一種基于石墨烯的微型分子光鑷的制作方法
本發(fā)明涉及分析測試儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯的微型分子光鑷。
背景技術(shù)：
近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)生活中的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長，電路的微型化和高度集成化逐漸成為工程師的努力方向。然而，隨著器件越做越小，傳統(tǒng)的電學(xué)器件串?dāng)_大、損耗高以及散熱嚴(yán)重等問題逐漸凸顯出來。相對于電子器件，光子器件具有功耗低、速度快、并行能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等多方面的優(yōu)勢。然而，由于衍射極限的限制，傳統(tǒng)光子器件的幾何尺寸無法小于波長，這一點(diǎn)給光子器件的大規(guī)模集成帶來了困難。等離子體光學(xué)材料能夠?qū)⒐庀拗圃趤啿ㄩL范圍內(nèi)，解決了這一困難。
石墨烯作為一種零帶隙的半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的錐形能帶結(jié)構(gòu)與線性散關(guān)系。石墨烯具有獨(dú)特的熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)性能，尤其是石墨烯電子具有很高的載流子遷移率，電子在能帶間和帶內(nèi)的特殊輸運(yùn)特性，使得石墨烯被廣泛應(yīng)用在納米復(fù)合材料、光電探測器、光伏電池、傳感及儲能材料等方面。石墨烯的電子在能帶內(nèi)和能帶間的遷移受外界電場和磁場的影響，通過外加電場或磁場的方式，可以方便的對石墨烯的電磁學(xué)性質(zhì)調(diào)諧，其次還可以通過化學(xué)摻雜的方式調(diào)諧其電磁學(xué)性質(zhì)，這種可調(diào)諧性質(zhì)使得石墨烯優(yōu)異于金屬。石墨烯是表面等離激元在遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段應(yīng)用的新的平臺，利用石墨烯的表面等離激元特性，可以有效操控光的傳輸和吸收，因此石墨烯成為近年來研究人員研究的熱點(diǎn)。
利用石墨烯制備納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子檢測也越來越受到大家的青睞。石墨烯的表面等離子體效應(yīng)能將光限制在幾十納米，優(yōu)于傳統(tǒng)貴金屬等材料的亞波長(一般幾百納米)范圍，因此，利用石墨烯局部等離子體共振效應(yīng)來誘捕生物分子能夠更有利于光與分子間的相互作用。但由于受傳統(tǒng)透鏡尺寸限制，目前還沒有微型光鑷出現(xiàn)；單分子ghz振動探測也沒有有效手段。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種石墨烯微型分子光鑷，具體技術(shù)方案如下：
一種基于石墨烯的微型分子光鑷，包括：光源會聚單元和分子誘捕單元，所述分子誘捕單元上設(shè)置有溶液池，所述光源會聚單元設(shè)置在所述分子誘捕單元上方并將外部入射的光會聚到下方的分子誘捕單元的溶液池處，所述分子誘捕單元的溶液池內(nèi)呈放待測的分子溶液，所述分子誘捕單元上開設(shè)有樣品處理微流控結(jié)構(gòu)。
可選地，所述光源會聚單元包括：石墨烯超透鏡，所述石墨烯超透鏡為多層結(jié)構(gòu)，從下至上依次為：聚酰亞胺層、金屬亞表面層、石墨烯層、電極層和離子凝膠層。
可選地，所述石墨烯超透鏡厚度小于50um。
可選地，所述石墨烯層和所述電極層通過可控偏置電壓源連接。
可選地，所述石墨烯超透鏡的石墨烯層上設(shè)置有交叉領(lǐng)結(jié)型微納陣列結(jié)構(gòu)。
可選地，所述分子誘捕單元包括：基底、石墨烯捕捉層、納米電極和射頻引線，所述石墨烯捕捉層設(shè)置在所述基底上，所述石墨烯捕捉層中心設(shè)置有石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)，所述納米電極設(shè)置在所述石墨烯捕捉層上，所述射頻引線與所述納米電極連接。
可選地，所述石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)由對稱設(shè)置的兩個尖端組成，兩個所述尖端相對設(shè)置，近似形成同心圓蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)。
