Nanopartiküllerin Optik Yakalama

Summary

Dielektrik düşük güç optik hapsi aşağıdaki kurulum yaklaşımı ayrıntıları metal film bir çift nanohole kullanarak nanopartiküller.

Abstract

Optik tuzakla ışık kullanarak yumuşak bir şekilde küçük nesneleri hareketsizleştirir ve işlemek için bir teknik olduğunu ve yaygın olarak küçük biyolojik parçacıkları hapseden ve manipüle tatbik edilmiştir. Ashkin ve arkadaşları ilk tek odaklanmış ışın ¹ kullanarak optik cımbız gösterdi. Tek ışın tuzak küçük parçacıkların Rayleigh rejim ^{1 olduğu} durumda da pertürbatif gradyan kuvvet formülasyonu kullanılarak tam olarak tarif edilebilir. Pertürbatif rejimde, optik güç parçacık boyutu ters dördüncü kuvvet gibi bir parçacık terazi yakalama için gereklidir. Yüksek optik güçler dielektrik parçacıklar zarar ve ısıtma neden olabilir. Örneğin, çapı 109 nm tuzağa lateks küreler biyolojik madde ^2,3 için ciddi sonuçları vardır 25 sn ^1, bir 15 mW ışın tarafından tahrip edilmiştir.

A self-indüklenen arka eylem (SIBA) optik bindirme 50 nm polistiren küreler yakalamak için önerilennon-pertürbatif rejimi ^4. Olmayan bir pertürbatif rejimde, arka küçük dielektrik kontrast ile daha küçük bir parçacık anlamlı ortam elektromanyetik alan etkisi ve geniş optik kuvvet neden olabilir. Bir parçacık ışıklı bir diyafram girerken, ışık geçirgenliği nedeniyle dielektrik yükleme önemli ölçüde artar. Parçacık diyafram terk çalışırsa, azalmış iletim parçacık yakalama, deliğe, Newton'un Üçüncü Kanunu, parçacık içeri üzerinde bir kuvvet sonuçları delikten ivme dışa bir değişiklik neden olur ve. Işık iletimi takip edilebilir, bundan dolayı, tutucu bir algılayıcı olabilir. SIBA bindirme tekniği ayrıca bir çift nanohole yapısı kullanılarak geliştirilebilir.

Çift-nanohole yapı, güçlü bir yerel alan geliştirme ^5,6 vermek için gösterilmiştir. Çift nanohole iki sivri uçları arasındaki, küçük bir parçacık optik transmissio büyük bir değişikliğe neden olabilirn, böylece geniş optik kuvvet inducing. Sonuç olarak, daha küçük nanopartiküller örneğin, 12 nm silikat küreler ⁷ ve 3.4 nm hidrodinamik çapı sığır serum albümin proteinleri ⁸ olarak, sıkışabilir. Bu çalışmada, nanoparçacık bindirme için kullanılan deneysel konfigürasyonu özetlenmiştir. İlk olarak, ayrıntılı bir Thorlabs Optik Cımbız Seti dayanmaktadır bindirme kurulum montaj. Sonra, metal bir film mikroakışkan odasının imalat ve numune hazırlama çift nanohole arasında Nanofabrikasyona prosedürü açıklar. Nihayet, biz ayrıntılı veri toplama prosedürü ve 20 nm polistiren nanokürecikler yakalama için tipik sonuçlar sağlar.

Protocol

SIBA bindirme tekniğin temel ilkesi Şekil 1 'de gösterilmiştir. Şekil 2, deneysel düzenek bir şemasıdır.

1. Optik Yakalama Kurulumu

İşlemin bu bölümü için kitleri kurulumu ile ilgili ayrıntılı bilgi için optik hapsi kitine manuel ⁹ veya optik güç ölçüm modülü kılavuzu ¹⁰ bakın. Çığ fotodiyot (APD), bir kadran pozisyon algılayıcı yerine kullanıldığını unutmayın. Optik bindirme kitine dahil değildir vidalar için, kapağı vida ve donanım kiti (Thorlabs, HW-Kit2) içinde olanları kullanın. Lazer açıkken Göz koruması her zaman giyilmelidir. Işın güvenli bir alanda ve mücevher gibi yansıtıcı aksesuarlar, içinde yer olduğundan emin olun, kaçınılmalıdır. Lazer diyot kullanırken Ayrıca, elektrostatik deşarj koruması önerilir.

