نهج الإعداد التالية تفاصيل منخفضة محاصرة الطاقة الضوئية من عازلة النانوية باستخدام مزدوج nanohole في فيلم معدنية.
مقالة منهجية
نهج الإعداد التالية تفاصيل منخفضة محاصرة الطاقة الضوئية من عازلة النانوية باستخدام مزدوج nanohole في فيلم معدنية.
محاصرة البصرية هي تقنية لشل حركة والتلاعب الأشياء الصغيرة بطريقة لطيفة باستخدام الضوء، وقد تم تطبيقه على نطاق واسع في محاصرة الجسيمات البيولوجية والتلاعب الصغيرة. Ashkin وزملاء العمل الأوائل أثبتوا ملاقط بصرية باستخدام شعاع واحد ركز 1. ويمكن وصف في فخ شعاع واحد بدقة باستخدام القوة الانحدار perturbative صياغة في حالة الجسيمات الصغيرة رايليغ النظام 1. في النظام perturbative، والطاقة الضوئية اللازمة لمحاصرة الجسيمات على جداول كقوة الرابع عكس حجم الجسيمات. يمكن القوى البصرية مرتفع قد يضر الجسيمات عازلة وتسبب التدفئة. على سبيل المثال، تم تدمير المحاصرين المجالات اللاتكس من 109 نانومتر في القطر من قبل شعاع ميغاواط 15 في 25 ثانية 1، الذي له آثار خطيرة على المسألة البيولوجية 2،3.
واقترح الذاتي الناجم عن العودة للعمل (SIBA) إلى اعتراض البصرية محاصرة 50 نانومتر المجالات البوليسترين فيغير perturbative النظام 4. في نظام عدم perturbative، يمكن حتى الجسيمات الصغيرة مع تباين السماحية قليلا إلى خلفية تؤثر بشكل كبير على المجال الكهرومغناطيسي المحيطة وتحفز على قوة كبيرة البصرية. كما جسيم يدخل الفتحة المضاءة، نقل الضوء يزيد بشكل كبير بسبب التحميل عازلة. إذا كانت الجسيمات يحاول مغادرة الفتحة، ونقل انخفضت يؤدي إلى تغيير في الخارج الزخم من الحفرة و، من خلال قانون نيوتن الثالث، والنتائج في قوة على الداخل الجسيمات في الحفرة، ومحاصرة الجسيمات. ويمكن رصد نقل الضوء، وبالتالي، في فخ يمكن أن تصبح أجهزة الاستشعار. ويمكن للتقنية محاصرة SIBA تحسينها باستخدام هيكل مزدوج nanohole.
وقد تبين الهيكل المزدوج nanohole لإعطاء مجال تعزيز قوية المحلية 5،6. بين النصائح اثنين الحاد للnanohole المزدوج، يمكن للجسيمات صغيرة تحدث تغييرا كبيرا في transmissio البصريةن، الأمر الذي أدى بالتالي قوة كبيرة البصرية. ونتيجة لذلك، يمكن المحاصرين أصغر الجسيمات النانوية، مثل 12 نانومتر المجالات سيليكات 7 و 3،4 نانومتر نصف قطرها الهيدروديناميكية البقري ألبومين المصل البروتينات 8. في هذا العمل، ويرد تكوين التجريبية المستخدمة لمحاصرة جسيمات متناهية الصغر. أولا، نحن التفصيل جمعية الإعداد محاصرة الذي يقوم على ملقط Thorlabs كيت الضوئية. المقبل، ونحن شرح الإجراء nanofabrication من nanohole المزدوج في فيلم المعادن، وتصنيع الدائرة ميكروفلويديك وإعداد العينة. وأخيرا، فإننا التفاصيل الإجراء الحصول على البيانات وتقديم نتائج نموذجية لمحاصرة 20 nanospheres البوليسترين نانومتر.
ويتضح مبدأ هذه التقنية الملائمة SIBA في الشكل 1. الشكل 2 هو التخطيطي من الإعداد التجريبية.
1. إعداد تعويض اللون البصرية
لهذا الجزء من الإجراء، راجع إلى عدة محاصرة البصرية دليل 9 أو قياس القوة البصرية دليل الوحدة (10) للحصول على تفاصيل حول إعداد مجموعات. لاحظ أن يتم استخدام الثنائي الضوئي أفالانش (APD) بدلا من الكشف عن موقف رباعي. مسامير ليست مدرجة في المجموعة الملائمة البصرية، واستخدام تلك الموجودة في المكسرات سقف وعدة أجهزة (Thorlabs، HW-KIT2). يجب ارتداء حماية العين في جميع الأوقات عندما ليزر على. تأكد من يرد شعاع داخل منطقة آمنة وزينة العاكسة، مثل المجوهرات، ينبغي تجنبها. أيضا، كهرباء حماية التفريغ ينصح عند التعامل مع الثنائيات الليزر.
