[发明专利]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

说明书

本发明公开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，针对待捕获微粒设计准束缚态激发的太赫兹超表面镊；将含有待捕获生物样本微粒的溶液滴加在设计的超表面镊表面；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，在超表面镊的特定区域形成电场局域；利用电场局域产生捕获势阱，利用势阱产生的梯度力捕获区域内生物样本微粒。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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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＝1×10¹²Hz)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，特别是本申请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。

发明内容

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。