CN102209920A - 狭缝波导中基于光学力的生物分子分析 - Google Patents

Abstract

利用光学力在芯片实验室装置中对纳米级物质进行操控和传输的结构。狭缝波导被用来对光能进行聚焦和控制以捕获和传输纳米级的物体。所述狭缝波导是一种独特的结构其具有多种有益的特性，例如较高的光约束作用，以及使得纳米粒子能够以传播光模充分地发生相互作用。

Description

狭缝波导中基于光学力的生物分子分析

政府资助

本发明是在美国国家科学基金会给予的第0708599号项目的政府资助下完成的。美国政府对于本发明拥有一定的权利。

相关申请

本申请要求申请号为61/191,841的美国临时申请(发明名称为OPTICAL FORCE BASED BIOMOLECULAR ANALYSIS IN SLOT WAVEGUIDES，提交于2008年9月12日)的优先权，而该临时申请在此作为参考被全文入。

背景技术

芯片实验室(lab on a chip)装置的技术碰到了与微小样品的感应和传输有关的难题。将光学和微流体元件集成到芯片实验室装置，特别是在提高流体和粒子操控方面有巨大潜力。传统上，是通过采用激光镊夹进行的直接粒子操控，或者间接地利用光诱导微流体效应来完成。由于其在粒子操控上的精确度，这类技术对于从流式细胞计数到自组装等方面的应用尤其有用。

但是从根本上讲，这些自由空间系统(free-space systems)在两个方面受到限制。其一，衍射限制了光线能够被聚焦的紧密程度以及由此而来的捕获总强度。其二，捕获区具有很短的焦深从而妨碍了纳米粒子通过辐射压的连续传输。为了提高捕获的稳定性，近来已开发出许多近场方法(near-field methods)。在一种现有的方法中，干扰的高斯射束(Gaussian beams)从棱镜表面被反射而分出350nm的聚苯乙烯粒子。在另一种方法中，在表面束缚的金属纳米结构中的局部等离子共振被用来捕获200nm的介电粒子。

基于光学传输的波导(waveguide)与这些近场方法类似，在于通过延伸到周围液体的衰减场将粒子吸引到波导。然而，粒子也受到光子散射和吸收作用力，其推动粒子沿着仅受系统耗损局限的距离运动。在这一领域的近期成果证明了介电微粒、金属纳米粒子和细胞的持续推进作用。妨碍这些系统对较小物质，包括生物分子，进行操控的限制因素在于粒子只与总的被输送光线的小部分相互作用，因为其大部分被限制于波导的实芯内部。

发明内容

一种结构，其用于处理和输送微小物质，比如在芯片实验室装置中的纳米粒子和生物分子。狭缝波导(slot waveguide)被用于聚集和控制光学能量以捕获和性输微小物质。所述狭缝波导是一种独特的结构，其具有多方面的有利特性，比如高的光约束作用，以及能够使微小物质以传播光模充分地交互作用。