2. Nanofabrication
3. غرفة ميكروفلويديك
ويرد مخطط تدفق عملية لانتاج غرفة ميكروفلويديك في الشكل 4.
4. تحضير العينة
5. الحصول على البيانات
ويرد أثر اكتساب نموذجية في الشكل 5A. A الحدث هو محاصرة المفاجئ مميز، مع حافة حادة، مما يدل على التحول واضحا بين مستويين طاقة الإرسال. كما الجزيئات تخضع لحركة البراونية، فإن الأحداث محاصرة تحدث عشوائيا. للجسيمات نانومتر 20، وكانت التغييرات انتقال من محاصرة عادة حوالي 5-10٪ والأوقات الملائمة، حول 10-300 ثانية. الوقت النموذجي لتحقيق الحدث محاصرة للسلطة والتركيز المبينة أعلاه هي بناء على أمر من دقيقة واحدة. بسبب عائق الفراغية أنه من غير المألوف أن نرى متعددة في وقت واحد محاصرة الجسيمات، على الرغم من مرة واحدة يتم تحرير الجسيمات، ويتبع عادة من قبل الحدث محاصرة اللاحقة. اعتمادا على نوعية النتائج، قد يكون هناك بعض الزيادة في إشارة الضوضاء في ولاية المحاصرين. هذه الزيادة الضوضاء يأتي من الحركة البراونية للجسيمات المحاصرين. دون الجسيمات المحاصرين، وهذا مصدر الضوضاء غير موجود.
_content "قد> بعض القطع الأثرية تظهر في النتائج التي ليست دليلا على الأحداث محاصرة. النتائج تظهر الانجراف، والتغيرات بطيئة في نقل على مدى فترة من دقيقة كما هو مبين في الشكل 5B، وينبغي التخلص منها. غيرها من الأعمال الفنية أيضا قد تكون موجودة مثل كما نقل التغييرات غير متناسقة، أو محاصرة الضوضاء المفرطة على الإطلاق، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يسبب فقاعات يقفز كثافة متقطعة إذا لم يتم توخي الحذر لضمان أن الغرفة هي فقاعة خالية. وهذه الفقاعات تستجيب بشكل مختلف لمحاصرة الأحداث من حيث ديناميكية السلوك وكثافة التغيير، وبحيث تكون التعرف عليه بسهولة. يمكن أن يكون سبب هذه الأعراض من بنية مزدوجة nanohole الفقراء، والملوثات أو الاهتزازات الميكانيكية. ينصح بشدة A هادئة ومنخفضة النشاط الإعداد لوضع هذا الإعداد. أيضا، مما يسمح ليزر و يمكن مرحلة لتسوية بضع دقائق بعد مواءمة المساعدة ايضا.s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/>
الشكل 1 Subwavelength نقل الفتحة البصرية: أ) دون الجسيمات؛ ب) نقل بسبب زيادة الجسيمات عازلة؛ ج) إذا محاولات لترك الجسيمات، وانخفاض في ضوء الزخم (ΔT) سوف يسبب قوة (F) على الجسيمات ل. تسحبه مرة أخرى في حفرة؛ د) الحمراء المتغيرة للانتقال منحنى الناجمة عن الجسيمات، مما يؤدي إلى تغيير في ΔT الإرسال.

الشكل 2 تخطيطي) عموما من محاصرة الإعداد، يظهر توسيع دائرة حمراء في ب)، ب) توسيع تبين نقرا مزدوجا nanohole، وnanospheres داخل غرفة PDMS؛ ج) SEM صورة للهيكل مزدوج nanohole. المختصرات المستخدمة: LD = ليزر ديود؛ ODF = الكثافة البصرية مرشح؛ HWP = نصف موجة لوحة، وأن يكون شعاع المتوسع =؛ MR = مرآة؛ MO = الهدف المجهر؛ OI = MO النفط إميرسيون الهدف المجهر؛ DH = نقرا مزدوجا nanohole؛ APD = أفالانش photodetector.

الشكل 3 مثال صورة نقطية) الرقم المستخدمة في تصنيع FIB؛ ب) صورة SEM لnanohole المزدوج.

الشكل 4. مخطط عملية لانتاج غرفة ميكروفلويديك.

