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Bioengineering

Trapping von Mikropartikeln in Nanoplasmonic optischen Gitter

Published: September 5, 2017 doi: 10.3791/56151

Summary

Wir beschreiben eine Prozedur, um optisch Mikropartikel in Nanoplasmonic optischen Gitter einzuschließen.

Abstract

Die plasmonische optische Pinzette wurde entwickelt, um die Beugung Grenzen der konventionellen Fernfeld optische Pinzette zu überwinden. Plasmonische optischen Gitter besteht aus einem Array von Nanostrukturen, die eine Vielzahl von Fang und Transport Verhalten aufweisen. Wir berichten über die experimentellen Verfahren, die Mikro-Partikel in einem einfachen quadratischen Nanoplasmonic optischen Gitter. Wir beschreiben auch der optische Aufbau und Nanofabrikation eines Nanoplasmonic-Arrays. Das optische Potenzial entsteht durch die Beleuchtung ein Array von gold Nanodiscs mit einem "glockenförmig" Strahl von 980 nm Wellenlänge und spannende Plasmon-Resonanz. Die Bewegung der Partikel wird durch Fluoreszenz-Bildgebung überwacht. Ein Schema, photothermische Konvektion zu unterdrücken wird auch beschrieben, um nutzbare optische Leistung für optimale Fang zu erhöhen. Unterdrückung der Konvektion wird durch Kühlung der Probe auf eine niedrige Temperatur und unter Verwendung der in der Nähe von Null thermische Ausdehnungskoeffizient des Mediums Wasser erreicht. Einzelkorn Transport- und mehrere Partikel abfangen werden hier gemeldet.

Introduction

Die optische fallen Mikromaßstab Teilchen wurde ursprünglich von Arthur Askin in den frühen 1970er Jahren entwickelt. Seit seiner Erfindung entwickelte sich die Technik als ein vielseitiges Werkzeug für Mikro- und Nanomanipulation1,2. Konventionelle optische trapping basierend auf das Fernfeld mit Schwerpunkt Prinzip ist von Natur aus begrenzt durch die Beugung in seine räumliche Beengtheit, wobei die Fallenjagd Kraft dramatisch sinkt (folgende eine ~3 -Gesetz für ein Teilchen mit dem Radius ein) 3. um solche Beugung Grenzen zu überwinden, Forscher entwickelten optischen Nahfeld-Trapping Techniken basierend auf dem evaneszenten optische Feld mit plasmonische metallischen Nanostrukturen und darüber hinaus das fangen von nanoskaligen Objekten auf einzelne Proteinmoleküle wurde demonstriert4,5,6,7,8,9,10,11. Darüber hinaus entsteht plasmonische optische Gitter aus Arrays von periodischen plasmonische Nanostrukturen Langstrecken-Transport von Mikro- und Nanopartikel und mehrere Teilchen Stapeln11,12zu verleihen. Ein Haupthindernis für die Fallenjagd in einem optischen Gitter zu stören ist photothermische Konvektion und Anstrengungen unternommen durch mehrere Gruppen14,15,16,17, deren Auswirkungen aufzuklären. Mit Green-Funktion, haben Baffou Et Al. ein Temperaturprofil durch Modellierung jeder plasmonische Nanostruktur als Punkt Heizung berechnet und dann experimentell validiert ihre Modell-14. Toussant Gruppe hat auch der Plasmon-induzierten Konvektion mit Partikel Velocimetry15gemessen. Die Autorengruppe hat auch gekennzeichnet Nahfeld- und konvektiven Transport und demonstriert eine engineering-Strategie um photothermische Konvektion16,17zu unterdrücken.

