基于连续域准束缚态太赫兹超表面镊捕获生物样本的方法

1.本发明属于太赫兹光谱应用技术领域，具体涉及一种基于连续域准束缚态太赫兹超表面镊捕获生物样本的方法。


背景技术：

2.在生物医药领域，时常需要对纳米、微米尺度大小的分子、病毒、细胞等生物样本进行捕获和精准的位置操控，如将某些化学分子与特定的细胞受体相结合。通常的技术路线是先利用荧光剂、放射性核素等物质先对生物样本进行修饰和标记，再人为地操控、将其运输到特定部位。这些方法，不但无法做到无接触、可能污染生物样本，标记过程比较繁琐，而且很难对目标生物样本实现准确、高效地捕获和操控，极大地限制了科研人员对微观生物样本的功能特性研究。
3.光镊技术是利用激光束形成三维势阱来捕获微小粒子，并通过改变光束聚焦的位置可进一步地操控粒子的移动，宛如将光当成镊子夹住粒子一样。然而，传统的光镊技术，利用的是高能量的激光束，不仅能量高，可能会对生物样本产生直接或间接的损害，而且由于存在衍射极限，对其所操控的粒子的尺寸也有很大限制。
4.近年来，科研人员借助基于等离子体基元共振的亚波长周期结构，实现了超表面镊，光镊技术由此迅速扩展到了光电子学领域。当电磁波入射到超表面器件的表面时，在金属与介质交界面处将产生大量等离子体基元，这些基元来回震荡导致入射电磁波与超表面产生强烈共振，进而形成梯度很大的电场。高梯度的电场将产生高的三维势阱，也即对作用的微粒产生很大的束缚力。超表面镊，破除了传统光镊需要复杂、精密的光学设备的限制，克服了衍射极限的限制，同时也解决了激光能量过高，会对生物样本产生潜在的危害，并能对尺寸更小的微粒进行精准的捕获和操控。
5.尽管超表面镊解决了传统激光光镊的上述缺点，但大量现有的超表面镊采用的是可见光和红外波，可能损伤某些生物样本，因而无法对这些生物样本实现无损地捕获和操控。此外，为了获得更高的捕获力，需要增强器件表面的电场梯度或电场局域度，而现有的超表面镊的电场梯度和局域度仍然有待提高。总之，这些实际需要迫使我们寻求一种能够提高捕获力、实现对生物样本无损操控的新型超表面镊技术。
6.其次，传统的激光光镊技术，是利用高数值孔径的物镜对入射激光进行聚焦，利用光学梯度力在焦点位置处形成三维势阱，实现对微粒的非接触捕获，但是光束的光强过高将损害生物样本；此外，由于激光存在衍射极限，使用激光技术的光镊所能捕获的微粒尺寸一般处在微米尺度，近一步限制了其在生物医学领域的应用。另一方面，由于可见光和红外波经过多年的研究与发展，相关的光源、探测器和应用器件已经十分广泛而成熟，但基于可见光或红外波的超表面镊仍将面临生物相容性不好等问题，难以实现对不同类型生物样本的无损捕获与操纵。太赫兹波(频率范围在0.1～10thz之间的电磁波，1thz＝1
×
10
12
hz)近年来才逐步解决和完善太赫兹源和探测的两大关键技术，相应地，关于太赫兹波的相关器件及其应用尚处于研究的热潮中，特别是本技术中提到的太赫兹波段的超表面镊还有待开
发和研究。太赫兹波相较于激光和红外波，具有光子能量低、生物相容性好等优点。但若直接设计构建太赫兹波段的超表面镊，将因为太赫兹波波长较长(相比于红外和可见光)而使得器件的电场增强效果和局域度差，限制了其用于捕获和操控生物样本的能力。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于连续域准束缚态太赫兹超表面镊捕获生物样本的方法，利用太赫兹波、而非激光、可见光或红外，具有相当高的生物相容性，不会对生物样本造成损害；通过使用基于连续域准束缚态的超表面镊来提高电场的局域与增强能力，改善了太赫兹波器件电场局域度不高的缺点，提高了捕获微粒能提供的束缚力，因而提高了捕获能力。
8.本发明采用以下技术方案：
9.基于连续域准束缚态太赫兹超表面镊捕获生物样本的方法，包括以下步骤：
10.s1、针对待捕获微粒设计准束缚态激发的太赫兹超表面镊；
11.s2、将含有待捕获生物样本微粒的溶液滴加在步骤s1设计的超表面镊表面；
12.s3、调整超表面镊与太赫兹波极化方向的相对角度，照射太赫兹波在超表面镊上形成最大电场局域增强；
13.s4、利用步骤s3增强的最大电场局域产生捕获势阱，通过捕获势阱产生的梯度力捕获生物样本微粒。
14.具体的，步骤s1中，太赫兹超表面镊的单元周期尺寸为30μm～3mm。
