專利名稱：一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于操縱帶電納米微粒的靜電鑷，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶電納米微粒的捕捉、 搬運(yùn)和組裝等操縱。屬于納米技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)能夠觀測到各類物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，也能夠運(yùn)用掃描隧 道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)和原子力顯微鏡(Atomic Force Microsc叩e， AFM)等儀器搬運(yùn)單個(gè)原子或原子團(tuán)。這類技術(shù)的局限是樣品必須置于平整 的基片上，探針與樣品直接接觸，可能帶來污染，工作效率低，搬運(yùn)的距離也受顯微鏡針 尖工作范圍的限制(D. M. Eigler " a丄，Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope, 〃at"re 1990. < 《 524)。
另一類不需要與樣品直接接觸的搬運(yùn)技術(shù)是"光鑷(Optical Tweezers)"。光鑷是 把具有一定強(qiáng)度和模式的激光束會(huì)聚到微米量級(jí),利用光壓產(chǎn)生的指向光束焦點(diǎn)的梯度 力，形成三維梯度力勢阱，使微小物體受限在光束焦點(diǎn)附近的勢阱中，受限的微小物體能 隨光束焦點(diǎn)的移動(dòng)而移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。利用光鑷，已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了操縱尺寸在O. l-10微米 之間的微小微粒、高分子和生物細(xì)胞等樣品，對(duì)細(xì)胞、生物大分子、微米與亞微米微粒等 樣品的離散個(gè)體行為的研究有著重要的意義，因而受到科技界的廣泛關(guān)注(D. G. Grier， A revolution in optical manipulation, yfetore 2003， 必《 810)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，利用靜電庫侖作用力同性相斥、異性相吸的基本原 理，設(shè)計(jì)出電荷的空間合理分布，從而制造出一個(gè)三維的庫侖勢阱，能夠有效地限制帶電 納米微粒的空間位置和運(yùn)動(dòng)范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其的捕捉、搬運(yùn)和組裝等操縱。
本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下
本發(fā)明靜電鑷包含帶電圓環(huán)一和帶電圓環(huán)二，兩帶電圓環(huán)所在的平面互相平行，法線 互相重合；兩帶電圓環(huán)所帶電荷分布均勻，電性相反，帶電圓環(huán)二固定不動(dòng)，帶電圓環(huán)一 可以沿其法線方向作微小移動(dòng)；兩圓環(huán)的共同法線上存在三維勢阱；被操縱的帶電納米微 粒所帶電荷的電性和帶電圓環(huán)一所帶電荷的電性相同，也就是說，如果帶電圓環(huán)一帶正電， 則本發(fā)明靜電鑷只能操縱帶正電的納米微粒，如果帶電圓環(huán)一帶負(fù)電，則該靜電鑷只能操
縱帶負(fù)電的納米微粒。
進(jìn)一步，為了實(shí)現(xiàn)上述三維勢阱，本發(fā)明靜電鑷同時(shí)滿足下列式子:
￡'(￡) = 0， 五"(￡)>0，
五
五'
=0 ，
>0，
其中
単)=
仏
22
刷=
8;r 6*Q
f
V、 2+丄2
込^
(i^cos(9 —x)2+i 卩sin2(9 +丄2 ~ ^/(7 2 cos6"—x)2 + J 2Z sin2 <9 + (丄+ (/)2 q為帶電納米微粒所帶的電荷；n為圓周率常數(shù)； 為介電常數(shù)； Ql為帶電圓環(huán)一所帶的電荷，Q2為帶電圓環(huán)二所帶的電荷； Rl為帶電圓環(huán)一的半徑，R2為帶電圓環(huán)二的半徑； d為兩帶電圓環(huán)間的圓心距；
L為兩圓環(huán)共同法線上的任一點(diǎn)W點(diǎn)到圓環(huán)一的圓心之間的距離； 」L為帶電納米微粒在W點(diǎn)處沿著兩圓環(huán)共同法線產(chǎn)生的微小偏移；
」d為圓環(huán)一沿著共同法線和」L同方向的微小位移，」d=a」L; x為帶電納米微粒在W點(diǎn)處沿水平任一方向偏離W點(diǎn)的位移。