Hier präsentieren wir das Design eine optische Aufbau und ein detailliertes Verfahren speziell für Überfüllung Experimente mit plasmonische optischen Gitter. Das optische Potenzial entstand durch ein Array von gold Nanodiscs mit einem lose fokussierten "glockenförmig" Lichtstrahl beleuchtet. Ein Schema, photothermische Konvektion zu unterdrücken durch die Abkühlung der Probe auf eine niedrige Temperatur (~ 4 ° C) für optimale Trapping ist auch hier17beschreiben. Unter Boussinesq Näherungswert, ergibt sich eine Schätzung der Größenordnung für die natürliche Konvektion Geschwindigkeit u aus u ~L2 ΔT / V, wo L die Längenskala der Wärmequelle und Δ ist T wird der Temperaturanstieg im Vergleich zu den Verweis wegen der Heizung.  g und β sind die Gravitationsbeschleunigung und thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei Temperaturen in der Nähe von 4 ° C die Dichte des Mediums Wasser Exponate anomale Temperaturabhängigkeit und dies führt zu einer thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahe Null und somit eine verschwindend kleine photothermische Konvektion.

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Protocol

1. optische Aufbau

Hinweis: das Prinzip der optischen Aufbau in Abbildung 1 dargestellt ist.

  1. Satz, der optischen Pinzette kit (siehe die Tabelle der Materialien) und die Fluoreszenz-Modul (siehe Tabelle der Materialien) wie pro ihre Handbücher. Schließen Sie eine 470 nm blaue Licht emittierende Diode (LED) Licht-Quelle an das fluoreszierende Modul.
  2. Hohen numerischen Apertur (NA) zu ersetzen (NA = 1,25, Vergrößerung 100 X) Öl eintauchen Ziel durch eine lange funktionierende distanzieren (WD) Mikroskopobjektiv (Brennweite 3,6 mm, WD = 10,6 mm, NA = 0.5).
  3. Entfernen Sie die Linse in der Balkenquerschnitt Ausbau des montierten Kit, lose Fokussierung des Laserstrahls zu erreichen.
  4. Wendung auf die Stromversorgung und den Strom für die Laser-Diode Wellenlänge 980 nm und Nutzung der geladenen gekoppelt (CCD) Kamera um sicherzustellen, dass der Laserstrahl korrekt ausgerichtet ist.
    Hinweis: Wenn der Laserstrahl gut ausgerichtet ist, die CCD-Kamera liest einen Gaußschen Platz.

2. Nanofabrikation

  1. Marker Fabrication.
    Hinweis: Markierungen helfen, um das Nanoplasmonic-Array während des Fertigungsprozesses und anschließende Trapping Experiment zu positionieren. Das genaue Verfahren ist in ergänzende Abbildung1 dargestellt.
    1. Anzahlung 40 nm Indium-Zinn-Oxid (ITO) Film auf einem Deckgläschen Dicke 0,17 mm mit Sputtern.
      Hinweis: Der ITO-Film hilft Elektronen bei der anschließenden e-Beam Lithografie entladen.
    2. Spin Mantel eine 8 µm Schicht von positiven Photoresist mit Spin speed 4000 u/min und 30 sec mit einem Spin Coater.
    3. Weich backen die Probe bei 90 ° C für 5 min und richten Sie die Probe mit der Fotomaske für Markierung und setzen die Probe mit UV-Licht für 80 s in der Mask Aligner.
    4. Einweichen die Probe im Fotolack Entwickler für 130 s.
    5. Einzahlen ein 2 nm Schicht aus Chrom und einer 40 nm-Schicht aus Gold auf die Probe mit thermischen Verdampfung. 18
    6. die Probe in Aceton einweichen und legen Sie es in ein Ultraschall sauberer Betrieb bei 43 kHz und 150 W für 5 min für Lift-off
  2. Herstellung von Nanoplasmonic Array
    1. Spin Mantel eine Schicht der Elektronenstrahl widerstehen PMMA 120K mit Schleuderdrehzahl 5000 u/min für 30 s auf einem Spin Coater. Backen Sie die Probe bei 160 ° C für 3 min auf einer heißen Platte.
    2. Spin Mantel eine weitere Schicht von Elektronenstrahl widerstehen PMMA 960K mit Schleuderdrehzahl 5000 u/min für 30 s auf einem Spin Coater. Backen Sie die Probe bei 160 ° C für 3 min auf einer heißen Platte.
    3. Einsatz Elektronenstrahl Schriftsteller, den e-Beam aussetzen zu widerstehen, mit Beschleunigung Spannung 30 kV und Dosierung 400 C/cm 2.
    4. Hinterlegen einer 40 nm-Schicht aus Gold in einem thermischen Verdampfer.
    5. Genießen Sie die Probe in Aceton und legen Sie sie in einem Ultraschallreiniger für 5 min für Lift-off