可選地，所述分子誘捕單元上設(shè)有樣品處理微流控結(jié)構(gòu)，所述微流控結(jié)構(gòu)包括溶液流入流道和溶液流出通道。
可選地，所述溶液池由兩端的支撐部與底部的分子誘捕單元共同界定而成，所述支撐部采用聚二甲基硅烷。
本發(fā)明的有益效果在于，利用石墨烯優(yōu)異的光電特性，可實(shí)現(xiàn)光源的高度聚焦，并利用石墨烯納米結(jié)構(gòu)的局部等離子體光學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光能的納米尺度限制，同時實(shí)現(xiàn)分子誘捕和本征共振激發(fā)，此外可感應(yīng)分子的ghz高頻振動，并利用射頻探針測量；通過石墨烯電極，外加高頻電磁波，將電磁波引導(dǎo)到分子誘捕點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)外加高頻電磁波與分子的互相作用，利用電磁波改變分子的振動特性，從而改變分子的生物特性。采用石墨烯微納超透鏡與石墨烯等離激元光鑷相集成，形成微型單分子光鑷器件，整個器件體積約小于20mm*20mm*30mm，屬于微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，操作方便。帶有納米孔的石墨烯表現(xiàn)出優(yōu)異的溶液離子和氣體分子選擇性，且石墨烯厚度極薄，有著高機(jī)械強(qiáng)度和高化學(xué)穩(wěn)定性，因此更適合對生物單分子的操控。利用石墨烯優(yōu)異的光電及光聲特性，構(gòu)建石墨烯微型分子光鑷，可更好的實(shí)現(xiàn)電磁耦合及分子高頻振動的直接探測。此外，利用石墨烯制作的微透鏡厚度小于50um，比傳統(tǒng)透鏡體積小很多；石墨烯的光學(xué)特性能將光限制在分子尺寸大小，更有利于光與分子相互作用，可以更好的實(shí)現(xiàn)生物單分子的可控誘捕。
附圖說明
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明石墨烯超透鏡截面圖；
圖3為本發(fā)明石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明石墨烯超透鏡石墨烯層交叉領(lǐng)結(jié)型的微納陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
如圖1所示，一種基于石墨烯的微型分子光鑷，包括：光源會聚單元1和分子誘捕單元2，所述分子誘捕單元2上設(shè)置有溶液池10，所述溶液池10由兩端的支撐部10a與底部的分子誘捕單元2共同界定而成，所述支撐部10a可采用聚二甲基硅烷(pdms)，所述光源會聚單元1設(shè)置在所述分子誘捕單元2上方并將外部入射的光會聚到下方的分子誘捕單元2的溶液池10處，所述分子誘捕單元2的溶液池10內(nèi)呈放待測的分子溶液，所述分子誘捕單元2上開設(shè)有樣品處理微流控結(jié)構(gòu)，所述微流控結(jié)構(gòu)包括溶液流入流道和溶液流出通道，方便分子溶液流量、流速控制和清洗，有利于分子光鑷重復(fù)使用。
如圖1、2、4所示，所述光源會聚單元1包括：石墨烯超透鏡，所述石墨烯超透鏡厚度小于50um，所述石墨烯超透鏡為多層結(jié)構(gòu)，從下至上依次為：聚酰亞胺層11、金屬亞表面層12、石墨烯層13、電極層14和離子凝膠層15，所述聚酰亞胺層11做為襯底，所述電極層14表面設(shè)置有多個均與布置的微孔形成孔陣列結(jié)構(gòu)，所述離子凝膠層15做為頂部柵介質(zhì)材料。所述石墨烯層13和電極層14通過可控偏置電壓源連接，以調(diào)節(jié)所述石墨烯層13表面層的費(fèi)米能，從而改變石墨烯層13的電導(dǎo)率。所述石墨烯超透鏡等離結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐庀拗圃诜肿映叽绱笮。瑑?yōu)于傳統(tǒng)顯微物鏡的亞波長(一般幾百納米)的范圍。此外石墨烯超透鏡還可以利用石墨烯獨(dú)特的電子特性調(diào)整輸出光束的強(qiáng)度或振幅，可以將太赫茲左旋圓偏振光轉(zhuǎn)換成右旋偏振光，或者通過旋轉(zhuǎn)交叉領(lǐng)結(jié)型的微納陣列結(jié)構(gòu)的圖案，將光束(或光波)偏折到所需的角度。其中單領(lǐng)結(jié)形由兩個相同的等腰梯形和寬度與梯形上底相等的矩形相連而成。常規(guī)的光學(xué)透鏡具有幾厘米至幾毫米的厚度，石墨烯超透鏡僅有幾十微米厚，聚焦光的強(qiáng)度可以得到有效控制，比普通透鏡的分辨率提高很多。
石墨烯是一種半金屬材料,其導(dǎo)帶和價(jià)帶交于一點(diǎn)(狄拉克點(diǎn))。在狄拉克點(diǎn)附近,電子的運(yùn)動可以用相對論性的狄拉克方程描述:
