Pinças optofluídicas baseadas em grafeno para classificação, manipulação e detecção de nanopartículas com base no índice de refração e tamanho

Este trabalho propõe um novo design composto de pinças optofluídicas baseadas em nanofitas de grafeno para manipular e classificar bio-partículas com raios abaixo de 2,5 nm. A estrutura sugerida foi investigada numericamente pelo método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) utilizando análise do tensor de tensão de Maxwell (MST). O método de elementos finitos (FEM) foi usado para obter a resposta eletrostática da estrutura proposta. O caminho principal da pinça é um canal primário no centro da estrutura, onde o fluxo microfluídico transporta a nanopartícula em direção a este canal. Com relação à força de arrasto do microfluído, as nanopartículas tendem a se mover ao longo do comprimento do canal principal. As nanofitas de grafeno estão fixadas perto do canal principal a diferentes distâncias para exercer forças ópticas nas nanopartículas em movimento na direção perpendicular. Nesse sentido, sub-canais embutidos na camada de hBN no substrato de Si desviam bio-partículas do caminho principal para tamanhos e índices de nanopartículas específicos. Hotspots intensos com aumentos do campo elétrico de até 900 vezes maiores que a luz incidente são realizados dentro e ao redor das fitas de grafeno. Ajustar a distância entre a nanofita de grafeno e o canal principal nos permite separar a partícula individual com um tamanho específico das outras, orientando-a assim para o sub-canal desejado. Além disso, demonstramos que em uma estrutura com uma grande distância entre os canais, as partículas experimentam intensidade de campo fraca, levando a uma baixa força óptica que é insuficiente para detectar, prender e manipular nanopartículas. Variando o potencial químico do grafeno associado às variações da intensidade do campo elétrico nas fitas de grafeno, realizamos sintonização na classificação de nanopartículas enquanto os parâmetros estruturais permaneciam constantes. Na verdade, ajustando o nível de Fermi do grafeno via a tensão de porta aplicada, nanopartículas com qualquer raio desejado serão rapidamente classificadas. Além disso, exibimos que a estrutura proposta poderia classificar nanopartículas com base em seus índices de refração. Portanto, a pinça optofluídica dada pode facilmente detectar bio-partículas, como células cancerígenas e vírus de tamanho diminuto.