3. Kühlsystem und seine Temperatur-Kalibrierung Probe

Hinweis: die Probe Kühlung Bühnenbild zeigt sich in ergänzenden Abbildung2.

  1. Macht der Treiberschaltung für Probe Kühlung
    1. legen Sie die Widerstände, Transistoren bipolar Junction und macht Metalloxid-Feldeffekttransistoren auf der benutzerdefinierten Platine durch nach dem Schaltplan in ergänzende Abbildung 3 . All diese Komponenten mit Lötkolben Löten.
    2. Connect-Kabel zwischen den Steueranschluss der Leiterplatte und die elektronische Steuerkarte. Verbinden Sie die Kabel zwischen dem Ausgangs-Port der Leiterplatte und thermoelektrischen Kühlelement (TEC). Platzieren Sie das TEC-Element auf der Probe-Bühne mit Wärme versinken.
      ​ Hinweis: die TEC-Element hat ein Loch in der Mitte, um den Laserstrahl zu durchlaufen lassen.
    3. Connect-Kabel von der Platine bis 5 V Stromversorgung. Verwenden die zukunftsweisenden Infrarot-Kamera zur Überwachung der Temperatur zu überprüfen, ob die thermoelektrischen Kühlung richtig abkühlt.
  2. Kalibrierung der gemessene Temperatur in der zukunftsweisenden Infrarot-Kamera und Widerstand Temperatur-Detektor (RTD) Thermometer.
    1. Das FTE-Thermometer auf einem leeren Deckgläschen platzieren und eine kleine Menge Wärmeleitpaste auf um sicherzustellen, dass angemessene thermischen Kontakt zwischen den FTE-Thermometer und Deckglas.
    2. Einstellung der Ausgabe-Leistung von der elektronischen Steuerschaltung TEC Element ändern, indem das Tastverhältnis des Impulsschalter breite Modulation und warten Sie 3 Minuten, um sicherzustellen, dass die Steady-State-Temperatur erreicht ist. Lesen Sie die Temperatur mit der RTD Thermometer.
    3. Wiederum auf Vorwärts schauende Infrarot-Kamera und Monitor die Temperatur. Wiederholen Sie diesen Vorgang bei verschiedenen Ausgabeeinstellungen macht die Kalibrierung Temperaturkurve zu erhalten. Eine repräsentative Temperatur Kalibrierkurve in ergänzende Abbildung 4 dargestellt ist.
      Hinweis: Es ist entscheidend für die Kalibrierung zwischen FTE Thermometer und zukunftsorientierte Infrarot-Kamera zu tun, denn die gemessene Temperatur der zukunftsweisenden Infrarot-Kamera muss genau, um sicherzustellen, die richtige Temperatur erreicht ist.

4. Abfangen von Mikropartikeln

  1. verdünnt Polystyrol Mikropartikel von Durchmesser 2 µm in entionisiertem Wasser in ein Microcentrifugetube mit richtigen Volumenverhältnis.
    Hinweis: Die Konzentration von Mikropartikeln kann gemäß dem Ziel des Experiments angepasst werden. Während niedriger Konzentration einer Probe Zeitintervall zwischen Einzelkorn Trapping Ereignissen ermöglicht, wird höherer Konzentration die Zeit für mehrere Partikel abfangen verkürzen. Für einzelne Partikel abfangen, ist eine typische Konzentration ~0.05% (w/V).
  2. Legen Sie die Probe mit Nanoplasmonic Array auf der Bühne und schalten Sie ein 470 nm LED als Lichtquelle Fluoreszenz und legen Sie manuell die Macht bis 5 mW für Hellfeld Imaging.
  3. Verwenden die Markierung zu finden das Nanoplasmonic-Array, richten Sie die Probe und die CCD-Kamera um sicherzustellen, dass das Array ist in der Mitte der Region des Interesses auf dem Computerbildschirm.
  4. Verzichten, 10 µL verdünnter Mikropartikel von Durchmesser 2 µm auf die Probe mit einem Mikro Pipette.
  5. Schalten Sie die Stromversorgung für die Laserdiode der Wellenlänge 980 nm, begeistern die plasmonische Resonanz des Arrays mit einer Leistung im Bereich von ~ 1 mW bis 10 mW.
  6. Manuell schalten Sie die Stromversorgung für die elektronische Steuerkarte Abkühlen der Probe auf eine Steady-State Temperatur ~ 4 ° C.
  7. In die Viewer-Software, klicken Sie auf den " Video aufzeichnen " Sequenz, öffnen Sie das Dialogfeld "Aufnahme". Klicken Sie auf die " Platte " Taste, um die Videoaufnahme 1,5 der Bewegung des Mikro-Partikeln mit einer Bildrate von 10 Bildern/s über die Probe unter dem Einfluss der Laserstrahl mit der CCD-Kamera. Klicken Sie auf die " nicht mehr "-Taste, um die Aufnahme zu beenden. Sehen Sie Video 1.

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Representative Results

Einzelkorn Flugbahnen von einer CCD-Kamera in unserem Experiment aufgenommen wurden und die Bilder wurden dann mit einem benutzerdefinierten Programm zum Entpacken von jedes Partikels Flugbahn16verarbeitet. Repräsentative Ergebnisse werden in Abbildung 3 und 1 Video für Mikro-Kugeln mit einem Durchmesser von 2 µm. mehrere Teilchen drumherum innerhalb der optischen Gitter beobachtet wurden. Aufeinanderfolgende Bilder extrahiert aus einem repräsentativen Motion Video des Teilchens sind in Abbildung 4dargestellt. Für Mikropartikel von Durchmesser 2 µm sieht man das clustering von Mikropartikeln dicht gepackt (Hcp) Struktur eine sechseckige gebildet. Die Probe kann auch durch das Ausschalten der TEC-Element erwärmt; die beobachteten eingeschlossene Cluster würde wegen photothermische Konvektion zerstreuen.

Figure 1
Abbildung 1 . Schematische Darstellung der optische Aufbau.
Ein "glockenförmig" Strahl mit Wellenlänge von 980 nm wird verwendet, um plasmonische optischen Gitter Probe Trapping schaffen begeistern. Eine fasergekoppelte Laser-Diode des Wellenlänge 980 nm durchläuft Spiegel (M1) wird lose durch eine lange konzentriert arbeiten Abstand Mikroskopobjektiv, und regt die plasmonische Probe. Der fluoreszierende Aufnahme mit demselben Ziel in Verbindung mit dichroitischen Spiegel (DM) und Emission Filter (EF) unter der fluoreszierenden Anregung bei 470 nm von Licht emittierende Diode Lichtquelle. Das Anregungslicht bei 980 nm für die plasmonische Resonanz ist Farbe codiert "Rosa" und die Anregung und Emission Licht für Fluoreszenz-Bildgebung sind farbcodiert 'blau' und 'grün',. Die Bewegung wird mit der CCD-Kamera aufgezeichnet. Thermoelektrischen Kühlung (TEC) wird verwendet, um die Probe abkühlen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 . Nano plasmonische Array hergestellt durch E-Beam Lithografie. (ein) Marker Design zu finden und richten Sie die Probe in den Elektronenstrahl-Writer verwendet. Die Abmessungen des äußeren weißen Quadrats sind 22 mm x 22 mm, und die ringförmige Markierung im Einschub hat einen Außendurchmesser von 150 µm und Innendurchmesser von 50 µm. (b) A Rasterelektronenmikroskop (REM) Image eines Nanoplasmonic-Arrays. Eine einfache quadratische Palette von 22 x 22 Nanodiscs dient und jede Elementarzelle enthält eine Nanodisc der Dicke 40 nm und Durchmesser 550 nm mit Inter Scheibe Abstand 750 nm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 . Einzelne Partikel Flugbahnen. Die Flugbahnen der Mikropartikel extrahiert mittels Bildverarbeitung werden zusammengestellt, mit dem Schwerpunkt Algorithmus16 und hier angezeigt. Die optische Leistung verwendet für plasmonische Resonanzanregung bei 980 nm beträgt 5 mW. Eine Maßstabsleiste von 2 µm wird angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 . Bild aus einem Cluster von Mikropartikeln in plasmonische gefangen, optische Gitter und Akkumulation von Mikropartikeln im Laufe der Zeit mit einer optischen Leistung von 5 mW. (ein) aufeinanderfolgenden Fluoreszenz Bilder zeigen die Anhäufung von eingeschlossenen Mikropartikel bilden Cluster. Eine weiße Skala von 4 µm wird angezeigt. (b) Anzahl der eingeschlossenen Mikropartikel im Vergleich zur Zeit, (ein) entnommen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Movie
Video 1. Optische fallen und Partikel Ansammlung von 2 µm Partikel. Die optische Leistung verwendet für plasmonische Resonanzanregung bei 980 nm beträgt 5 mW. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen. (Rechtsklick zum download)

Supplementary Figure 1
Zusätzliche Abbildung 1. Prozess-Fluss der Nanofabrikation Nanoplasmonic Arrays. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Supplementary Figure 2
Zusätzliche Abbildung 2. Probe Kühlung Bühnenbild. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Supplementary Figure 3
Zusätzliche Abbildung 3. Treiberschaltung zur Kühlung der Probe. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Supplementary Figure 4
Zusätzliche Abbildung 4. Kalibrierung der Temperatur zwischen einem FTE Thermometer und Forward-Looking Infrarot-Kamera. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Die hier beschriebene Vorgehensweise ermöglicht dem Leser zuverlässig abfangen auf einer täglichen Basis zu reproduzieren. Eine allgemeine empirische Richtlinie, ein nutzbare optische Gitter zu entwerfen ist eine vergleichbare Größe für plasmonische Nanoarray, interdisc Abstand zu verwenden und Partikelgröße gefangen. Im Vergleich zu einem einzelnen, isolierten plasmonische Nanostruktur, verbessert das optische Gitter-Design in Verbindung mit der hohen optischen Leistung durch die Kühlung der Probe auf ~ 4 ° C verwendet hier stark die Trapping-Wahrscheinlichkeit. Wenn auch getrennte, plasmonische Nanostrukturen wie Trapping Websites verwendet werden, muss man warten, bis eine lange Zeit für die Migration von Mikropartikeln in das wirksame Trapping-Volumen in der Nähe der plasmonische Nanostrukturen. Erhöhen den Abstand zwischen Scheibe kritisch verringert auch die Wahrscheinlichkeit der Partikel Akkumulation. Hinweis, dass man auch das Trapping-Experiment mit plasmonische optischen Gitter bei Raumtemperatur, aber die nutzbare optische Leistung durchführen kann, wird sehr begrenzt sein. Auch bei geringen optischen Leistung, muss man für eine lange Zeit warten (~ 1 h) für die Mikropartikel-Trapping-Veranstaltung. In der Regel wenden wir uns an der CCD-Kamera aufzeichnen die Partikelbewegung und abholen der Trapping-Veranstaltung in wenigen Minuten. Die geltenden Laserleistung ist so hoch wie 10 mW. Bei einer hohen optischen Leistung kann eine große Ansammlung von Mikropartikeln beobachtet werden.

Die entscheidende Schritt für Erfolg in dieser Arbeit zu kühlen ist unten plasmonische auf einem fragilen Deckglas und gleichzeitig überwachen die Temperatur der Probe. Wir haben uns entschieden die zukunftsorientierte Infrarotkamera, die Temperatur zu messen, weil solch eine berührungslose Messung die Chance der Bruch der Probe reduziert. Alternativ kann man wählen, kleben Sie auf eine kleine Größe Thermometer und es verwenden, um die Temperatur in Echtzeit zu messen. Das Kühlsystem mit berührungslosen Temperaturmessung ist allgemeingültig für optische Mikroskopie bei niedrigen Temperaturen.

Obwohl hier die Demonstration mit Mikron-Partikel fertig ist, kann man Nanopartikel Falle, durch Verkleinerung der Größe und Abstand der gold Nanodiscs. So weit, Abfangen von Nanopartikeln mit Durchmesser so klein wie 100 nm wurde demonstriert19. Dies ist jedoch nicht die ultimative Grenze plasmonische optischen Gitter. Wir haben auch eine lange arbeiten Abstand Mikroskopobjektiv, das mechanische Design der Probe-Bühne zu erleichtern. Besserer Auflösung in der Bildgebung kann erreicht werden, indem er es mit einem Mikroskopobjektiv Öl eintauchen. Durch Verkleinerung der Abmessungen der plasmonische Nanostrukturen, sollte das fangen von noch kleineren Nanopartikel auch machbar sein. 20 , 21

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Y. T. Y. möchte anerkennen, finanzielle Unterstützung vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie unter Grantnummern am 105-2221-E-007-MY3 und an der National Tsing Hua University unter Zuschuss Zahlen 105N518CE1 und 106N518CE1.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Thermoelectric cooling element Thorlabs TEC 1.4-6 TEC element for sample cooling
RTD thermometer Omega Engineering RTD Thermometer 969C
Forward looking infrared camera FLIR  FLIR One IR camera for temperature monitoring
light emitting diode light source Touchbright Light source for illumination for fluorescent imaging
Long working distance objective Olympus LMPLFLN For illuminating the sample and imaging
Optical trap kit Thorlabs OTKB/M
Cover slip thickness 0.17 mm
Scanning electron microscope Hitachi SEM-Hitachi S3400N
Electron beam blanker DEBEN PCD beam blanker the blanker is added to the scanning electron microscope 
Thermal evaporator SYSKEY Technology
Mask aligner Karl Suss MJB 3 For marker fabrication
Electron beam resist Sigma Alrich PMMA 120K For e-beam lithography
Electron beam resist Sigma Alrich PMMA 960K For e-beam lithography
Fluoresent labeled polystyrene microspheres Polyscience 2 um diameter
Bipolar transistor Mouser 2N3904 quantity 2 for TEC driver circuit
Bipolar transistor Mouser 2N3906 quantity 2 for TEC driver circuit
MOSFET power transistor Mouser IRF5305 quantity 2 for TEC driver circuit
MOSFET power transistor Mouser IRF131ON quantity 2 for TEC driver circuit
10 kOhm resistor Mouser quantity 6 for TEC driver circuit
910 Ohm resistor Mouser quantity 2 for TEC driver circuit
Photoresist Microchemicals AZ4620 For marker fabrication
Acetone Sigma Alrich For marker fabrication
Fluorescence Module for the OTKB/M, Metric Threads Thorlabs OTKB-FL/M
Fluorescent filter set Thorlabs MDF-FITC For Fluorescein Isothiocyanate (FITC)
Ultrasonic cleaner Delta DC150H For the lift off step

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References

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Biotechnik Ausgabe 127 Plasmonik optische Pinzette optische Gitter Brownsche Bewegung Mikrofluidik Nanopartikel
Trapping von Mikropartikeln in Nanoplasmonic optischen Gitter
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Bhalothia, D., Yang, Y. T. TrappingMore

Bhalothia, D., Yang, Y. T. Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice. J. Vis. Exp. (127), e56151, doi:10.3791/56151 (2017).

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