石墨烯中費(fèi)米能級(ef)可以通過電學(xué)或者化學(xué)摻雜的方式進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)其光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)入射光子能量小于2ef時(一般對應(yīng)太赫茲及中紅外區(qū)間)，由于泡利不相容原理，帶間躍遷被禁止，石墨烯對光子的吸收主要來源于自由載流子發(fā)生的帶內(nèi)躍遷。由自由載流子集體振蕩而產(chǎn)生的石墨烯等離激元即發(fā)生在此頻率范圍。當(dāng)入射光子能量高于2ef時(一般對應(yīng)近紅外區(qū)間)，電子吸收光子后將發(fā)生帶間躍遷,具有和本征石墨烯相同的吸光度。因此,可以通過調(diào)節(jié)費(fèi)米面來調(diào)節(jié)石墨烯的光學(xué)性質(zhì),從而調(diào)節(jié)石墨烯等離激元，使其吸收更多能量的光，將光束會聚在分子尺寸量級，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高數(shù)值孔徑顯微物鏡。
傳統(tǒng)透射電子顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)納米尺度下很多材料的觀察。然而,液體樣品與透射電鏡中的真空環(huán)境不相容,而電子束的輻照損傷對很多固體樣品也是不利的。石墨烯只有一個原子層厚,同時具有極高的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性和對小分子的不滲透性,因此可以直接以石墨烯為基底，研發(fā)高分辨率的石墨烯超透鏡，克服傳統(tǒng)透鏡帶來的不便。
如圖1、3所示，所述分子誘捕單元2用于產(chǎn)生等離子體效應(yīng)誘捕生物單分子，能適合尺寸小于50nm的生物單分子操控，所述分子誘捕單元2包括：基底21、石墨烯捕捉層22、納米電極23和射頻引線24，所述石墨烯捕捉層22設(shè)置在所述基底21上，所述石墨烯捕捉層22中心設(shè)置有石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)221，所述納米電極23設(shè)置在所述石墨烯捕捉層22上，所述射頻引線24與所述納米電極23連接。
所述石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)221由對稱設(shè)置的兩個尖端221a組成，兩個所述尖端221a相對設(shè)置，近似形成同心圓蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生局部表面等離子體效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)生物單分子的可控誘捕。所述納米電極23分別設(shè)置在所述石墨烯捕捉層22上靠近尖端221a的位置。
所述納米電極23可采用100nm厚金膜的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，納米電極23一端接地，所述共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板、信號電極和地電極，所述介質(zhì)基板為100nm厚的金膜，所述信號電極在金膜上表面正中央，所述地電極在金膜上表面的邊緣、兩個側(cè)面和下表面，并連為一體。
所述溶液池10與微流控結(jié)構(gòu)集成，實(shí)現(xiàn)樣品自動處理。
工作時，通過微流控通道將待測分子溶液引入溶液池10，從外部輸入驅(qū)動電壓將待測分子溶液電解，光源從上方入射，待測分子溶液中的分子被下方石墨烯捕捉層22上的石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)221捕捉。待檢測完成后，還可通過微流控通道對檢測樣品進(jìn)行清洗，可重復(fù)使用。
所述納米電極23與射頻引線24共同組成射頻探針，利用石墨烯的聲學(xué)特性，能夠感應(yīng)分子的ghz高頻振動，并利用射頻探針測量，并且通過外加高頻電磁波，將電磁波引導(dǎo)到分子誘捕點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)外加高頻電磁波與分子的互相作用，利用電磁波改變分子的振動特性，從而改變分子的生物特性。所述基底21可采用sio2基底。
石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)221會產(chǎn)生局部等離子體光學(xué)效應(yīng)，將光能會聚在15nm內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)生物單分子的可控誘捕，并通過窄帶雙激光拍頻激發(fā)分子本征共振。