1. Optik cımbız seti (Thorlabs, OTKB / M) ve kuvvet ölçüm ayarlamaurement modülü (Thorlabs, OTKBFM) kendi kılavuzları olarak başına. Bir silikon tabanlı çığ fotodiyot (APD) (Thorlabs, APD110A) kadranda pozisyon algılayıcı yerine kuvvet ölçüm modülünün (Thorlabs, OTKBFM) arasında kullanılır.
2. Bir koaksiyel kablo üzerinden bir osiloskop (Tektronics, TDS1012) için AKB bağlayın.
3. Kiriş genleştirici içine bir yarı-dalga plakası (Thorlabs, AHWP05M-980) ekleyin. Yarım dalga plakası iki lens tüpleri (Thorlabs, SM1L03) arasında tespit edilir.

2. Nanofabrikasyona

1. Dört özdeş parçalar halinde bir altın kaplamalı testi slayt (EMF Corp, Cr / Au) kesin. Ticari olarak temin edilebilen slaytlar bir alternatif olarak, aynı zamanda da, 200 ° C arasında yükseltilmiş bir sıcaklıkta, bir alt tabaka 1 inç kare cam slayt üzerine E-ışın demeti tarafından biriktirilen bir tortu, 2 nm Ti yapışma tabakası ile 100 nm kalınlığındaki film, Au kullanılmıştır en az 1 saat. Bu, bir yumuşak polikristal film üretir.
2. Girdi olarak çift nanohole yapısının bir bitmap görüntü oluşturmaodaklanmış iyon demeti (FIB) sistemi bir bitmap olduğunu. Görüntü iki katı daire, 190 nm merkezine uzaklığı bir merkezi olan çapı 160 nm oluşur. Bu şablon, yaklaşık 15 nm bir ipucu ayrımı oluşturur. Çevreler arasında, isteğe bağlı bir ince çizgi uçları arasındaki herhangi bir kalıntı metal kaldırmak için yerleştirilebilir. Şekil 3a örnek bitmap görüntüsü gösterir.
3. Bir FIB (Hitachi, FB-2100) frezeleme sistemi kullanılarak çift nanohole yapısı Fabrikasyona. Bir FIB freze desen (bitmap karanlık alan FIB öğütülmüş alır) içine adım 2.2 'de bitmap dönüştürme. 40 kV, 60 K kat büyütme altında 15 mikron çaplı diyafram sınırlayıcı bir ışın bir iyon hızlanan voltaj kullanın. Mill seksen her geçişte 5 μsec dozu zaman her çift nanohole için geçer. Şekil 3b tipik sonuçlanan yapısını göstermektedir. Gerektiği gibi tekrarlayın. Hataları olanak sağlayacak şekilde birden çok nanoholes yapılmalıdır.
4. Ya FIB ve / veya h kullanarak, kayıt işaretleri eklemeve çift-nanohole (lar) ın yaklaşık yerini gösterir.
5. İsteğe bağlı olarak, doğru yapı kalitesi ve bahşiş ayırma değerlendirmek için delik SEM görüntüsü alır.

3. Mikroakışkan Odası

Mikroakışkan oda imalatı için bir işlem akış diyagramıdır, Şekil 4'te gösterilmiştir.