更進(jìn)一步，本發(fā)明靜電鑷優(yōu)選帶電圓環(huán)二的半徑大于帶電圓環(huán)一的半徑，帶電圓環(huán)二 所帶電荷的電量大于帶電圓環(huán)一所帶電荷的電量；R2與Rl的比值優(yōu)選為1. 2到3， Rl的 范圍優(yōu)選為10nm到lmm; Q2與Ql的比值優(yōu)選為2到10, Ql優(yōu)選為大于6e; a優(yōu)選為0. 05 到O. 2。
再進(jìn)一步，本發(fā)明靜電鑷的帶電圓環(huán)一設(shè)于彈性薄膜上，并由金屬導(dǎo)線連接外接電源 或者靜電起電機(jī)上，該彈性薄膜可以是塑料片，Si3N4薄膜，或者橡膠薄片等；帶電圓環(huán)二 設(shè)于剛性絕緣圓筒支架上，并由金屬導(dǎo)線連接外接電源或者靜電起電機(jī)上。圓環(huán)一和圓環(huán) 二均優(yōu)選為金屬圓環(huán)，利用導(dǎo)體等電勢的特性實(shí)現(xiàn)圓環(huán)上的電荷的均勻分布。此外，對(duì)于 帶電圓環(huán)不是金屬的情況，比如半導(dǎo)體，可通過正離子注入和電子注入的方式實(shí)現(xiàn)電荷的 均勻分布。
本發(fā)明靜電鑷適合的操縱對(duì)象為直徑小于100nm的帶電納米微粒，可以是單個(gè)電子、 離子，帶電高分子、蛋白質(zhì)、DNA，或帶電氣體分子團(tuán)簇。
本發(fā)明靜電鑷的作用原理如下，以帶電圓環(huán)一帶負(fù)電荷，帶電圓環(huán)二帶正電荷為例
假設(shè)圓環(huán)一和圓環(huán)二所帶的電荷分別為QP-Ne， Q2=+Me，其中N和M都是正整數(shù)，且 N小于M， e=1.6X10—19庫侖，為單個(gè)電子所帶的電量。考慮在兩圓環(huán)共同法線上的任意一 點(diǎn)W處有一個(gè)帶負(fù)電荷的納米微粒，其電荷為q， W點(diǎn)和圓環(huán)一的圓心之間的距離為L。當(dāng) 該微粒受到微小擾動(dòng)，沿著共同法線方向產(chǎn)生微小偏移ZL時(shí)，圓環(huán)一上的電荷由于受到 的靜電力場發(fā)生變化，其位置也會(huì)同方向變化，表現(xiàn)為圓環(huán)一的微小擾動(dòng)。假設(shè)圓環(huán)一的 被動(dòng)偏移量為」d = a」L， a是一個(gè)較小的系數(shù)，可以通過更換薄膜來調(diào)整a的取值進(jìn)而 調(diào)整圓環(huán)一的被動(dòng)偏移的大小。
該納米微粒在W點(diǎn)處的庫侖勢能為
仏 .... 02 ]
選取合適的Q1， Q2， Rl， R2， d和a，使?jié)M足
￡'(丄)=0 (1)
且
五"(丄)>0 (2)
則該帶電納米微粒在共同法線方向上處于穩(wěn)定平衡位置，不僅受到的總庫侖力為零，并且
6
當(dāng)它沿著共同法線方向離開圓環(huán)一的圓心的距離為L+」L時(shí)，無論」L是正是負(fù)，該微粒 所受到的合力總是使它回到原先的平衡位置處，如圖1所示。換言之，在兩圓環(huán)共同法線 方向上的這個(gè)W點(diǎn)處附近存在一個(gè)一維庫侖勢阱，可以限制一個(gè)帶負(fù)電的納米微粒沿著圓 環(huán)一和圓環(huán)二在共同法線方向的運(yùn)動(dòng)。
另一方面，由于電荷Ql和Q2均勻分布在圓環(huán)一和圓環(huán)二上，于是在任何一個(gè)垂直于 兩圓環(huán)共同法線的平面內(nèi)，電荷Q1和Q2形成的總庫侖勢均呈中心對(duì)稱，并且是各向同性 的?？梢酝ㄟ^考察其中任意方向來考察整個(gè)平面的庫侖電勢。
假設(shè)微粒由W點(diǎn)沿垂直于公共法線方向的任一方向偏離共同法線距離x，其庫侖勢隨x 的變化可以表示為
<formula>formula see original document page 7</formula>
且
<formula>formula see original document page 7</formula>
時(shí)，W點(diǎn)附近不僅是沿著圓環(huán)一和圓環(huán)二共同法線方向的一維庫侖勢阱，同時(shí)也是通過W 點(diǎn)并與共同法線方向垂直的平面內(nèi)的二維庫侖勢阱。說明此時(shí)W點(diǎn)附近存在一個(gè)三維勢阱， 可以有效地限制位于W點(diǎn)附近的納米微粒沿空間各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。
通過程序運(yùn)算，可以得到一系列同時(shí)滿足上述(1) (2) (3) (4)四式的離散的Ql， Q2， Rl， R2， d和a的組合。尤其是當(dāng)R2/R1的比值范圍落在1.2 3之內(nèi)，M/N的比值 范圍落在2 10之內(nèi)，同時(shí)R1的范圍介于10nm lmm之間，a的范圍介于0. 05 0. 2之間 時(shí)，得到的Q1， Q2， Rl， R2， d和a的組合更能符合本發(fā)明靜電鑷的使用要求，能夠有效 地操縱帶電納米微粒，具有現(xiàn)實(shí)意義。