15.进一步的，太赫兹超表面镊包括若干超表面最小单元结构，若干超表面最小单元结构在平面内周期性阵列排布，超表面最小单元结构的相对介电常数为11.8～12，金属的电导率为4.56
×
107～5.8
×
107s/m。
16.更进一步的，超表面最小单元结构包括基底和竖条结构，竖条结构设置在基底上，基底的长度p＝85～95μm，高度h＝35～50μm；竖条结构为长方体结构，包括间隔设置的第一竖条结构和第二竖条结构，第一竖条结构的长度l＝50μm，宽度w＝30～35μm，高度h＝35～50μm，第二竖条结构的长度为l+δl，l＝50μm，δl＝-30～30μm，宽度w＝30～35μm，高度h＝35～50μm。
17.更进一步的，基底的长度p＝240～260μm，高度h＝20～25μm；竖条结构为正方体结构，正方体结构的长度s＝140～160μm，正方体结构上开有孔，孔的长度l＝35～45μm，宽度w＝40～50μm，孔中心与正方体结构中线的距离δy＝-50～50μm。
18.具体的，步骤s2中，待捕获生物样本微粒的粒径为10nm～10μm。
19.具体的，步骤s3中，超表面镊和太赫兹极化方向的相对角度调整范围为0～180
°
，误差为0～5
°
。
20.具体的，步骤s3中，照射频率为0.1～5thz，光斑为2～3mm2的太赫兹波。
21.进一步的，最大电场局域的增强倍数为30～50倍。
22.具体的，步骤s4中，捕获势阱产生的梯度力大于等于10kbt，kb为波兹曼常数，t为工作温度。
23.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
24.本发明基于连续域准束缚态太赫兹超表面镊捕获生物样本的方法，通过打破c2对
称性，设计出一种可捕获所需微粒大小的超表面镊，由于所设计的超表面器件是极化敏感的，所以在使用时需要保证实际入射电磁波的极化方向应于仿真计算时的入射方向保持一致，以最大化地提高电场局域和增强效果；由于准束缚态特有的电磁场局域特性，能有效解决太赫兹超表面镊电场局域度低的问题，从而增强梯度力，提高捕获生物样本的能力，在实际操作时，先对太赫兹超表面镊照射太赫兹波，使得超表面镊形成一系列电场局域比较高的区域，此时滴加的生物样本微粒将被捕获到这些区域。
25.进一步的，太赫兹波波长对应范围为30μm～3mm，超表面镊单元的尺寸应在亚波长量级，即单元周期尺寸小于谐振频率对应的波长，单元尺寸按经验一般设置在50μm～400μm较为合适。
26.进一步的，超表面最小单元结构在平面内进行周期性阵列，阵列方式可参阅图3，为简化材料设置，选用全硅结构，硅的相对介电常数为11.8～12。
27.进一步的，设置一对长方体的目的在于，可以固定其中一个长方体的位置，而改变另外一个长方体的长度(δl)，便可以打破c2对称性，从而得到准束缚态的太赫兹超表面镊。
28.进一步的，当长方体中心与孔的中心重合时，此时具有c2对称性，通过调整孔的位置(δy)打破c2对称性，从而得到准束缚态的太赫兹超表面镊。
29.进一步的，利用超表面镊实现生物样本微粒的捕获。
30.进一步的，当入射的极化方向的角度与设计不同时，电磁响应将不同于设计结果，为了保证器件能有设计的效果，应该使得入射电磁波实际的极化角度与理论仿真的角度相差尽可能小，一般在5
°
以内。
31.进一步的，照射频率在0.1～5thz，光斑在2～3平方毫米的太赫兹波，符合市面太赫兹设备的相关参数。
32.进一步的，特定区域指电场局域增强倍数很高的区域，这些区域电场强度高，将产生更大的梯度力因而微粒将被捕获在这些区域内。
33.进一步的，捕获势阱的势能是用来评判能否捕获微粒的一个关键指标，r0点的势能的计算方式为为提高对微粒的捕获能力，需要提高电场局域，获得较大的梯度力，最终获得满足要求的势阱。
34.综上所述，本发明在太赫兹波段实现一种准束缚态激发的太赫兹超表面镊，能实现非常高的电场增强和局域，以提高对生物样本微粒的无损捕获和操控能力。
35.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
36.图1为本技术的超表面镊对生物样本的捕获步骤；
37.图2为实施例1的单元模型结构图；
38.图3为实施例1的单元结构和整体超表面镊的所属关系图；