1. Bir tek fincan içine polidimetilsiloksan (PDMS) baz (Dow Corning Türkiye, Sylgard 184 Silikon Elastomer Base) 10 gr ve sertleştirici ilave 1 g (Dow Corning Türkiye, Sylgard 184 Silikon Elastomer Kürleme) dökün. Bir kaç dakika için karıştırın.
2. Tüm kabarcıklar bitene kadar vakum odasında karışımı boşaltın.
3. 9 cm çaplı Petri kabı içine PDMS 1,5 g dökün. 65 sn. Şekil 4b için 950 rpm'de Petri kabı alt Spin kat PDMS sonucunu gösterir. Kalınlığı 80 mikron altında olduğu sürece önemli değildir; altın film alt mikroskop objectiv içindeE çalışma mesafesi.
4. Yavaşça yer 3-5 # 1.5 Şekil 4c 'de gösterildiği gibi, 30 dakika boyunca üst üste gelir ve tahliye olmayan bu gibi PDMS üzerine lamelleri (Fisher Scientific, 12-541-B).
5. Lamelleri taşındı ve tahliye sırasında birbirlerinin üst üste yığılmış, hafifçe birbirlerine onları hareket ettirin. Dikkat ince ve düzgün lamelleri altında PDMS tutmak için alınmalıdır.
6. Lamelleri manipülasyonu gerekli ise, 30 dakika için tekrar Petri tahliye.
7. Vakum bölmesinden Petri kabı çıkarın ve 85 az 20 dakika sıcak plaka üzerinde pişirin ° C.
8. Bir jilet kullanarak, kapağı biri yavaşça ince uçlu cımbız kullanarak slayt kadar gözetlemek kayıyor kesip. PDMS Şekil 4e gibi PMMA Petri kabı dışında cam kapak kayma daha yapıştırıcı olarak PDMS ince bir tabaka lamel kalacak.
9. Şekil 4f gibi bir jilet ile PDMS bir 3 x 3 mm pencere kesip. Bu pencere odasına oluşacağı nanoparticle çözüm tutulacaktır.

4. Örnek Hazırlanması

1. Akrilik kullanılarak merkezinde bir ¾ "çapında bir delik ile bir mikroskop slaydı imal. Bu, bir lazer kesme makinesi ile gerçekleştirilebilmektedir. Diğer malzemeler de kullanılabilir. Altın örnek delik içine yerleştirilir.
2. Çift taraflı bant ile deliğin Bant çevresi. Aşırı bant kesmek için jilet kullanın.
3. Lamel üzerine yerleştirin mikroskop lamı, PDMS yukarı bakacak.
4. W / v w / v deiyonize su kullanılarak 0.05% 1 'den% polistiren Nanokürecikli solüsyonu (Thermo Scientific, 3020A) seyreltin. Bir mikropipet kullanılabilir.
5. PDMS pencere içinde çözelti bir kaç damla ekleyin. Nanoholes bulunan altın numune üzerine bir damla ekleyin.
6. Nanoholes PDMS penceresinin içinde olduğu gibi lamelleri üstüne yerleştirin altın örnek. Emin kabarcıkları odasının içinde mevcut olmadığından emin olun. Lamel ve dab herhangi bir aşırı çözüme karşı altın örnek basın.
7. Bir yağ immersiyon objektif (durum burada olduğu gibi, ama gerekli değil) kullanıyorsanız, PDMS pencerenin altında, lamel karşı tarafta daldırma bir damla yağ ekleyin. Nanoholes yerini not edin.
8. Immersiyon yağı mikroskop objektif ile temas edinceye kadar slayt tutucu, aşağı bakacak şekilde yağ, ve sonra daha düşük slayt tutucu içine mikroskop slayt yerleştirin.
9. Kabaca gösterge işaretleri hedefi altında olduğu gibi slayt aşamada hizalayın.
10. Nanoholes kadar lider gösterge çizgileri izleyin. Gösterge işaretleri ve diğer açık alanlarda ekranın merkezinden silinir böyle Pozisyon slayt. Aşırı ışık iletimi AKB zarar verebilir.
11. Lazer açın. Dikroik ayna mükemmel değil gibi, lazer ışını gelen ekranın ortasına yakın bir noktada görünmelidir.
12. Piezo aşamada kontrol yazılımı kullanarak, ayrıca tüm üç eksende hizalama rafine.