值得說明的是，盡管帶電納米微粒始終受重力的影響，但重力并不影響本發(fā)明靜電鑷對(duì)帶電納米微粒的操縱。因?yàn)樵诒景l(fā)明靜電鑷涉及的納米微觀環(huán)境下，靜電鑷本身能夠形 成的勢阱深度大大高于重力可能的做功范圍，具體數(shù)值計(jì)算可參考本發(fā)明實(shí)施例1。
上述原理分析具有正負(fù)電性交換對(duì)稱性，也即，對(duì)于相同的N， M， Rl， R2， d和a的 組合而言，如果圓環(huán)一和圓環(huán)二所帶的電荷分別為Ql=+Ne， Q2=-Me,那么，在W點(diǎn)處同 樣可以形成一個(gè)三維庫侖勢阱，用于操縱帶正電的納米微粒，與該微粒所帶的電荷的電量 無關(guān)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1. 相對(duì)復(fù)雜的光鑷系統(tǒng)和STM/AFM設(shè)備而言，靜電鑷結(jié)構(gòu)簡單，制造成本不高；
2. 適用的帶電微粒直徑從幾十納米直到單個(gè)電子、離子，可以運(yùn)用于真空、氣體等不同 環(huán)境；
3. 靜電鑷使用時(shí)不需額外動(dòng)力，捕捉到帶電微粒后，搬運(yùn)該微粒的距離不受限制，可以 從一處搬到遠(yuǎn)處；
4. 使用靜電力場，靜電鑷對(duì)生物樣品等材料沒有損傷，也沒有接觸污染。


圖1是本發(fā)明靜電鑷原理示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)例1靜電鑷的截面示意圖，其中
1彈性塑料薄膜；
2 銅圓環(huán)一；
3銅圓環(huán)二；
4塑料支架；
圖3a是本發(fā)明實(shí)施例1靜電鑷在兩圓環(huán)共同法線方向上的勢阱深度曲線b是本發(fā)明實(shí)施例1靜電鑷在兩圓環(huán)共同法線垂直方向上的勢阱深度曲線圖4a是本發(fā)明實(shí)施例2靜電鑷在兩圓環(huán)共同法線方向上的勢阱深度曲線b是本發(fā)明實(shí)施例2靜電鑷在兩圓環(huán)共同法線垂直方向上的勢阱深度曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述 實(shí)施例l
利用薄膜光刻工藝在彈性塑料薄膜1表面形成銅圓環(huán)一 2和銅圓環(huán)二 3，該彈性塑料 薄膜1和銅圓環(huán)二3用塑料支架4固定。利用導(dǎo)線將兩環(huán)連接到電極或者靜電起電機(jī)，使 銅圓環(huán)一 2帶負(fù)電，銅圓環(huán)二 3帶正電。當(dāng)Rl = 32 nm， R2 = 57. 6 nm， Ql = -20e， Q2 = 80e， a = 0.158時(shí)，在L=10. 2 nm處存在一個(gè)沿共同法線方向的勢阱深度超過0.001 eV (如圖3a所示)，沿垂直于共同法線方向的勢阱深度超過0.003 eV (如圖2b所示)的三 維勢阱，可以有效限制直徑超過100nm的帶電納米微粒。
該微粒所受的重力不能使其脫離該三維勢阱，理由如下
上述這兩個(gè)正交方向上的勢阱，在偏離平衡位置士 10 rim處，勢阱深度均大于0. 001 eV。 假設(shè)一個(gè)帶電納米微粒的直徑為100 nm，比重為5 g/cm3，則其重量為3X10—17牛頓，在 士10nm的范圍內(nèi)，重力做的功為3X10—25焦耳"2X 10—6 eV，比庫侖勢阱深度小3個(gè)數(shù)量 級(jí)。因此，當(dāng)一個(gè)直徑達(dá)100 nm，比重為5 g/cm3，帶一個(gè)負(fù)電荷的納米微粒被本實(shí)施例 靜電鑷捕獲后，僅靠其自身的重力作用是無法離開該勢阱，從而無法掙脫靜電鑷的捕捉的。
對(duì)于一般情況，在本發(fā)明涉及的微觀納米環(huán)境下，直徑小于100nm的帶電納米微粒所 受重力和勢阱產(chǎn)生的庫侖束縛力來說，基本可以忽略不計(jì)。
實(shí)施例2
當(dāng)Rl = 1 mm， R2 = 1. 8咖，Ql = —1. 06X 106e， Q2 = 4. 24X 106e， a = 0. 158時(shí)， 在L = 319pm處，同樣可以形成一個(gè)深度超過0.002 eV的三維勢阱(如圖4a和圖4b所 示)，能夠有效限制直徑小于lOnm的帶電納米微粒。
權(quán)利要求