附图说明

图1A是根据一个示例性实施方式的狭缝波导的部分透视图解。

图1B是图1A所示狭缝波导的横截面图，进一步描述根据一个示例性实施方式的本征模。

图1C是根据一个示例性实施方式的有盖的狭缝波导的横截面示意图。

图2A是根据一个示例性实施方式，显示粒子越过狭缝波导按时间序列的顶视图。

图2B是根据一个示例性实施方式，显示粒子在狭缝波导的狭缝中被传输按时间序列的顶视图。

图3A，3B，3C，3D，3E和3F是根据一个示例性实施方式，描述DNA随时间截取和释放按时间序列的顶视图。

图4A是根据一个示例性实施方式，描述在狭缝波导的狭缝内被捕获的粒子关于捕获力相对于粒子位置的图表。

图4B是根据一个示例性实施方式，描述在狭缝波导的侧面被捕获的粒子关于捕获力相对于粒子位置的图表。

图4C是根据一个示例性实施方式，描述在狭缝内被捕获的粒子关于n/no相对于强度和时间归一化因子τ的图表。

图4D是根据一个示例性实施方式，描述在狭缝内被捕获的粒子关于二阶速率式(1/n-1/n₀)的F(n)相对于τ的图表。

图5是根据一个示例性实施方式，描述狭缝波导连接到光功率源和感应器的系统框图。

详细说明

在以下的说明中，通过参考作为说明一部分的附图，描述可被采用的一些具体的实施方式。针对这些实施方式，进行了足够细致的叙述，使得本领域技术人员能够实施本发明的技术，然而应当理解，还可以采用其它的实施方式，而且也可以进行结构、逻辑和电子上的改变而不偏离本发明的范围。因此，下面描述的具体实施方式不起限制作用，而本发明的范围是根据所附的权利要求书来界定的。

次波长液芯狭缝波导(sub-wavelength liquid core slot waveguide)可用于光流体(optofluidic)输运。这种技术利用近场光学力来将物质限制在波导之内并同时利用分散/吸附力来输运物质。狭缝波导能够把可及的电磁能压缩到如60nm或更低的程度从而有助于克服先前装置在基本衍射上的局限性。在各种实施方式中，狭缝波导可被用于小到75nm或甚至更小的介电纳米粒子以及生物分子例如DNA分子的捕获和传输。由于捕获沿着狭缝所界定的线而发生，与发生在一点处的传统的点捕获(point traps)截然不同，狭缝波导提供了直接处理伸展的生物分子的独特能力。所描述的各种具体实施方式能够有助于弥补光学操控和纳流控(nanofluidics)技术之间的差距。

本狭缝波导提供了捕获和输运纳米级介电粒子和DNA的能力。结合有狭缝波导的装置能够通过使用现有的生产技术而被整合到芯片实验室(lab-on-a-chip)平台，并且能够使纳米级物体的离散光学操控和传输相对于现有可利用的方案来说具有更高的精确度。以这种方式的纳流控和光学操控的结合将使生物分析和被控组配的新方法成为可能。

图1A是纳光流体(nanophotofluidic)或光流体(optofluidic)输运系统100的透视图解。系统100包括狭缝波导105，其包含具有低折光率的纳米级狭缝110，而狭缝110又被夹在有着显著较高折光率的壁板115、120之间。图1A也描述了在狭缝波导105中两种不同大小的粒子的传输。描述两种不同的力矢量，F_prop 125和F_prop 130。F_prop 125表示导致光流体传输的辐射压力，而F_trap 130表示将纳米粒子保持在狭缝区域内的捕获力。光传播的方向由箭头135表示，且通常是沿狭缝110线的方向。

图1B是系统110的横截面示意图，其中显示壁板115、120形成于玻璃基材135上。准横电(transverse-electric，TE)模被显示在狭缝区域的水平边界呈现出大的电场间断性。其结果是在狭缝中的高强度的本征模137使得大多数光能可以进入到低指数的狭缝110中。在一个具体实施方式中，40nm的狭缝波导可被浸于水中。在另一具体实施方式中，狭缝可具有从40nm到200nm范围的宽度。主要的捕获区域为高强度的狭缝模式，尽管交替捕获位置处于波导的侧面，那里可能有两种衰减消散模式。

在一个具体实施方式中，提供有流体在狭缝110中以用于在狭缝110的流体区域中粒子的传输。次波长尺度的狭缝波导可用来进行光学截取、捕获以及传输介电纳米粒子和生物分子例如DNA分子和蛋白质。表明了对小如75nm的粒子的稳定捕获，是通过这种系统捕获或传输的一些迄今最小的介电物质。