5. Veri Toplama

1. Hel ilegösterge işaretleri p, konumu bilinen bir nanohole konuma nokta yakındır. Nanoholes çözülecek çok küçük olacak ve lekeler olarak sadece görünmelidir.
2. Örnek aracılığıyla ışık geçirgenliği osiloskopta sinyal seviyesi ile gösterilir. Işık geçirgenliği maksimize etmek gibi başka örnek hizalayın. Gösterge işaretleri ve ışık iletimi bu alanlarda yüksek olacak gibi görünür ve görünür olmayan çizikler dikkatli olun. Çizikler daha tedrici değişiklikler sergilemektedir ederken Nanoholes ışık geçirgenliği ani sıçramaları gösterecektir.
3. Çift-nanohole yapı polarize olarak waveplate kullanılarak, en yüksek ışık iletimi için ışık polarizasyon ayarlayın.
4. , Gürültüyü en aza indirgemek breadboard, 200 kohm direnç ve 100 pF kondansatör ile bir RC filtre oluşturmak ve koaksiyel kablo üzerinden AKB sonra bağlamak için. Bu değerler gerekli veri toplama bant genişliği dikkate alınarak, en iyi performans için ayarlanabilir.
5. Osiloskop ve veri müktesebat bağlayınkoaksiyel kablolar ve T adaptörü ile RC filtresi ition modülü (Omega, USB-4711A).
6. İstediğiniz zaman için veri toplama modülü kullanılarak AKB voltaj tadabilirsiniz. Toplama kez saniye yüzlerce tipik olarak. Bu durumda, özel bir yazılım paketi veri toplama için kullanılmıştır. Gerilimi saniyede 2,000 kez örneklenir.
7. Matlab kullanarak, bir Savitzky-Golay filtresi kullanılarak elde edilen verilere filtre ve bir grafik üzerinde zamana karşı bu arsa.

Representative Results

Tipik bir toplama izleme Şekil 5a 'de gösterilmiştir. Bir bindirme olayı iki iletim güç düzeyleri arasında açık bir geçiş gösteren, keskin kenarlı, karakteristik ani oldu. Parçacıklar Brownian hareketi tabi olduğundan, yakalama olayları rasgele meydana gelecektir. 20 nm parçacıklar için, tuzakla iletim değişiklikleri 10-300 sn civarında,% 5-10 ve tuzakla kez etrafında genellikle vardı. Yukarıda özetlenen güç ve konsantrasyon için bir yakalama olayı gerçekleştirmek için tipik zaman bir dakika sırasını üzerindedir. Bir parçacık serbest kez, genellikle bir sonraki yakalama olayı takip ediyor olsa da sterik nedeniyle o, aynı anda birden fazla parçacık hapsi görmek nadirdir. Sonuç kalitesine bağlı olarak, yakalama durumunu sinyal gürültü içinde bir artış olabilir. Bu gürültü artışı sıkışıp parçacık Brownian hareketi geliyor. Sıkışıp parçacık olmadan, bu gürültü kaynağı mevcut değildir.

_content "> Bazı eser bindirme etkinlik gösteren olmayan sonuçlar da ortaya çıkabilir. Şekil 5b'de gösterildiği gibi dakikalık bir süre boyunca transmisyon içinde sürüklenen, yavaş değişiklik gösteren sonuçlar, atılmalıdır. diğer eser de mevcut olabilir öyle bakım odası kabarcık serbest olmasını sağlamak için alınan değilse tutarsız iletim değişiklikleri, tüm aşırı gürültü veya bindirme. Örneğin, kabarcıklar süreksiz yoğunluğu atlar neden olabilir. Bu kabarcıklar dinamik açısından bindirme olayları farklı şekilde cevap verecektir davranış ve şiddetindeki değişim, ve bu yüzden anlaşılırdır. Böyle belirtiler kötü bir çift nanohole yapısı, kirletici veya mekanik titreşimlerin neden olabilir. sessiz, düşük aktiviteli ayarı yüksek bu kurulum yerleştirilmesi tavsiye edilmektedir. Ayrıca, lazer ve izin hizaladıktan sonra birkaç dakika yerleşmek sahne de yardımcı olabilir.

s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/>
Şekil 1 Subwavelength diyafram optik iletim: a) parçacık olmadan; dielektrik parçacık nedeniyle b) Artan iletim, c) partikül girişimleri terk etmek, ışık momentum (DT) azalma olarak parçacık üzerine bir kuvvet (F) neden olur. deliğe geri çekin; d) iletim DT değişikliği neden parçacık nedeniyle iletim eğrisi Red-kayması.