除此之外，石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)221表現(xiàn)出優(yōu)異的分子選擇性，通過制備石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)221，可以實(shí)現(xiàn)生物單分子的可控誘捕并精確研究生物單分子在石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)221的運(yùn)輸特性，石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)221不僅具有良好的分子選擇性，而且表現(xiàn)出巨大的離子整流效應(yīng)，克服了傳統(tǒng)固態(tài)納米孔帶來的很多不便。
與金屬微結(jié)構(gòu)中的局部等離子體共振相似，石墨烯微納結(jié)構(gòu)也可以激發(fā)局部等離子體共振。當(dāng)石墨烯微結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于入射光波長時,可以在靜電模型下求解麥克斯韋方程得到其等離激元性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)上一般通過石墨烯微納結(jié)構(gòu)陣列的吸收光譜來研究其局域等離子體共振的性質(zhì)。
由于石墨烯中有限的電子濃度，其等離激元的共振頻率極低，發(fā)生在太赫茲到中紅外頻段，而傳統(tǒng)金屬等離激元主要發(fā)生在可見光頻段。石墨烯一個非常重要的特性就是光學(xué)電導(dǎo)率能夠被外部的電場或磁場所調(diào)節(jié)，通過化學(xué)摻雜等方式可以改變載流子濃度，也可以改變石墨烯的光學(xué)電導(dǎo)率。在紅外光照射石墨烯時，在不同的電壓下，石墨烯的電導(dǎo)率會隨著入射光的頻率改變而改變，如果光頻率增大到一定程度還出現(xiàn)吸收飽和的現(xiàn)象。
因此，可以利用石墨烯優(yōu)良的光聲特性，對一些太赫茲范圍內(nèi)的敏感分子進(jìn)行測量并對其進(jìn)行分析。
利用石墨烯優(yōu)良電學(xué)特性，施加外加高頻電磁，主動干預(yù)分子振動；實(shí)現(xiàn)生物分子與電磁的耦合和互作，為疾病靶向提供全新方向。
石墨烯具有良好的電學(xué)可調(diào)特性，石墨烯的費(fèi)米能級能夠通過柵壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，而在傳統(tǒng)的金屬等離激元中，由于金屬中的高電子密度而無法實(shí)現(xiàn)調(diào)制。且石墨烯外部電磁場可實(shí)現(xiàn)高度局域化，石墨烯等離激元的能量與費(fèi)米能級在同一個量級,而其波長卻比自由空間中的光子小兩個數(shù)量級，這意味著106倍的體積壓縮比。石墨烯的導(dǎo)電性可以通過化學(xué)改性方法進(jìn)行控制，并可同時獲得各種基于石墨烯的衍生物。石墨烯是一種低噪聲的電學(xué)材料，不僅可以用于化學(xué)傳感，也可以用于在外電場、磁場或應(yīng)力狀態(tài)下的局部探測器。
石墨烯的電子在能帶內(nèi)和能帶間的遷移受外界電場和磁場的影響，通過外加電場或磁場的方式，可以方便的對石墨烯的電磁學(xué)性質(zhì)調(diào)諧，其次還可以通過化學(xué)摻雜的方式調(diào)諧其電磁學(xué)性質(zhì)，這種可調(diào)諧性質(zhì)使得石墨烯優(yōu)異于金屬，而石墨烯這一優(yōu)良性質(zhì)得益于石墨烯電子的能帶結(jié)構(gòu)。
利用石墨烯優(yōu)良的電學(xué)特性，通過外加高頻電磁，引起分子振動，實(shí)現(xiàn)生物分子與電磁的耦合，從而去分析生物分子的特性。
針對這種感測器的潛在應(yīng)用范圍從偵測氣體外泄、檢測有毒與易爆氣體、測量并檢測dna與蛋白質(zhì)以及水中污染物。
透過施加各種電壓大小，可將石墨烯調(diào)諧成不同的頻率——這是采用現(xiàn)有感測器不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。此外，透過評估不同振動之間的細(xì)微差別過程，還可展現(xiàn)以分子方式連接原子的鍵合特性。
當(dāng)石墨烯的電子以不同方式振蕩時，它能夠引起周圍微流環(huán)境的所有分子振動。
本發(fā)明采用石墨烯超透鏡與石墨烯等離激元光鑷相集成，形成微型單分子光鑷器件，整個器件體積約小于20mm*20mm*30mm。
