[发明专利]一种近场光镊与AFM探针的纳操作装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用光学手段的纳米操作装置，特别是一种近场光镊与AFM探针的纳操作装置。

背景技术

近年来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，与此对应的是，微纳米尺度上的操作技术变得越来越重要。在生物领域的研究中，在使用显微镜观察生物样品时，由于温度的变化细胞或者分子会跳出显微镜的视野，操作者必须频繁地调节显微镜以纠正视野，但是如果采用光镊来固定生物样品，它将把生物细胞或者分子钳住，使操作者能够更好地观察细胞和分子，从而减少环境变化带来的影响，使观测结果更加可靠。在纳米颗粒的研究中，人们也用光镊来固定并移动纳米颗粒，将两个纳米颗粒靠近以观察颗粒间的相互作用过程，或者将纳米颗粒作功能上的排列以构成新的纳米器件。

光镊作为一种重要的微纳米操作技术，利用光的动量改变来实现微粒的无接触、无损伤捕获与操作，已在生物学和表面科学等领域得到了广泛的应用。它利用大数值孔径显微物镜形成强会聚光束，激光通过附加光学配件耦合到显微镜光学系统中进行微粒操作时，样品在光阱的捕获下保持不动，通过移动载物平台带动样品池来实现微粒的相对运动。这种常规光镊仪器体积庞大，价格昂贵，样品移动自由度小，工作距离的限制使其很难操作位于狭窄位置的微粒，也不易实现多光镊操作，这些固有的缺点限制了常规光镊作为生物粒子微操作工具的应用。利用光纤微透镜形成光学势阱的特性，人们将光纤引人光镊系统代替显微物镜形成会聚光束，同时捕获并牵引微粒运动代替样品池的运动，大大提高了操作的自由度与灵活度，但光纤光镊也存在一些缺点，比如有时光纤深人样品池对样品池有较大的干扰，液体的表面张力对光纤的移动也存在影响。

常规光镊和光纤光镊都属于远场光镊，远场光镊所能捕获的微粒大小与会聚光束所形成的光腰尺寸有关。光腰尺寸越小，所能捕获的微粒尺寸也越小，但受到光学衍射极限的限制，远场光镊都不能捕获更小的微粒。最近发展起来的近场光镊突破衍射极限，利用探针尖附近隐失场形成的局域增强场所产生的强梯度力来捕获纳米微粒，有可能实现对几十纳米至几纳米微粒的捕获。处于不均匀光场中的纳米粒子除受到梯度力作用之外，还受到外界干扰力(如重力和布朗运动力)的影响，当探针尖出射光场形成的梯度力大于外界干扰力时，对纳米微粒起主导作用的梯度力将微粒捕获在光强极点附近，在针尖处形成由光学梯度场产生的光阱。该方法比传统光镊更加灵活，光纤探针深人样品池中增大了粒子的操作范围，操作精度也从微米级发展至纳米级，但目前该方法还仅限于理论上的数值模拟，近场光纤探针极低的通光效率阻碍了其发展，偏弱的隐失场导致近场光镊在液体中捕获起来很困难，更难以在真空或空气中有选择性地操作纳米粒子。此外，近场光镊对单个纳米微粒的观测和定位目前主要是通过测量散射光的强弱变化来判断粒子是否被捕获，这种方法往往只能对一群纳米粒子的状况加以判断，并不适合对单个纳米粒子进行观测和定位。因为无法直接观察，寻找并直接定位纳米粒子就比较困难，因此要想实现近场光镊对单个纳米粒子的操作，就必须解决单个纳米粒子的精确观测与定位问题。

随着科技的发展近场光镊势必与其它测试手段相结合，以便更全面地进行纳米操作。为实现纳米微粒的稳定操作，光纤探针型近场光镊必须借助外界辅助获得足够强的梯度力以克服外界干扰力(如重力和布朗运动力)，利用隐失场照明金属探针引起的尖端近场增强效应能克服其隐失场偏弱、梯度力不足的问题。在纳米操作方法中，由AFM构成的微操作用显微镜集成像、力反馈和操作能力于一体，这种系统可对平面上的纳米对象进行机械操作，也可以用于对生物对象进行操作，但单探针只能完成简单的二维操作，不能对物体实施抓取及开展相关研究，更复杂的任务如拾取及摆放等仍未能解决，极大地限制了其柔性工作能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，集成激光近场光镊与AFM探针操作各自优点的纳米操作系统，使该系统既具有足够高的分辨率又能实现高效灵活的操作，可以对纳米微粒进行有效、精确的捕获与操作。根据纳米操作要求的不同，及时更换并组合相应部件后可实现更为复杂的纳米操作，既能达到精细的结构分辨能力又能实现动态操作与功能研究。