. Şekil 2, kırmızı daire genişlemesi) b kurulum yakalama a) Genel şematik gösterilir; b) Genişleme çift nanohole gösteren ve PDMS odası içinde nanokürecikler; çift nanohole yapısı c) SEM görüntüsü. Kullanılan kısaltmalar: LD = lazer diyot; ODF = optik yoğunluk filtresi; HWP = yarım dalga plakası; BE = ışın genişletici; MR = ayna; MO = mikroskop objektif; OI MO = yağ immersion mikroskop objektif; DH = çift nanohole; APD = çığ fotodetektör.

Şekil 3 FIB üretiminde kullanılan a) Örnek bitmap figürü;. B) Bir çift nanohole bir SEM görüntüsü.

Şekil 4. Mikroakışkan odası imalatı için proses şeması.

Şekil 5. 20 nm polistiren küreleri ile olayları yakalama (a) Tipik edinimi. (B) akut drift gösteren bir fakir edinme.

Discussion

Geçerli kurulum nanohole yapısı sayesinde etkili yakalama yetenekleri vardır. Düşük optik yoğunluklarda Bu nanohole tuzakları ~ 10 nm çaplı dielektrik parçacıklar. Gerekli optik güç karşı parçacığın ters dördüncü dereceden ölçeklendirme ile sınırlıdır, ancak bunlar genellikle pertürbatif rejimi faaliyet; Diğer roman optik tuzakları optik kutuplu anten ^11, fısıldayan-galeri-modlu optik rezonatörler ^12,13 ve dalga kılavuzlarının ¹⁴ içerir boyutu, SIBA ve çift nanohole tuzak aksine. Alternatif diyafram şekiller de böyle bir dikdörtgen plasmonik gözeneklere ¹⁵ olarak bindirme için sunulmuştur. Çift-nanohole tuzağı ile gösterilen diğer avantajlı özellikleri parçacık boyutu-seçici davranış ^7, bir tek tutucu konum (çoklu parçacık tutucu sınırlamak için) ¹⁶ ve imalat kolaylığı içerir. FIB bir kullanmaya bir alternatif olarak, çift-nanoholes bir koloidal litografi kullanılarak imal edilebiliry ^6.

Büyük kutuplanabilirlik ve boyutta biyolojik materyallerin Trapping hücreleri ^17,2,18, tütün mozaik virüsü ³ ve manipülasyon yaşayan ve büyük dielektrik parçacıklar ¹⁹ ucunda gergin DNA iplikçiklerinin germe, bakteriler ³ dahil etmiştir; daha küçük ancak, doğrudan yakalama tethering olmadan biyolojik örnekler zor kalır. Bu bindirme yapılandırma küçük biyolojik partiküller hasar veya birleştirme olmaksızın uzun süreler için yapılacak sağlayan, geleneksel ışık cımbız ve dairesel nanohole daha düşük ışık şiddetlerinde küçük dielektrik parçacıkları hapseden yeteneğine sahiptir. Ayrıca, yakalama olayları bu kurulumu hassas bir sensör olarak çalışmak ve bu tür virüsler ve proteinler gibi küçük biyolojik partiküller, algılamasını sağlayan bir yüksek sinyal-gürültü oranı sergilemektedir. Aslında, 20 nm polistiren küreleri küçük biyolojik partiküller karşılaştırılabilir 1.59 bir refraktif indekse sahipvirüs gibi. Bu yöntem biyolojik partiküller dahil nanoparçacıkların immobilizasyonu ve manipülasyon için güvenilir ve olgun bir teknik, haline gelebilir.