本發(fā)明同時具有單分子操控和單分子振動探測的功能。本發(fā)明的光源會聚單元和分子誘捕單元結(jié)構(gòu)尺寸在微納尺度，可實(shí)現(xiàn)分子光鑷微系統(tǒng)集成；石墨烯的優(yōu)良光學(xué)特性能將光限制在分子尺寸大小，優(yōu)于傳統(tǒng)貴金屬等材料的亞波長(一般幾百納米)范圍。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)生物單分子(小于50nm)的操控；利用石墨烯的優(yōu)良光聲特性，設(shè)計(jì)納米電極，實(shí)現(xiàn)電磁場與單分子耦合及單分子振動探測。
技術(shù)特征：
1.一種基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，包括：光源會聚單元(1)和分子誘捕單元(2)，所述分子誘捕單元(2)上設(shè)置有溶液池(10)，所述光源會聚單元(1)設(shè)置在所述分子誘捕單元(2)上方并將外部入射的光會聚到下方的分子誘捕單元(2)的溶液池(10)處，所述分子誘捕單元(2)的溶液池(10)內(nèi)呈放待測的分子溶液，所述分子誘捕單元(2)上開設(shè)有樣品處理微流控結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，所述光源會聚單元(1)包括：石墨烯超透鏡，所述石墨烯超透鏡為多層結(jié)構(gòu)，從下至上依次為：聚酰亞胺層(11)、金屬亞表面層(12)、石墨烯層(13)、電極層(14)和離子凝膠層(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，所述石墨烯超透鏡厚度小于50um。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，所述石墨烯層(13)和所述電極層(14)通過可控偏置電壓源連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，所述石墨烯超透鏡的石墨烯層(13)上設(shè)置有交叉領(lǐng)結(jié)型微納陣列結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，所述分子誘捕單元(2)包括：基底(21)、石墨烯捕捉層(22)、納米電極(23)和射頻引線(24)，所述石墨烯捕捉層(22)設(shè)置在所述基底(21)上，所述石墨烯捕捉層(22)中心設(shè)置有石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)(221)，所述納米電極(23)設(shè)置在所述石墨烯捕捉層(22)上，所述射頻引線(24)與所述納米電極(23)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，所述石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)(221)由對稱設(shè)置的兩個尖端(221a)組成，兩個所述尖端(221a)相對設(shè)置，近似形成同心圓蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，所述分子誘捕單元(2)上設(shè)有樣品處理微流控結(jié)構(gòu)，所述微流控結(jié)構(gòu)包括溶液流入流道和溶液流出通道。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的微型分子光鑷，其特征在于，所述溶液池(10)由兩端的支撐部(10a)與底部的分子誘捕單元(2)共同界定而成，所述支撐部(10a)采用聚二甲基硅烷。
技術(shù)總結(jié)
一種基于石墨烯的微型分子光鑷，包括：光源會聚單元和分子誘捕單元，光源會聚單元設(shè)置在分子誘捕單元上方并將外部入射的光會聚到下方的分子誘捕單元的溶液池處，分子誘捕單元的溶液池內(nèi)呈放待測的分子溶液，誘捕單元與微流控集成，樣品使用方便。本發(fā)明的有益效果在于，利用石墨烯優(yōu)異的光電特性，實(shí)現(xiàn)光源的高度聚焦，利用石墨烯納米結(jié)構(gòu)的局部表面等離子體光學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光能的納米尺度限制，同時實(shí)現(xiàn)分子誘捕和本征共振激發(fā)，此外可感應(yīng)分子的GHz本征振動，利用射頻探針測量；通過石墨烯納米電極，外加高頻電磁波，將電磁波引導(dǎo)到分子誘捕點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)外加高頻電磁波與分子的互相作用，利用電磁波改變分子的振動特性，改變分子的生物特性。
