Графен

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1975 (2023) Цитировать эту статью

1525 Доступов

1 Цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 14 марта 2023 г.

Эта статья обновлена

В этой работе предлагается новая конструкция, состоящая из оптофлюидных пинцетов на основе графеновых нанолент для манипулирования и сортировки биочастиц с радиусом менее 2,5 нм. Предложенная структура была численно исследована методом конечных разностей во временной области (FDTD) с использованием тензорного анализа напряжений Максвелла (MST). Метод конечных элементов (МКЭ) был использован для получения электростатического отклика предлагаемой структуры. Основной путь пинцета представляет собой основной канал в центре структуры, где микрожидкостный поток перемещает наночастицу к этому каналу. Что касается силы сопротивления микрожидкости, наночастицы имеют тенденцию двигаться по длине основного канала. Графеновые наноленты закреплены вблизи основного канала на разных расстояниях, чтобы оказывать оптическое воздействие на движущиеся наночастицы в перпендикулярном направлении. В связи с этим подканалы, встроенные в слой hBN на подложке Si, отклоняют биочастицы от основного пути для определенных размеров и индексов наночастиц. Внутри и вокруг графеновых лент возникают интенсивные горячие точки с усилением электрического поля, в 900 раз превышающим падающий свет. Регулировка расстояния между графеновой нанолентой и основным каналом позволяет нам отделить отдельные частицы определенного размера от других, направляя их таким образом в нужный подканал. Кроме того, мы продемонстрировали, что в структуре с большим зазором между каналами частицы испытывают слабую напряженность поля, что приводит к низкой оптической силе, недостаточной для обнаружения, улавливания и манипулирования наночастицами. Варьируя химический потенциал графена, связанный с изменением напряженности электрического поля в графеновых лентах, мы реализовали возможность настройки сортировки наночастиц, сохраняя при этом структурные параметры постоянными. Фактически, регулируя уровень Ферми графена с помощью приложенного напряжения на затворе, можно быстро сортировать наночастицы любого желаемого радиуса. Более того, мы показали, что предложенная структура может сортировать наночастицы по их показателям преломления. Таким образом, данный оптофлюидный пинцет может легко обнаруживать биочастицы, такие как раковые клетки и вирусы крошечного размера.

Развитие микрофлюидных и оптофлюидных систем вызовет революцию в различных областях, таких как физика, биология, химия, медицина и фотоника. Уникальные характеристики таких жидкостных систем включают быструю и неразрушающую работу, низкую стоимость, высокую эффективность, множество применений и компактность. Кроме того, большое внимание получили системы микрофлюидной сортировки клеток благодаря множеству методов активного контроля движения или потока клеток, таких как электрокинетическая мобилизация жидкостей для сортировки бактериальных клеток1,2 и диэлектрофоретические силы3. Тем не менее, уязвимость клеток под действием очень интенсивных полей, низкой скорости и несовместимости буферов снижает эффективность традиционных микрофлюидных конструкций. Другой метод манипулирования и сортировки клеток при гидродинамическом управлении потоком основан либо на кристалле, либо вне кристалла, который используется для сортировки живых клеток из-за меньшей уязвимости клеток в сильном электрическом поле. Однако этот метод страдает от медленного времени цикла механического переключателя и относительно большого объема жидкости в каждом цикле4,5.

В этом направлении исследований оптические пинцеты для захвата и манипулирования клетками были впервые предложены Ashkin et al. в 19876 году. Было исследовано давление излучения сфокусированного лазерного луча, возникающее в результате изменений импульса света, с целью захвата или толкания отдельной клетки или частицы в жидкой среде без какого-либо физического контакта. Сила, действующая на частицу, зависит от размера и оптических свойств частицы, а также окружающей жидкой среды. Этот оптически индуцированный метод открыл новый многообещающий подход к сетям сортировки клеток в микрофлюидной среде. Первая система сортировки одиночных клеток была представлена ​​в 7, позволяя улавливать или сортировать отдельные клетки с помощью наложенных оптических сил. Таким образом, этот метод решил упомянутые проблемы, связанные с его неинвазивностью и способностью работать с одной клеткой.