Bu tekniğin Uygulamaları mikroakışkan ortama entegrasyonu bulunmaktadır. Bunun yerine, tek bir mikroakışkan odasının, bir kanal dinamik kırılma endeksi algılama için ideal ortamı kontrol etmek için kullanılacak. Böyle bir kurulum daha istikrarlı ve sağlam kurulum ve çözünenlerin hızlı analizi için önde gelen bir tek mikroakışkan çip kuracaklardır. Başka bir seçenek tek floresan etiketli virüsler, yarıiletken kuantum noktaları ve yeşil floresan protein karakterizasyonu için floresans saptama şeması gelişmedir. Bu kurulum da çok küçük numunelerin analiz edilmesi sağlayan, tek bir virüs ya da protein için bir biyosensör içine modifikasyonu için bir potansiyele sahiptir. İlaç keşfi ²¹ ve hastalık ve enfeksiyon saptanması ²² tek bir proteinin dedektör yararlanacak. Raman SPEctroscopy parçacıklar ve bir bağlayıcı olayları Raman sinyalleri tespit etmek için dahil edilebilir. Çift nanohole yapısı ucu-geliştirilmiş Raman spektroskopisi ²³ için uygun ucunda güçlü yerel alanda geliştirmeleri sağlar. Malzeme nitelemesi bir çok özel etiket içermeyen yöntemi de Raman spektroskopisi ²⁴ ile mümkün olacaktır.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Immersion Oil	Cargille Labs	16484	Quantity: 1
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit	Dow Corning Canada		Quantity: 1 Contains both PDMS base and curing agent
Gold Coated Test Slides	EMF Corp	Cr/Au	Quantity: 1 A Ti adhesion layer can be used as well
No 1.5 Coverslips	Fisher Scientific	12-541-B	Quantity: 1
Focused-Ion Beam System	Hitachi	FB-2100
Portable Data Acquisition Module	Omega Engineering	USB-4711A	Quantity: 1
Linear Stage	Parker	4034M	Quantity: 1
Laser Diode Head and Controller	Sacher Lasertechnik Group	TEC 120	Quantity: 1 Manual Tunable Littrow Laser System
Digital Oscilloscope	Tektronics	TDS1012	Quantity: 1
20 nm Nanosphere Size Standards	Thermo Scientific	3020A	Quantity: 1
1" Lens Mount	Thorlabs	LMR1	Quantity: 1
0.3" Lens Tube	Thorlabs	SM1L03	Quantity: 2
Absorptive ND 4.0 Filter	Thorlabs	NE40A	Quantity: 1
Aluminum Breadboard	Thorlabs	MB1824	Quantity: 1
Avalanche Photodiode	Thorlabs	APD110A	Quantity: 1
Digital Optical Power Meter	Thorlabs	PM100	Quantity: 1 Obsolete, others will do
Force Measurement Module	Thorlabs	OTKBFM	Quantity: 1
Kinematic Mirror Mount	Thorlabs	KM200-E03	Quantity: 1 With Near IR Laser Quality Mirror
Laser Diode Constant Current Driver	Thorlabs	LD1255R	Quantity: 1
LD1255 Optical Table Mounting Plate	Thorlabs	LD1255P	Quantity: 1
Mounted Achromatic Half-Wave Plate	Thorlabs	AHWP05M-980	Quantity: 1 690 - 1200 nm
Optical Tweezer Kit	Thorlabs	OTKB/M	Quantity: 1 Metric or Imperial
Post Holder Base	Thorlabs	BA2	Quantity: 2
Power Supply	Thorlabs	PS-12DC-US	Quantity: 1
Power Supply Cable	Thorlabs	LD1255-CAB	Quantity: 1
Right Angle Plate	Thorlabs	AP90	Quantity: 1
Right Angle Post Clamp	Thorlabs	RA90	Quantity: 1
Stainless Steel Optical Post	Thorlabs	TR3	Quantity: 1
Table Clamp	Thorlabs	CL1	Quantity: 2 Obsolete, others will do
Thermal Sensor	Thorlabs	PM210	Quantity: 1 For digital optical power meter
100 pF Capacitor			Quantity: 1 Any brand, not critical
200 KOhm Resistor			Quantity: 1 Any brand, not critical
Acrylic Sheet			Quantity: 3" x 1" Any brand, not critical
Assortment of coaxial cables, wires and connectors			As needed
Breadboard			Quantity: 1 Any brand, not critical
Concave Lens			Quantity: 1 Any brand, not critical
Diamond Cutter			Quantity: 1 Any brand, not critical
Double Sided Tape			Any brand, not critical
Razor Blade			Quantity: 1 Any brand, not critical
Tweezers			Quantity: 1 Any brand, fine tipped