激元共振的光流控器件(分别对应图4(b)和图4(d))。这是因为，一方面au薄膜层的导热系数高于sio2衬底，这导致基于表面晶格共振的光流控器件产生的热量通过au薄膜层迅速扩散；另一个原因是，作为基于表面晶格共振的光流控器件的组成部分，au薄膜层本身也会由于欧姆耗散而产生热量，从而增加了纳米圆盘之间的温度和热流。
44.为了直观地研究两种器件在时间上和空间上温升分布的变化，图5(a)和图5(b)分别绘制了基于表面晶格共振的光流控器件和基于局域等离激元共振的光流控器件在不同辐照时间下的轴向(z方向和x方向)线图。由于金属的导热系数远远大于周围液体环境的导热系数，所以热量在金属内部的流动速度要比在液体环境中快得多，因此可以观察到，在所有情况下，金属表面的最高温升几乎是均匀的。此外，x方向的线图验证了au薄膜层对于基于表面晶格共振的光流控器件的重要作用，即它不仅可以有效地分散纳米圆盘所产生的热量，也通过自己的散热增加了空间的温度分布。因此证明了本技术所提出的基于表面晶格共振的光流控器件允许在空间和时间内广泛重构温度场，这为光流控的应用如溶液中粒子的操纵等提供了更高的控制自由度。
45.这些热能通过热辐射和热传导过程从周期性纳米结构层和薄膜层耗散到液体环境层，从而可以在液体环境层中产生温度梯度。由于液体温度的变化会引起其密度的变化，使得部分液体向上移动，最终会产生流体对流。为了进一步说明本发明基于表面晶格共振的光流控器件在流体动力学上的优势，本实施例比较了基于表面晶格共振的光流控器件和基于局域等离激元共振的光流控器件的热诱导流体对流分布，如图6所示。图6(a)和图6(b)为稳态条件下，基于表面晶格共振的光流控器件和基于局域等离激元结构共振的光流控器件周围诱导的流体对流的垂直和水平二维切片分布图。其中速度矢量和流线表示液体流动的方向，不同颜色表示温升的大小和流体速度。在流体对流垂直二维切片分布图中(x-z平面上)，可以看出流体流动的方向远离热源，即远离光流控器件的位置。在流体对流垂直二维切片分布图中(x-y平面上)，可以看出到流体流向热源，即靠近光流控器件的位置。图6(c)是两个光流控系统中液体环境的平均温升随时间的函数。随着辐照时间的增加，两体系的液体环境温度上升均先迅速上升，然后在4微秒左右逐渐达到稳定状态。图6(d)描绘了表面晶格共振加热和局域等离激元共振加热在点(0,0,200nm)引起的流体对流速度随时间的变化。从图6(c)可以观察到，在稳态条件下，基于表面晶格共振的光流控器件诱导了约86k的温度变化，然而，基于局域等离激元共振的光流控器件诱导温度仅升高了20k。相对应，从图6(d)可以看出，由表面晶格共振加热诱导的流体对流最大流速达到0.01nm/s，局域等离激元共振加热诱导的流体对流最大流速达到7.9
×
10-3
nm/s。与图6(c)趋势相同，两个光流控器件中的流体对流速度先增加后逐渐稳定。图6(c)和图6(d)表明，基于表面晶格共振的光流控器件无论是稳态速度还是由光热响应诱导的流体对流的速度均大于基于局域等离激元共振的光流控器件。
46.实施例2
47.基于实施例1，本技术实施例提供了另外一种基于表面晶格共振的光流控器件。如图7所示，与实施例1基本相同，区别仅在于周期性纳米结构为纳米方盘。优选地，纳米方盘
的边长为240nm,厚度为40nm。
48.图8、图9和图10分别为本发明实施例2的一种基于表面晶格共振的光流控器件的吸收光谱、电磁场分布、光诱导温度增加分布、热诱导流体对流分布图，从图8、图9和图10可以看出，在不改变共振的情况下，由于方盘相对于圆盘增大了金属纳米结构的面积，从而增加了该光流控器件的光热响应，即产生的热量，从而增大了由表面晶格共振光热效应引起的流体对流的流速。
49.实施例3
50.基于实施例1和2公开的基于表面晶格共振的光流控器件，本实施例公开了一种基于表面晶格共振的光流控器件在疾病诊疗中的应用，具体包括以下步骤：
51.步骤1，将基于表面晶格共振的光流控器件置于液体环境的微流腔室内；
52.步骤2，将抗原修饰的小尺寸的纳米结构混入微流腔室内，并用荧光标记这些小球；
53.步骤3，将抗体修饰的大尺寸的纳米结构混入微流腔室内；
54.步骤4，用激光照射所述光流控器件，在微流腔室内产生流体对流；
55.步骤5，抗原修饰的荧光标记的纳米结构与抗体修饰的纳米结构在对流的作用下发生碰撞并充分进行抗原抗体反应，此时具有特异性抗原的纳米结构会附着在抗体纳米结构上形成更大的聚集结构，并且在对流作用下顺着流线运动，最终在光流控器件附近发生聚集；
56.步骤6，关闭激光，对聚集在光流控器件附近的聚集结构进行荧光检测，根据是否检测到抗原来判断抗原抗体是否进行了反应，以完成对抗体的检测。
57.其中，小尺寸的纳米结构指尺寸小于等于6nm的纳米结构；大尺寸的纳米结构指尺寸大于6nm的纳米结构；所述聚集结构为抗原修饰的荧光标记的纳米结构与抗体修饰的纳米结构的结合物。
58.可选地，所述微流腔室的高度为2cm至4cm。
59.可选地，所述纳米结构为聚苯乙烯球。
60.可选地，所述聚苯乙烯球的直径为2至10nm。
61.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，凡属于本发明思路下技术方案均属于本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。