39.图4实施例1不同δl的反射谱等高线图；
40.图5为实施例1品质因子q随δl的变化图；
41.图6为实施例1δl＝8μm，1.1004thz处的电场增强分布图；
42.图7为实施例2的单元模型结构示意图；
43.图8为实施例2在不同δy下时的吸收谱等高线图；
44.图9为实施例2的品质因子q随δy的变化图；
45.图10为实施例2的δy＝30μm，2.9221thz处的电场增强分布图。
46.其中，1.基底；2.竖条结构。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
51.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
52.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
53.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
54.连续域束缚态(bic)的概念最早起源于量子力学领域，后来被拓展到光电子学领域。连续域内的束缚态不能向外辐射能量，电磁波的能量被束缚在结构内部，因此理想的束缚态是无法通过实验设备观测到的。通过打破超表面结构的c2对称性(c2对称性也指反对称性，当某一个几何形状绕某一个轴旋转180度可以和原来的形状重合时，称这个几何形状具
c2对称性)，理想的束缚态变为准束缚态，准束缚态相比于理想的束缚态，具有可观测的线宽(品质因子q很高)，同时可实现很强的电磁场局域与增强，且其q值和电磁场局域与增强效果可通过非对称系数进行连续地调控。
55.梯度力f
grad
和电场e的关系为：
[0056][0057]
r0处的势阱的势能u0(r0)可计算为：
[0058][0059]
其中，表示梯度运算，为提高势能的大小，需增大梯度力，而为了增大梯度力(捕获力)可通过增大电场的局域度或增强电场的幅值两种思路实现。
[0060]
本发明提供了一种基于连续域准束缚态太赫兹超表面镊捕获生物样本的方法，通过打破超表面单元结构的c2对称性(当某一个几何形状绕某一个轴旋转180度可以和原来的形状重合时，称这个几何形状具c2对称性)、将连续域内不可观测的束缚态转变为可观测的准束缚态，提高电场的局域度和增强效果，加强超表面镊的捕获能力。
[0061]
本发明一种基于连续域准束缚态的太赫兹超表面镊装置对生物样本进行捕获的方法，旨在通过准束缚态谐振提高太赫兹超表面镊的电场局域和增强，实现稳定的生物样本捕获和操控，具体步骤如下：
[0062]
s1、针对待捕获微粒的大概尺寸，设计并加工单元尺寸为30μm～3mm，准束缚态激发的太赫兹超表面镊；
[0063]
待捕获微粒的尺寸数量级小于超表面镊最小单元的尺寸。
[0064]
本发明一种基于连续域准束缚态的太赫兹超表面镊，包括若干超表面最小单元结构，若干超表面最小单元结构在平面内周期性阵列排布，相邻两个超表面最小单元结构之间间隔设置，结构在平面内没有c2对称性，能够在太赫兹波段实现准束缚态激发，超表面最小单元结构包括基底1和竖条结构2，其中，基底1既是整个器件的基底，也是器件本身的组成成分，竖条结构2设置在基底1上。
[0065]
优选的，超表面最小单元结构的相对介电常数为11.8～12，金属的电导率为4.56
×
107～5.8
×
107s/m。
[0066]
超表面镊采用介质或金属中的一种或多种组合，常用的介质包括硅、二氧化硅、树脂、pdms等，常用的金属包括金、银、铜、钛和铬等。
[0067]
请参阅图2，基底1的长度p＝85～95μm，高度h＝35～50μm；竖条结构2为长方体结构，包括第一竖条结构和第二竖条结构，第一竖条结构的长度l＝50μm，宽度w＝30～35μm，高度h＝35～50μm，第二竖条结构的长度l+δl，l＝50μm，δl＝-30～30μm，宽度w＝30～35μm，高度h＝35～50μm；竖条结构和基底均采用硅材料制成。
[0068]
请参阅图7，基底1的长度p＝240～260μm，高度h＝20～25μm；超表面最小单元结构2为正方体结构，正方体结构的长度s＝140～160μm，正方体结构上开有孔，孔的长度l＝35～45μm，宽度w＝40～50μm，孔中心与正方体结构中线的距离δy＝-50～50μm，超表面最小单元结构和基底均采用金材料制成。