通过将可及的电磁能积聚到至少小到40nm的程度并且在无限定的长距离保持能量脉冲，狭缝波导能够生成非常高的光学强度，从而可能实现对小粒子和分子物质的光学传输。在一个具体实施方式中，狭缝波导沿着一条线进行捕获，不同于使用传统光镊在一点处的捕获。这样的捕获方式独特地能够用来操控处于部分伸展而不是超螺旋状态的长链生物分子。下面几节提供了关于粒子的存在对光模影响的检测、关于捕获强度和抗扰性在与其它技术相比较的情况下的细节描述以及关于近稳定点的粒子的释放动力学的独特稳定性分析。

在不同的具体实施方式中，所述系统开发了组合的横向光学梯度力用以将生物和非生物目标约束于狭缝，例如50nm的狭缝，或其它从40nm及以下到比如200nm或更大的狭缝。所述目标可以包括许多种类的粒子，包括DNA、蛋白质和其它生物目标物，以及纳米粒子、碳纳米管、量子点和其它非生物目标。在这个尺度的光学的和流体的约束作用允许超紧凑的、高速的和在长向的纳米流操控以及使其能够在不可能采用传统技术的条件下得以实施。

在一些具体实施方式中，所述系统可被用于有机物种和无机物种的分离。光功率可以在空间上被限制于小至40nm，而且指引约束(index confinement)能够使得纵向相互作用沿着狭缝的长度无限定地得以实现。光学力对于较大的粒子一般较强。结果是，较小的粒子比较大的粒子要慢。因此，最初的粒子混合物可能按其组分而分离。由此，较小的粒子能够用比其它现有方法所能达到的高出一个数量级的精确度进行分离。

在其它的具体实施方式中，所述系统可以被当作研究单体蛋白质折叠动力学的物理现象的工具。在现有的方法中，对未约束的蛋白质的测定限于蛋白质穿过激光焦点所花的时间量。在此公开的系统所提供的捕获作用可以足够的稳定以基本上无限地对单体蛋白质进行约束，从而实现在蛋白质折叠动力学研究中的突破。

图1C是根据一个具体实施方式的具有盖子140的狭缝波导的截面示意图。在另外的一些具体实施方式中，狭缝110可以是在其至少部分的长度上带有盖子140。粒子可以通过纵向流动而被输送到狭缝中。

图2A描述了一段狭缝波导200的顶视图，其中流体流动205越过波导的顶部并横向地到狭缝210。在该系列第一个的图215中，激光提供光给狭缝波导，导致了将直径为75nm和100nm的聚苯乙烯纳米粒子220(n＝1.45)截取并稳定地捕获于宽度分别为100nm和120nm的狭缝波导中。在纤维出口的用于将光耦接到波导上的光功率可以是低于300mW，激发波长可以是λ＝1550nm，且捕获作用可以通过横电(TE)偏振来完成。

在狭缝波导捕获粒子的一种用途中，如图2B所示，粒子被收集在狭缝中，也在波导的侧面。在一个具体实施方式中，当t＝0时，激光源被移除而粒子从波导中释放。紧接释放之后，粒子“云”225随着粒子离开捕获位置而形成，并且被释放粒子由于流体流动顺着通道而被带到230处。在120nm的狭缝波导中所捕获的100nm的纳米粒子被辐射压短程输运。注意，相关的尺度在其它的具体实施方式中可能有显著的变化。裁取图2B所示的定时拍摄图像其对比度和亮度针对整个图像进行了调整。在t1，t2，t3定时拍摄图像的各个裁取位置是一致的。

所述系统允许在狭缝波导中在不限定的时间段里截取和积聚流动的粒子并通过降低光功率或转换偏振来释放粒子。使用横磁(transverse-magnetic，TM)偏振的狭缝波导的激发需要多于3-5倍的功率以实现稳定的捕获，因而转换偏振往往会中断捕获。微流体流动把粒子传输到波导中但并不对捕获本身发挥作用。这为上述实验中当移除光激发时捕获就中断的事实所表明。此外的许多比对实验表明，没有波导的激发作用任何大小的粒子都不会被捕获。