1.一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，包含帶電圓環(huán)一和帶電圓環(huán)二，兩帶電圓環(huán)所在的平面互相平行，法線互相重合；兩帶電圓環(huán)所帶電荷分布均勻，電性相反，帶電圓環(huán)二固定不動(dòng)，帶電圓環(huán)一可以沿其法線方向作微小移動(dòng)；兩圓環(huán)的共同法線上存在三維勢阱；被操縱的帶電納米微粒所帶電荷的電性和帶電圓環(huán)一所帶電荷的電性相同。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，該靜電鑷同時(shí)滿 足下列式子<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 2</formula>，如,cos(9-x)2 sin2 6> + Z2 ^(i^ cosi9 —x)2 +i 22 sin2 (9 + (丄+ (s02q為帶電納米微粒所帶的電荷；為圓周率常數(shù)；c。為介電常數(shù)； Ql為帶電圓環(huán)一所帶的電荷，Q2為帶電圓環(huán)二所帶的電荷； Rl為帶電圓環(huán)一的半徑，R2為帶電圓環(huán)二的半徑； d為兩帶電圓環(huán)間的圓心距；L為兩圓環(huán)共同法線上的任一點(diǎn)W點(diǎn)到圓環(huán)一的圓心之間的距離； 」L為帶電納米微粒在W點(diǎn)處沿著兩圓環(huán)共同法線產(chǎn)生的微小偏移； 」d為圓環(huán)一沿著共同法線和ZlL同方向的微小位移，」d=aZlL; x為帶電納米微粒在W點(diǎn)處沿水平任一方向偏離W點(diǎn)的位移。
3. 如權(quán)利要求l所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，帶電圓環(huán)二的半 徑大于帶電圓環(huán)一的半徑；帶電圓環(huán)二所帶電荷的電量大于帶電圓環(huán)一所帶電荷的電量；
4. 如權(quán)利要求1所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，R2與Rl的比值 介于1. 2到3， Rl的范圍介于IO咖到l咖。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，Q2與Ql的比值 介于2到10， Ql大于6e。<formula>formula see original document page 2</formula>
6. 如權(quán)利要求1所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，a介于0.05到 0.2。
7. 如權(quán)利要求l所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，帶電圓環(huán)一設(shè)于 彈性薄膜上，并由金屬導(dǎo)線連接外接電源或者靜電起電機(jī)上。
8. 如權(quán)利要求l所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，帶電圓環(huán)二設(shè)于 剛性絕緣圓筒支架上，并由金屬導(dǎo)線連接外接電源或者靜電起電機(jī)上。
9. 如權(quán)利要求1所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，所述圓環(huán)一和圓 環(huán)二均為金屬圓環(huán)。
10. 如權(quán)利要求1所述的一種操縱帶電納米微粒的靜電鑷，其特征在于，所述帶電納米 微粒的直徑小于100nm，可以是電子、離子、帶電高分子或帶電氣體分子團(tuán)簇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于操縱帶電納米微粒的靜電鑷，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶電納米微粒的捕捉、搬運(yùn)和組裝等操縱，屬于納米技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明靜電鑷包含帶電圓環(huán)一和帶電圓環(huán)二，兩帶電圓環(huán)所在的平面互相平行，法線互相重合；兩帶電圓環(huán)所帶電荷分布均勻，電性相反，帶電圓環(huán)二固定不動(dòng)，帶電圓環(huán)一可以沿其法線方向作微小移動(dòng)；兩圓環(huán)的共同法線上存在三維勢阱；被操縱的帶電納米微粒所帶電荷的電性和帶電圓環(huán)一所帶電荷的電性相同。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適用范圍廣，操縱微粒不受距離限制，不損傷或者污染樣品等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N35/10GK101183115SQ20071017952
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者萌 張, 彭練矛, 許勝勇 申請人:北京大學(xué)