[0069]
s2、将含有待捕获生物样本微粒的溶液滴加在步骤s1设计的超表面镊表面；
[0070]
s3、调整超表面镊与太赫兹波极化方向的相对角度(夹角范围为0～180
°
)，当谐振峰的幅值最大时，超表面镊能有最佳的电磁波响应，在此情况下照射太赫兹波，超表面镊的特定区域的最大电场局域增强30～50倍；
[0071]
s4、电场局域将产生势能大于10kbt的捕获势阱，生物样本微粒将被势阱产生的梯度力捕获在区域内。
[0072]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0073]
实施例1
[0074]
请参阅图2，为实施例1的单元几何结构模型，由两个竖条和长方体基底构成，所有组件材料均为介电常数为11.9的硅组成，以此为最小单元，在平面内周期性地阵列，即得到一个准束缚态增强的太赫兹超表面镊(请参阅图3)，在实际操作中，需至少满足超表面镊的面积大于太赫兹光斑面积(2平方毫米)，同时考虑到加工问题，阵列数量为15*15～50*50。
[0075]
太赫兹超表面镊的几何尺寸取值范围依次为p＝85～95μm，h＝35～50μm，w＝30～35μm，l＝50μm，δl＝-30～30μm。通过cst studio suite电磁仿真软件计算1.095～1.115thz内，入射电磁波的极化方向平行于竖条方向，不同δl取值时(从-30～30μm)的反射谱，如图4所示，当δl取值趋近于0时，反射谱逐渐消失，及对应的q值，如图5所示，当δl的绝对值变小时，q值逐渐增大；综上两个特征，可知在δl＝0时存在一个明显的束缚态。
[0076]
优选地，取p＝90μm,h＝50μm，w＝30μm，l＝50μm，δl＝8μm作为实施例1的超表面镊。
[0077]
请参阅图6，对优选的准束缚态太赫兹超表面镊(δl＝8μm)，频率为1.1004thz时，电场在两个竖条的两端形成了很高的局域和增强，电场增强最高达到了5540，当滴加含有生物样本的溶液时，生物样本将受到电场产生的梯度力，从而被捕获在竖条两端。
[0078]
请参阅图4，为不同δl取值时的反射谱的等高线图，从图4中可知，当|δl|减小时，透射谱谐振峰的宽度不断减小，至少达到束缚态(|δl|＝0)时，谐振峰宽度小到无法观测，此时在理论上拥有无限大的品质因子q。
[0079]
请参阅图5，为不同δl取值下的品质因子q的取值变化。
[0080]
优选其中一个准束缚态(p＝90μm，h＝50μm，w＝30μm，l＝50μm，δl＝8μm)为实施例，计算其在频率为1.1004thz时的电场增强效果，请参阅图6，看到在竖条的两端，形成非常高的电场增强和电场局域，最高达到了5540，当滴加含有生物样本的溶液时，生物样本将受到电场产生的梯度力，从而被捕获在竖条两端。
[0081]
实施例2
[0082]
请参阅图7，为实施例2的单元结构示意图，形如一挖孔方块，组成材料为金；几何
尺寸取值范围依次为p＝240～260μm,h＝20～25μm，s＝140～160μm，w＝40～50μm，l＝35～45μm，δy＝-50～50μm。
[0083]
请参阅图8，图8展示了频率范围从2.9到2.935太赫兹，δy从-50到50μm时的吸收谱等高线图。
[0084]
请参阅图9，为其对应的q值，当δy＝0时是一个明显的束缚态激发点。
[0085]
优选地，取尺寸p＝250μm，h＝20μm，s＝150μm，w＝44μm，l＝40μm，δy＝30μm作为实施例2的太赫兹超表面镊。
[0086]
请参阅图10，对优选的准束缚态太赫兹超表面镊(δy＝30μm)，谐振频率在2.9221太赫兹时，电场在矩形周围和方孔内部，特别是在矩形的角点上形成了相当高的电场局域和增强，增强倍数达到了最高170倍，具有很高的生物样本捕获能力。
[0087]
综上所述，本发明一种基于连续域准束缚态太赫兹超表面镊捕获生物样本的方法，通过打破c2对称性，将束缚态转变到准束缚态，构建太赫兹超表面镊，电场强度最高增强达到了至少70余倍，能有效用于生物样本微粒的捕获和操控。
[0088]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。