[发明专利]基于探针的双向电泳力光阱起支方法及装置与应用

说明书

本发明公开了一种基于探针的双向电泳力光阱起支方法及装置与应用。基于双向电泳力利用微尺度的探针使目标微粒脱离基板并捕获目标微粒；将带有目标微粒的探针移动至光阱上方，在目标微粒极性弛豫时间内在探针与光阱上方的电极板间施加反向电场，使目标微粒从探针上脱附施；打开光阱，在光阱两侧的电极板间施加电场，调节目标微粒速度至光阱可捕获的速度并且位移至光阱的有效捕获范围内，使目标微粒被光阱捕获。光阱起支装置，包括探针、探针基板、电源、光阱、下极板、位移调节器以及控制系统。本发明通过静电微操控技术实现在空气或真空中的固态粒子精准起支，通过制备阵列化的探针系统，可以应用于集成化的高灵敏光阱传感系统。

技术领域

本发明涉及一种基于探针的双向电泳力光阱起支方法及装置与应用。

背景技术

在惯性传感仪器中，敏感单元的初始悬浮称为起支，例如在静电悬浮加速度计中，对作为定子的质量块进行悬浮控制之后才能进行惯性测量。起支技术是悬浮式传感仪器的一项实用化关键技术。

空气或真空环境下微粒的快速起抛和捕获一直是光阱领域的一个技术难点。现有的方案有三种，分别是振动脱附法、喷雾悬浮法和激光声释法。振动脱附法通过压电陶瓷高频振动使干粉状的微粒脱离基板表面；喷雾悬浮法将微粒的悬浮液雾化，使包裹着微粒的小液滴飘散到自由空间中；激光声释法利用利用高能脉冲激光作用到样品基板，产生高能声波使粒子与基板脱附进入自由空间。这三种方案具有不同的适用场景：由于微粒受到的粘附力与其直径的平方成反比，微粒尺寸越小，振动脱附法对压电装置的驱动能力要求越高，该方案仅适用于微米尺寸的微粒；对于尺寸更小的纳米粒子，喷雾悬浮法多采用挥发性较强的溶液（如丙醇），这样液滴里的溶液成分可以被快速挥发而不影响微粒的捕获；激光声释法可以上述两种粒子的可以在真空或空气中实现通过控制单个脉冲能量的大小实现不同尺寸微粒的释放。

起支技术在实施过程中，微粒离开载体表面后有一定的初速度，需要额外的耗散机制才能实现稳定捕获；由于光阱力中形成势阱的梯度力为保守力，如果不利用外界阻尼力降低微粒的起支速度，微粒无法被光阱稳定捕获。现有的起支方案均利用了空气阻尼降低微粒的起支速度，因此只能在常压下实施，且在微粒被捕获后将实验气压抽至真空。此外，在抽真空过程，如果不施加辅助的冷却手段，微粒将因气流、振动、吸热等因素从光阱中逃逸。

现有的光阱起支方案大多无法在高真空环境下直接实现微粒的稳定捕获，无法兼容真空光阱系统，此外，常压下捕获后再抽真空的操作过程也增加了真空光阱实验的时长，增大了操作的复杂性。CN112466506A中利用光阱与paul阱结合局域激光脉冲释放的粒子可以实现真空下微粒精准起支，但是该技术装置复杂度高，难以解决光阱集成应用问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于探针的双向电泳力光阱起支方法及装置与应用。

一种基于探针的双向电泳力光阱起支方法，在真空或空气环境下，基于双向电泳力利用微尺度的探针使目标微粒脱离基板并捕获目标微粒；然后将带有目标微粒的探针移动至光阱上方，在目标微粒极性弛豫时间内在探针与光阱上方的电极板间施加反向电场，形成反向双向电泳力，使目标微粒从探针上脱附施；打开光阱，在光阱两侧的电极板间施加电场，调节目标微粒速度至光阱可捕获的速度并且位移至光阱的有效捕获范围内，使目标微粒被光阱捕获，之后关闭所有电场。

所述的探针是阵列式的探针结构，从而实现多次粒子释放与光阱捕获。

所述的探针位置可移动。

一种采用所述的方法的光阱起支装置，包括探针、探针基板、电源、光阱、下极板、位移调节器以及控制系统，探针基板的表面放置一个或多个目标微粒，探针基板设有一个中孔，电源用于控制探针与探针基板以及探针基板与下极板之间的电压，位移调节器用于调控探针与探针基板的相对位置；目标微粒被释放后经探针基板的中孔下落，被电极基板与下极板之间的电场调控速度，进入光阱的有效捕获区域后被光阱捕获，控制系统用于控制位移调节器，以及通过时序控制电源电压V1、V2、V3以及光阱的开启时间。