الشكل 5 (أ) من اقتناء النموذجية محاصرة الأحداث مع 20 نانومتر المجالات البوليسترين. (ب) حيازة الفقراء تظهر الانجراف الحاد.
ذلك أن النظام الحالي لديه قدرات محاصرة فعالة نظرا لهيكل nanohole. هذه الفخاخ nanohole الجسيمات عازلة ~ 10 نانومتر النطاق في شدة الضوئية منخفضة. الفخاخ رواية أخرى تشمل هوائيات الضوئية البصرية ثنائي القطب 11، يهمس-معرض وضع مرنانات الدليل الموجي البصري و12،13 14؛ ومع ذلك، فإنها عادة ما تعمل في النظام perturbative، والتي تحد من التوسع المرتبة الرابعة معكوس القوة البصرية المطلوبة مقابل الجسيمات حجم، على عكس SIBA وفخ مزدوج nanohole. كما تم الأشكال البديلة المقدمة للالفتحة الملائمة، مثل ثقب النانو في plasmonic مستطيلة 15. الصفات مواتية أخرى يتضح من الحفرة المزدوجة، nanohole تشمل السلوك الانتقائي حجم الجسيمات 7، موقع محاصرة واحد (للحد من الجسيمات محاصرة متعددة) وسهولة تصنيع 16. كبديل لاستخدام FIB، يمكن ملفقة المزدوج nanoholes باستخدام طبع الغرويةY 6.
محاصرة المواد البيولوجية من الاستقطاب الكبيرة وحجم البكتيريا وشملت 3، الخلايا الحية 17،2،18، وفيروس تبرقش التبغ والتلاعب 3 وتمتد من خيوط DNA المربوطة في نهايات مع جزيئات كبيرة عازلة 19؛ ومع ذلك، محاصرة مباشرة من أصغر العينات البيولوجية دون الربط يظل تحديا. هذا التكوين محاصرة قادرة على محاصرة الجسيمات الصغيرة عازلة في ضوء انخفاض شدة الضوء من ملاقط التقليدية وnanohole دائرية، مما يسمح للجزيئات التي ستعقد البيولوجية الصغيرة لفترات طويلة من الزمن دون حدوث تلف أو الربط. أيضا، الأحداث التي وقعت محاصرة يحمل إشارة إلى ارتفاع نسبة الضوضاء مما يتيح هذا الإعداد للعمل كجهاز استشعار حساسة وكشف جسيمات أصغر البيولوجية، مثل الفيروسات والبروتينات. في الواقع، 20 نانومتر المجالات البوليسترين لديها معامل الانكسار 1.59 وهو مشابه لجسيمات أصغر البيولوجيةمثل الفيروسات. يمكن أن تصبح هذه الطريقة تقنية موثوقة وناضجة لتجميد والتلاعب النانوية، بما في ذلك الجزيئات البيولوجية.
تطبيقات هذه التقنية تشمل الاندماج في بيئة ميكروفلويديك. بدلا من غرفة واحدة وميكروفلويديك، ستستخدم قناة للتحكم بشكل حيوي البيئة، مثالية للاستشعار عن معامل الانكسار. ويحدد هذا الإعداد في رقاقة واحدة على ميكروفلويديك مما أدى إلى الإعداد أكثر استقرارا وقوة وأسرع تحليل المواد المذابة. وثمة خيار آخر هو تطوير نظام الكشف عن مضان لتوصيف الفيروسات الفلورسنت الموسومة احد، أشباه الموصلات الكم النقاط والبروتينات الفلورية الخضراء. هذا الإعداد أيضا إمكانية التعديل في المجس البيولوجي للفيروس واحد أو البروتين، مما يسمح بتحليل عينات صغيرة جدا. واكتشاف المخدرات 21 و الكشف عن المرض والعدوى 22 الاستفادة من جهاز الكشف عن بروتين واحد. رامان جمعية مهندسي البتروليمكن إدراجها ctroscopy للكشف عن اشارات رامان من الجسيمات والأحداث ملزمة واحدة. هيكل مزدوج يسمح nanohole قوية تحسينات ميدانية محلية في نصائح، مناسبة لرامان الطيفي تلميح محسنة 23. ومن شأن تسمية محددة للغاية خالية من طريقة توصيف المواد يكون من الممكن أيضا استخدام رامان الطيفي 24.
ويرعى الإنتاج وحرية الوصول إلى هذه المقالة عن طريق Thorlabs.