通过图3A，3B，3C，3D，3E和3F所示按时间顺序的狭缝波导顶视图，其中流体流过狭缝波导，描述了接近稳定点(即系统中的随机热能与中断捕获所需功率的量差不多)的捕获中的流动粒子的截取动力学。在这种捕获中的平均逗留时间是一个统计量，受系统的释放动力学所支配，而所述释放动力学又取决于捕获强度、抗扰性以及被捕获粒子在波导的位置。有关这种释放动力学及其对实现传输的重要性的分析，如后文所述。在图3A，3B，3C，3D，3E和3F中，根据一个具体实施方式纳米粒子在微通道以80μm/s的平均速度流过；可以看出，在这个速度下，被截取的粒子数目与流过的粒子数目相比较低(低于25％)。截取率偏低的原因在于，粒子必须处在穿过消散场的流线上才能被捕获。与之类似的情形是，流动粒子必须处在穿过自由空间光镊的焦点的流线上才能被捕获，而其不是本系统的固有限制。如果需要，为了提高截取率可以减小通道的大小(物理上拘束粒子更接近狭缝波导)，降低流速(允许粒子有更多时间扩散到消散场)或增加光功率。

在一个具体实施方式中，单个的YOYO标记的48kBb λ-DNA可以流过一个光激发60nm宽的狭缝波导。在时间t＝0时，捕获被包围的DNA。在这种情况下，DNA在t＝2.6s标记时被释放，且顺流流动。该序列显示，当光功率在t＝0s提供时，DNA分子随时间的聚集，以及它们在回应t＝2.6s时光学激发撤除的释放。捕获条件可以与在图2A和2B所使用的相同。

这种方法的一些具体实施方式的其它优点，与其它近场操控技术相比较，在于不仅能够截取纳米级物质，还能将其光学输运。这种功效可能对于活跃的纳米组装技术的开发以及对于光学驱动生物分析技术是重要的。根据Rayleigh理论熟知，基于辐射压力的介电纳米粒子的输运速率与局部强度以及粒子半径的五次方成正比。因此，光学传输非常小的物质是极其困难的，除非具有比如通过狭缝波导所能得到的非常高的光强。如图2B所示，在狭缝波导中的粒子光学推进，在一个具体实施方式中，可能以1.5μm/s的平均速度完成。在一个具体实施方式中，100nm的聚苯乙烯粒子可能会被250mW的激发源所捕获。由于推进速度与波长的四次方成反比，能够提高传输速度的方法是通过使用不同的高折射率材料(如非晶硅或氮化硅)其在较低波长时是透明的。

纳米级介电粒子可以被当作生物物种如病毒和非常小的细菌的粗略近似模型。更为令人介意的也许是能够截取和光学地约束单个生物分子的能力。如图4A及4B所示，所述系统不仅能从溶液中截取而且能稳定地捕获单个YOYO-1标记的48kb长λ-DNA分子。如前述的情形那样，可以在1550nm光激发的250mW的光功率下完成捕获。然而在一个具体实施方式中，也可采用60nm的狭缝波导。当电源被移除时，DNA释放。

在一种实施方式中，已知使DNA处于部分伸展状态的缓冲液和pH条件可被采纳。尽管能够在使得分子处于超螺旋结构状态的pH条件下光学地捕获λ-DNA，但已证明难以捕获部分伸展的分子，这归因于紧密聚焦光学镊夹的焦点只能测到分子的一小部分。狭缝波导技术允许捕获伸展分子是因为约束力是均等地沿着线而不是在点上发生作用。输运技术的进一步发展，也使新的生物分子分离机制以及用于快速排序或直接单模式的单个分子检测的新方法成为可能。

为了更好地表征捕获的稳定性、抗挠性和释放动力学，下面描述对所述系统的详细3D数字分析。回顾图2A和2B，当观察到大多数粒子被捕获在高强度的狭缝区域内，也观察到捕获还发生在沿狭缝波导结构的侧面。由于捕获强度与局部的光场强度相关，被捕获的粒子在两个不同区域的表现可相容以估测对于捕获稳定性的影响。有限元模拟可以被用来计算在侧边被捕获的粒子与在狭缝中被捕获的粒子相比的相对捕获力，分别如图4A及图4B所示。可以看出，在侧边被捕获的粒子的捕获力小得多，其结果是，只需要较少的作功能量来超越捕获释放的势垒。这提供了一种来区分两种情况的途径，因为可以预计侧边被捕获的粒子将比那些在狭缝中被捕获的粒子更容易被释放。图4A及4B也显示，狭缝波导光模不被任一位置粒子的存在所干扰。

将粒子从捕获状态进行释放所需做功的量可通过从粒子稳定捕获位置到无穷远对作用力曲线进行积分求得。插图表示算出在稳定捕获位置的粒子的电场。箭头表示释放的方向。图4A是相应于在120nm狭缝中的100nm粒子的捕获力相对于与狭缝波导的高度有关的粒子位置的线图。粒子位置测定为从200nm高的狭缝波导底部到粒子中心的距离。捕获力在场梯度最强的狭缝波导入口处达到最大值。图4B是描述在具有两种可能的释放路径的相同结构中被侧面捕获的100nm粒子捕获力的线图。粒子位置被测定为从粒子的最稳定位置到粒子中心的偏差。上升的线对应于由于外部力量粒子被推离波导，而“V”形线对应于被抬离波导的粒子。所列举的捕获力被归一化为1W的基准功率。

由于捕获释放的方向是在垂直方向、物理约束是通过通道壁提供、以及捕获力并不沿波导的长度而变化，从而难以通过实验提取有关捕获稳定性的定量值。然而，从数值计算可以从作用力距离曲线的斜率估算捕获抗扰性，在1W的激发功率下对于100nm纳米粒子为0.2pN/nm。尽管难以进行直接对比，但是，所述作用力明显高于其他人所描述的用其它近场技术对于较大粒子的作用力。

对于在光学近场的粒子，存在有限量的做功能量以将粒子从一个被稳定地捕获的位置移除到一个捕获不再有任何影响的位置。当捕获作用相对较弱且粒子相对较小的时候，系统中的随机热能将最终超过这个功率而粒子将被释放。在这种情况下，这种理论功率能量类似于阻止粒子从波导释放的活化能势垒，而动力学表现类似于分子从表面的解吸。对于例如狭缝宽度、粒子组成和大小等相关参数如何影响被捕获纳米粒子的释放速度，便可得到对于构建坚固、稳定的狭缝传输装置的有用信息。

图4C是关于n/n₀相对于强度和时间归一化因子τ的线图。狭缝中捕获的粒子用十字叉“+”表示，侧边捕获的粒子用圆圈“○”表示，而DNA用斜叉“×”表示。n/n₀代表目前被捕获于波导的粒子的相对“浓度”。图4D是二阶速率式(1/n-1/n₀)的F(n)对于τ的图表，所用的符号与图4C中的一致。线条表示相对于可得到释放速率常数的数据的线性吻合。在这个例子中，较陡的斜率表示较高的释放速度进而对应于较不稳定的捕获。

针对捕获在狭缝内的纳米粒子、捕获在狭缝外面的纳米粒子和捕获的DNA，进行了大量的捕获实验。捕获是在稳定点附近进行，从而目标物会从波导结构中自身释放。图4C显示了被捕获于波导的目标物的总量作为标准化时间的函数的图表。捕获在波导内的粒子的平均释放时间比捕获在外部的粒子的平均释放时间更长，这表明稳定性更高，而与先前的数值预测相一致。在一个具体实施方式中，捕获稳定性可能与动力学常数k相关，k可以通过将上述数据绘制为关于合适的速率式的缩减时间的函数而得到。

在图4D中，侧面捕获的粒子显示出具有较大的速率常数，这表明释放(吸附)较快因而只需较低的功率能量就可能引起释放。其中释放过程似乎呈现二阶率的原因可能是电磁捕获力的指数式衰减加上流体动力学阻力。DNA显示出比聚苯乙烯纳米粒子更低的稳定性，可能是因为它在捕获过程中产生的伸展构象。由于捕获的稳定性可能会强烈地依赖于分子构象，在这种系统中释放动力学的分析可能导致一种单分子分析的新方法。

图5是系统500的简化框图，其包括具有狭缝的波导狭缝510，而该狭缝暴露于通道515以提供含有会被感应器520感应并捕获的粒子的流体。感应器520可以是照相机或其它类型的能够探测所需粒子的装置，比如分光计或其它被动型或主动型的感应器。在一个具体实施方式中，感应器520与芯片实验室类型的系统相容。波导510和通道515被支托在基材525上。激光530或其它光功率源被显示而耦合到带有纳米锥(nanotaper)的光纤上，以便将光功率源耦合到狭缝波导。此图未按比例绘制。

在一个在上文中作为参考实验的实施方式中，狭缝波导芯片可能采用电子束光刻工艺过程来制作。其它过程可酌情采用。这种芯片可以使用硫酸和过氧化氢化合物的稳定配方(例如Nano-Strip^TM)来进行清洁，而且可以使用反应性的离子氧等离子体蚀刻方法来除浮渣(descummed)。在一个具体实施方式中，波导的总宽度可以为大约450nm，而狭缝宽度范围为60nm到120nm。不同宽度的波导根据需求可以用于不同的具体实施方式。狭缝波导可能被转换到为二氧化硅中所包覆的纳米锥装置，以提高耦合效率。在一个具体实施方式中，激光源包括可调谐的1550nm激光其传播到锥形透镜纤维。

在一个具体实施方式中，粒子溶液包括悬浮的荧光聚苯乙烯纳米粒子，其直径为75nm和100nm(Duke Scientific)的而在100mN磷酸盐缓冲液中折射率n为1.574。这些粒子在粒子直径方面具有大约10％的分散度。缓冲溶液的高离子浓度抑制了系统中的静电相互作用并在实验过程中保持恒定的pH值。1％v/v Triton X-100非离子表面活性剂被添加到粒子溶液中以防止纳米粒子的聚积并限制粒子粘附到设备和PDMS微通道的表面。

实验中采用了与100μm宽和5μm高的PDMS微通道相连的设备。使用可调节的空气压力系统驱动射流以维持对装置的恒定压力。在捕获实验期间，光纤的输出功率设为从250mW至300mW。通过计算不动的粒子数量和计算释放的粒子数量来证实粒子的捕获。使用ImageJ粒子跟踪软件来确定粒子速度大小和粒子捕获次数。实验图像是通过使用SensiCam CCD相机以每帧55ms的速率来拍摄的。

实验表明λ-DNA的捕获，除了采用小于60nm宽的狭缝波导之外，是通过使用上述技术实施而达到的。所述λ-DNA分子(New England BioLabs)是用YOYO-1(分子探针)嵌合染料染色，以便能够利用传统的荧光显微方法进行观察。缓冲剂在pH 7.8由10mM Tris Base(J.T.Baker)、1mMEDTA及10mM氯化钠(Mallinckrodt Chemicals)所组成。添加2％(w/w)的聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(Poly(n-vinylpyrrolidone))(PVM，Sigma)，以减少DNA与通道壁的非特定性结合。

详细的数值分析被用来关联近场光学力与释放动力学。从狭缝波导中释放捕获粒子所需功的大小，直接与施加于离开捕获区域的粒子的作用力大小有关。这种释放粒子所需的做功能量可以被看作粒子释放的活化能势垒，类似于传统的分子吸附理论。这样对于单个粒子系统有可能使用Arrhenius定理表征这种释放机理的速率常数：

$k=\mathrm{Aexp}(-\frac{W_{\mathrm{trap}}}{k_{B}T})---\left(1\right)$

其中k是粒子释放速率常数，A是Arrhenius常数，W_trap是粒子从狭缝波导释放所需的功，k_b为Boltzmann常数，而T为系统的温度。

已经表明，W_trap与波导中的光学强度成线性关系：

$\stackrel{\‾}{k}=k_0\exp \left(\frac{P}{P_0}\frac{A_0}{A}\right)---\left(2\right)$

其中k₀代表基准速率常数，P是在波导中耦合的光功率，P₀为基准功率，A是狭缝的横截面积，A₀是基准面积。

粒子释放的速度可以被表示为速率式：

$\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{kn}}^x---\left(3\right)$

其中n是捕获的粒子数，x是代表解吸过程级数的整数。

微分方程的解会有下列形式：

F(n)＝k₀τ                    (4)

$\mathrm{\τ}=\exp \left(\frac{P}{P_0}\frac{A_0}{A}\right)t---\left(5\right)$

其中：F(n)是n的某种函数而τ是强度归一化时间。

上述方程类似于用于从表面解析气体的Polanyi-Wigner方程，但在此列出是用于单独粒子而不是大量气体分子的解吸作用。这种设定仅适用于表面覆盖的总的粒子数相对较少从而它们不互相干扰的情形。

除了分子分析和分离应用，本系统也可用于一些新兴的领域，例如纳米组装，可提供光学镊夹的优点，但更迅速并具有次波长精度。其控制捕获的程度以及推斥进入纳米光子器件的能力也可能对通讯产业具有重大影响。与机电开关10ms到100ms的时间尺度相比，一个粒子从狭缝波导的狭缝中被释放的扩散时间为10^-6s的量级。

本说明书的摘要，根据37C.F.R.§1.72(b)的要求，用来使读者能够快速了解本文所披露技术的性质和要点。

Claims (17)

1.一种狭缝波导，具有狭缝用于提供高的光约束并且形成用来传输至少一个粒子的通道。

2.根据权利要求1所述的狭缝波导，其中光功率在所述狭缝中对所述狭缝中的所述至少一个粒子施加作用力。

3.根据权利要求1所述的狭缝波导，进一步包括光学耦合到所述狭缝的光功率源和传感源。

4.根据权利要求1所述的狭缝波导，其中所述至少一个粒子包括纳米粒子。

5.根据权利要求1所述的狭缝波导，其中所述至少一个粒子包括生物材料。

6.一种系统，包括：

狭缝波导，其具有适于提供高的光约束作用的狭缝；

通道，其连接于所述狭缝波导以提供含有粒子的流体到所述狭缝，以至当光功率被用于所述狭缝波导时粒子在所述狭缝波导的所述狭缝中被捕获。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述通道提供横向地流到所述狭缝的流体。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述狭缝的宽度为40nm至200nm。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述粒子包括至少部分展开的蛋白质或DNA。

10.根据权利要求6所述的系统，其中所述粒子通过光作用力被移入到所述狭缝。

11.根据权利要求6所述的系统，其中所述光功率是集中在所述狭缝中的本征模中。

12.根据权利要求6所述的系统，进一步还包括位于至少部分的所述狭缝的一段之上的盖子。

13.一种方法，包括：

提供含有粒子的流体到狭缝波导；

提供光功率到所述狭缝波导，以在所述狭缝波导的所述狭缝中捕获粒子。

14.根据权利要求13所述的方法，其中当所述光功率被移除后，所述粒子从所述狭缝释放。

15.根据权利要求13所述的方法，其中在所述狭缝中的所述粒子通过提供给所述狭缝的所述光功率而沿着所述狭缝被传输。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述光功率被约束于所述狭缝内的传播本征模中。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述粒子通过纵向流体流动而流体地被传输到所述狭缝中。

Images