一种集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统
本发明涉及近场光学和单分子检测，尤其涉及一种集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统。
背景技术：
1、在微观物质的操纵技术中，光镊技术因为具有非接触式，远程操纵和可并行处理等优点备受关注。光镊技术利用光与物质之间的相互作用，不仅可以用来捕获相对较大的物体，如微米小球，细菌，细胞等，还可以对蛋白质，dna , rna 等生物分子进行控制与研究。传统的光镊受限于光学衍射极限以及高功率光引起的热效应等因素，只能局限于对微米级物质进行捕获，难以扩展到亚微米级。因此，对于一些尺寸较小（低于光学衍射极限）的化学生物分子，只能采取间接的控制方法对其进行研究，如将dna分子固定在微米小球上，然后用激光捕获微米小球，从而实现对亚微米级分子的控制与性质研究，同时，这些微米小球也充当着力传感器的作用。但是这种方式需要对目标分子进行修饰，并且将分子与微球直接相连，操作上较为繁琐，同时连接过程可能对目标分子造成一定的损害，这使得光镊技术无侵害性的优势不复存在。因此，为了实现对纳米级物质的直接控制，研究者们提出了基于表面等离激元效应增强的光镊技术，并在理论和实验上取得了一定的进展。近年来，研究者通过制备微金圆盘，金纳米点阵列，纳米天线等具有局域等离激元效应的微纳米结构实现了亚微米级颗粒的捕获和操纵。
2、在传统的微纳米光镊技术中，光镊实时捕获微纳米物质的动态过程是通过光电探测器接收来实现的，如ccd、cmos相机、四象限光电探测器（qpd）以及光电位置探测器（psd）、apd等，实现对捕获物质的位置探测。而基于光电探测器的远场光镊测量技术受限于光学衍射极限，无法精确对纳米物质进行表征与识别。虽然现在的超分辨荧光显微技术可以实现亚纳米级别的显微成像，但是其主要原理也是以牺牲时间分辨能力来换取空间分辨率，将其与光镊技术结合也无法实现对纳米级别生物单分子的实时动态表征。同时，超分辨荧光显微技术需要对目标物进行荧光标记，也将进一步限制单分子光镊技术的应用。
3、因此，虽然光学操纵技术在过去的研究中已经被充分证明其具有跨越微米级别到亚纳米级别的操纵尺度，但是当操纵对象尺度降低到亚5nm以下时，其原位实时的动态监测逐渐成为制约单分子光镊技术发展的因素。在目前的研究中，实现亚5nm级别化学生物单分子无标记的原位操纵与实时动态表征仍然极具挑战。
技术实现思路
1、为了解决背景技术中存在的问题，针对现有的等离激元光镊系统的操纵与检测极限，本发明提供一种集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，实现高效率的光电耦合和等离激元局域增强电磁场的激发，进而实现亚5nm尺寸下溶液相的单分子捕获与实时检测。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，包括隧穿电极探针、激发光模块、照明模块、成像模块和电学检测模块；
3、所述隧穿电极探针的尖端具有纳米电极对，且两个电极的间隙满足使得探针具有量子隧穿效应，电极的材料满足能够产生等离激元共振效应；
4、所述激发光模块用于激发所述隧穿电极探针局域表面等离激元共振，包括激光光源、激光强度控制模块和显微物镜；所述激光光源具有用于产生连续光的直流信号驱动的连续波模式，以及用于产生脉冲激光的由模拟信号输入驱动的强度调制模式；所述激光强度控制模块用于调整及监测入射激光强度；所述激光强度控制模块输出的激光经所述显微物镜聚焦到样品池中；
5、所述照明模块用于照明成像视场；所述成像模块用于观测所述隧穿电极探针在待测溶液中的位置，定位所述隧穿电极探针的尖端纳米电极对所在焦平面；
6、所述电学检测模块用于单分子量子隧穿信号探测，包括样品池、装夹有所述隧穿电极探针的三维纳米位移台、等离子体增强光电流检测单元和隧道电流检测单元；
7、所述等离子体增强光电流检测单元包括锁相放大器，所述锁相放大器和所述激光光源均连接信号发生器，所述信号发生器用于将模拟信号同步输入到激光光源和锁相放大器中；所述激光光源调节为强度调制模式，通过模拟信号输入控制产生强度调制的脉冲激光，所述隧穿电极探针在入射激光激发下产生光电流，利用所述锁相放大器在激光调制频率下进行解调，得到由入射激光激发隧穿电极探针产生的光电流；
8、所述隧道电流检测单元包括电流检测装置，所述激光光源调节为连续波模式，通过激发光模块光路聚焦到所述隧穿电极探针的尖端，连续稳定地激发局域表面等离激元，产生局域增强电磁场；同时在所述隧穿电极探针的两个引线端施加直流电压，在尖端处产生隧道电流，形成隧穿传感区域，实现对目标分子的隧穿传感检测。
9、进一步地，所述激发光模块中，所述激光光源产生的线偏振激光通过单模保偏光纤耦合到激发光模块光路中，依次经过准直器、孔阑、第一半波片、偏振分束立方棱镜、反射镜、扩束模块、非偏振分束片、第二半波片、显微物镜，聚焦到样品池中。
10、进一步地，所述第一半波片和偏振分束立方棱镜构成所述激光强度控制模块，调整入射激光强度，并通过放置在所述偏振分束立方棱镜反射路的光电探测器监测入射激光强度，所述偏振分束立方棱镜透射路的激光经过所述显微物镜聚焦到样品池中。
11、进一步地，所述第二半波片放置在所述显微物镜前面以及所述非偏振分束片后面，用于旋转线偏振激光的偏振方向，保证激光强度稳定和线偏振特性。
12、进一步地，经所述显微物镜后的入射激光聚焦到所述隧穿电极探针尖端，在尖端的纳米间隙中激发局域表面等离激元，产生局域增强电磁场，从而产生指向纳米间隙的光学梯度力，作用于溶液相中的分子待测物。
13、进一步地，所述照明模块采用科勒照明的方式，通过led光源发出的光经过透镜准直、反射镜转折光路、孔阑、透镜、非偏振分束片后将像成在所述显微物镜的入瞳面，在所述显微物镜之后的视场中形成均匀的视场照明。
14、进一步地，所述光电流来源于入射激光聚焦到隧穿电极探针后引起的光学整流效应、热膨胀效应、热伏效应和等离激元热电子效应；所述光学整流效应和等离激元热电子效应产生的光电流成分受到局域表面等离激元共振效应影响，具有激光偏振方向响应的特性；通过提取不同激光偏振角度下光电流幅值的大小，使得入射激光的偏振方向和隧穿电极探针纳米间隙的最强局域表面等离激元共振方向匹配，获得最强的局域增强电磁场。
15、进一步地，所述三维纳米位移台用于保持测试过程中隧穿电极探针的空间位置精度及稳定性，实现隧穿电极探针的三维扫描；通过三维纳米位移台将隧穿电极探针移动到激发光焦点位置，实现隧穿电极探针尖端局域表面等离激元增强场的有效激发。
16、进一步地，所述等离子体增强光电流检测单元和所述隧道电流检测单元采用开关切换的方式进行测量，避免电路串扰。
17、进一步地，该系统置于隔振光学平台上，所述隧穿电极探针置于电磁屏蔽箱中，所述电磁屏蔽箱只留出必要的通光口和接线口。
18、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明以隧穿电极探针作为载体，将等离激元光镊技术与单分子隧穿电学表征技术相结合，进行实时原位的近场光学操纵与隧穿电学探测，以等离子体增强光电流检测单元，实现高效的光电耦合，增强单分子等离激元光镊的效果，最终可实现对亚5nm下化学生物单分子的原位捕获与动态实时监测，突破了现有等离激元光镊系统可操控的分子尺度极限。
技术特征：
1.一种集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，包括隧穿电极探针、激发光模块、照明模块、成像模块和电学检测模块；
2.根据权利要求1所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，所述激发光模块中，所述激光光源产生的线偏振激光通过单模保偏光纤耦合到激发光模块光路中，依次经过准直器、孔阑、第一半波片、偏振分束立方棱镜、反射镜、扩束模块、非偏振分束片、第二半波片、显微物镜，聚焦到样品池中。
3.根据权利要求2所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，所述第一半波片和偏振分束立方棱镜构成所述激光强度控制模块，调整入射激光强度，并通过放置在所述偏振分束立方棱镜反射路的光电探测器监测入射激光强度，所述偏振分束立方棱镜透射路的激光经过所述显微物镜聚焦到样品池中。
4.根据权利要求2所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，所述第二半波片放置在所述显微物镜前面以及所述非偏振分束片后面，用于旋转线偏振激光的偏振方向，保证激光强度稳定和线偏振特性。
5.根据权利要求1所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，经所述显微物镜后的入射激光聚焦到所述隧穿电极探针尖端，在尖端的纳米间隙中激发局域表面等离激元，产生局域增强电磁场，从而产生指向纳米间隙的光学梯度力，作用于溶液相中的分子待测物。
6.根据权利要求1所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，所述照明模块采用科勒照明的方式，通过led光源发出的光经过透镜准直、反射镜转折光路、孔阑、透镜、非偏振分束片后将像成在所述显微物镜的入瞳面，在所述显微物镜之后的视场中形成均匀的视场照明。
7.根据权利要求1所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，所述光电流来源于入射激光聚焦到隧穿电极探针后引起的光学整流效应、热膨胀效应、热伏效应和等离激元热电子效应；所述光学整流效应和等离激元热电子效应产生的光电流成分受到局域表面等离激元共振效应影响，具有激光偏振方向响应的特性；通过提取不同激光偏振角度下光电流幅值的大小，使得入射激光的偏振方向和隧穿电极探针纳米间隙的最强局域表面等离激元共振方向匹配，获得最强的局域增强电磁场。
8.根据权利要求1所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，所述三维纳米位移台用于保持测试过程中隧穿电极探针的空间位置精度及稳定性，实现隧穿电极探针的三维扫描；通过三维纳米位移台将隧穿电极探针移动到激发光焦点位置，实现隧穿电极探针尖端局域表面等离激元增强场的有效激发。
9.根据权利要求1所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，所述等离子体增强光电流检测单元和所述隧道电流检测单元采用开关切换的方式进行测量，避免电路串扰。
10.根据权利要求1所述的集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，其特征在于，该系统置于隔振光学平台上，所述隧穿电极探针置于电磁屏蔽箱中，所述电磁屏蔽箱只留出必要的通光口和接线口。
技术总结
本发明公开了一种集成量子隧穿传感的单分子等离激元光镊系统，该系统包括用于激发隧穿电极探针局域表面等离激元共振的激发光模块，用于照明成像视场的照明模块，用于观测隧穿电极探针在待测溶液中的位置、定位隧穿电极探针的尖端纳米电极对所在焦平面的成像模块，用于单分子量子隧穿信号探测的电学检测模块。隧穿电极探针的尖端具有纳米电极对，且两个电极的间隙满足使得探针具有量子隧穿效应，电极的材料满足能够产生等离激元共振效应。本发明使用具有量子隧穿传感功能的纳米电极探针作为等离激元光镊操纵平台，可以实现亚5纳米尺度下的单分子的同步光学捕获与实时测量。
技术研发人员：唐龙华,曾标峰,匡翠方,刘旭,徐良
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23