نعترف Thorlabs لرعاية هذا المنشور وبتمويل من العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث (NSERC) في كندا ديسكفري المنحة. نشكر برايس وسير دوغلاس Rennehan للحصول على المساعدة في إنتاج هذه المادة من صنع الفيديو.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| اسم | الصانع | رقم متسلسل | تعليقات |
| الغمر النفط | Cargille مختبرات | 16484 | الكمية: 1 |
| Sylgard إلاستومر سيليكون 184 كيت | داو كورنينج كندا | الكمية: 1 يحتوي على كل قاعدة وكيل PDMS علاج | |
| الذهب المطلي اختبار الشرائح | EMF كورب | CR / الاتحاد الافريقي | الكمية: 1 ويمكن استخدام طبقة التصاق تي فضلا |
| لا Coverslips 1،5 | فيشر العلمية | 12-541-B | الكمية: 1 |
| تركز ايون الشعاع النظام | HITACHI | FB-2100 | |
| وحدة محمولة الحصول على البيانات | أوميغا الهندسية | USB-4711A | سمعتزم: 1 |
| المرحلة الخطية | باركر | 4034M | الكمية: 1 |
| ليزر ديود رئيس وحدة تحكم | زاخر LASERTECHNIK المجموعة | TEC 120 | الكمية: 1 دليل الانضباطي ليزر نظام Littrow |
| راسم الرقمية | Tektronics | TDS1012 | الكمية: 1 |
| 20 نانومتر المعايير Nanosphere الحجم | الحرارية العلمية | 3020A | الكمية: 1 |
| 1 "عدسة جبل | Thorlabs | LMR1 | الكمية: 1 |
| 0،3 أنبوب عدسة " | Thorlabs | SM1L03 | الكمية: 2 |
| ND الاستيعابية 4،0 تصفية | Thorlabs | NE40A | الكمية: 1 |
| الألومنيوم Breadboaالثالثة | Thorlabs | MB1824 | الكمية: 1 |
| انهيار جليدي الثنائي الضوئي | Thorlabs | APD110A | الكمية: 1 |
| عداد الطاقة الضوئية الرقمية | Thorlabs | PM100 | الكمية: 1 وعفا عليها الزمن، والآخرون |
| قوة القياس وحدة | Thorlabs | OTKBFM | الكمية: 1 |
| مرآة جبل الحركية | Thorlabs | KM200-E03 | الكمية: 1 مع قرب IR ميرور جودة الليزر |
| ليزر ديود برنامج التشغيل الحالي المستمر | Thorlabs | LD1255R | الكمية: 1 |
| LD1255 اللوحة البصرية تركيب الجدول | Thorlabs | LD1255P | الكمية: 1 |
| شنت لا لونية نصف موجة لوحة | Thorlabs | AHWP05M-980 | الكمية: 1 690 - 1200 نانومتر |
| كيت الضوئية ملقط | Thorlabs | OTKB / M | الكمية: 1 متري أو إمبراطوري |
| أضف قاعدة حامل | Thorlabs | BA2 | الكمية: 2 |
| التيار الكهربائي | Thorlabs | PS-12DC-US | الكمية: 1 |
| كابل التيار الكهربائي | Thorlabs | LD1255-CAB | الكمية: 1 |
| الحق زاوية اللوحة | Thorlabs | AP90 | الكمية: 1 |
| الحق المشبك آخر زاوية | Thorlabs | RA90 | الكمية: 1 |
| الفولاذ المقاوم للصدأ البصرية مشاركة | Thorlabs | TR3 | الكمية: 1 |
| الجدول المشبك | Thorlabs | CL1 | الكمية: 2 وعفا عليها الزمن، والآخرون |
| الاستشعار الحراري | Thorlabs | PM210 | الكمية: 1 لالرقمية عداد الطاقة الضوئية |
| 100 الجبهة الوطنية المكثفات | الكمية: 1 أي علامة تجارية، وليس الحرجة | ||
| 200 المقاوم KOhm | الكمية: 1 أي علامة تجارية، وليس الحرجة | ||
| الاكريليك ورقة | الكمية: 3 "س 1" أي علامة تجارية، وليس الحرجة | ||
| مجموعة متنوعة من الكابلات المحورية والأسلاك والموصلات | حسب الحاجة | ||
| اللوح | الكمية: 1 أي علامة تجارية، وليس الحرجة | ||
| عدسة مقعرة | الكمية: 1 أي علامة تجارية، وليس الحرجة | ||
| قطع الماس | الكمية: 1 أي علامة تجارية، وليس الحرجة | ||
| الوجهين الشريط مزدوجة | أي علامة تجارية، وليس الحرجة | ||
| موس | الكمية: 1 أي علامة تجارية، وليس الحرجة | ||
| ملاقيط | الكمية: 1 أي العلامة التجارية، ويميل غرامة |
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن