纳米光学传送带的制备与操作

摘要

传统光学操控技术的可扩展性和分辨率受衍射效应限制。我们克服了衍射极限，描述了一种利用在金膜表面制备的、由紧密排列的C形等离激元谐振器构成的路径，在芯片上实现纳米颗粒光学传输的方法。

摘要

利用聚焦激光束捕获并施加力于微小粒子的技术，在过去几十年中推动了纳米尺度生物学和物理学领域的许多关键性发现。该领域的发展促使人们进一步研究更小尺度的系统，并以更大规模开展工作，同时需要更易于分发和广泛使用的工具。然而，衍射的基本定律限制了激光束焦点的最小尺寸，使得直径小于半个波长的粒子难以被捕获，通常也使操作者无法分辨间距小于半个波长的粒子。这阻碍了对大量紧密排列的纳米粒子的光学操控，并 限制了 光机械系统的分辨率。此外，使用聚焦光束进行操控需要光束成形或导向光学元件，这些元件通常体积庞大且成本高昂。为解决传统光镊系统在可扩展性方面的局限，本实验室开发了一种替代技术，利用近场光学在芯片表面移动粒子。该技术不依赖远场激光聚焦，而是利用等离激元谐振器产生的近场光学效应，实现必要的局部光强增强，从而突破衍射极限，实现更高分辨率的粒子操控。紧密排列的谐振器可形成强光学势阱，可通过寻址控制实现粒子在相邻谐振器之间的逐级传递，类似于传送带的工作方式。本文将介绍如何设计和制备一种采用金膜表面图案化C形等离激元谐振器构成的纳米光学传送带芯片，以及如何使用偏振激光对其进行操作，以实现超分辨的纳米粒子操控与传输。该纳米光学传送带芯片可通过光刻技术制备，并易于封装和分发。

引言

单个纳米颗粒的捕获、检测与操控在纳米技术中正变得越来越重要。光镊已成为分子生物学^1-4、化学^5-7和纳米组装^7-10实验中一种尤为成功的操控技术，它推动了多项突破性实验的实现，例如单个DNA分子力学特性的测量⁴ 以及根据光学特性对细胞进行分选^11,12。这些前沿领域的发现使得对更小体系的研究成为可能，并为开发具有实际应用价值的新产品与新技术铺平了道路。相应地，这一趋势也推动了对更小、更基础粒子进行操控的新技术需求。此外，人们正致力于构建“芯片实验室”装置，以更低的成本和更紧凑的集成方式实现上述功能，从而将化学与生物检测从实验室带入现场，服务于医疗及其他实际应用需求^13,14。

遗憾的是，传统的光镊技术（COT）无法满足纳米技术日益增长的全部需求。COT 的工作原理是利用高数值孔径（N.A.）物镜将激光紧密聚焦，从而在局部形成光强峰值以及电磁场能量的高强度梯度。这些能量密度梯度会对光散射粒子施加一个净力，通常将其拉向焦点中心。捕获更小的粒子需要更高的光功率或更紧密的聚焦。然而，聚焦光束受衍射原理的限制，这决定了焦斑的最小尺寸，并对能量密度梯度设定了上限。这带来两个直接后果：COT 无法高效捕获小尺寸物体，且在分辨空间上紧密排列的粒子时存在困难，这种捕获分辨率的限制被称为“粗手指”问题。此外，实现多粒子捕获的 COT 系统需要配备光束导向光....

方案

1. 设计C形刻痕（CSE）阵列

1. 设计阵列模式。

图 1. CSE 布局。 传送带重复单元结构示意图。已成功实现传输的参数为 d_y = 320 nm 和 d_x = 360 nm。相邻雕刻图案对之间具有 60º 的相对旋转偏移。请点击此处查看该图的放大版本。

1. 确定粒子在平面基底上的期望运动路径。
2. 使用 CAD 程序，沿该路径生成成对排列的 C 形多边形双线性阵列，每对中的每个多边形围绕其凸包连续旋转 30 ± 90°，如图 1所示。由于粒子自身的体积大致决定了其传递范围²²，因此相邻粒子对之间的间距不应....

结果

图7 是最终装置的照片。在1 cm × 1 cm的金表面中央，分布着CSE和传送带图案的阵列，从斜角视角可勉强观察到。图6 是最终装置上一个典型CSE图案的扫描电子显微镜图像。

390 nm 聚苯乙烯微粒在纳米光学传送带上的运动行为 5 µm 长度显示在 图9曲线显示了粒子位置随激光偏振角度的变化关系。如实验方案中所述，可能存在传输未成功或近场捕获未启动的情况。此时最佳的应对措施是尝试使用不同的图案，该图案可能处于更好的状态。

图6. C.......

讨论

近场光学捕获束（NOCB）结合了等离激元方法的强捕获力和小捕获尺寸优势，同时具备长期以来仅在传统聚焦光束技术中实现的粒子输运能力。NOCB的独特之处在于，其捕获与输运特性源于表面图案化设计，而非照明光束的整形。只要照明足够明亮，并且其偏振态或波长可被调制，即可在表面上按照复杂方案对粒子进行固定或移动。我们已通过模拟证明，NOCB还可根据粒子的迁移率实现快速分选²³。近场捕获阱可作为单分子化学反应的微小反应体积，而NOCB固有的并行处理能力意味着，只要芯片上可容纳并同时照明，就能并行建立、执行和终止大量实验。

为了使近场光学捕获棒（NOCB）正常工作，用于捕获和传递纳米颗粒的近场光学力必须克服黏性拖拽力、传统光捕获（照明光束的作用力）、热泳力，以及与其他颗粒和基底本身的接触力等竞争性作用力。在给定的照明功率下，近场光学力应尽可能强；这需要精心设计和制备纳米结构，但在实际操作中，我们需要制备一系列具有不同特征尺寸的结构，以选择最适合给定照明波长的结构。同时，还必须抑制黏性拖拽力和热泳力：尽管这些力可能无法将颗粒从近场光学捕获区域中拉出，但它们确实会显著阻碍颗粒最初.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
HSQ 电子束光刻胶	Dow Corning	XR-1541-006
PMMA	MicroChem	950A2 M230002
快速固化光学胶	Norland Optical Adhesive	NOA 81
荧光羧基微球	Bangs Laboratories	FC02F, FC03F
荧光羧酸盐修饰微球	Molecular Probes	F-8888
石英载玻片	SPI Supplies	1020-AB
倒置荧光显微镜	Nikon	ECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG 激光器	Lightwave Electronics	221-HD-V04
sCMOS 相机	PCO	EDGE55
CCD 相机	Watec	WAT-120N
零级半波片	Thorlabs	WPH05M-1064
吐温 X-100	Sigma-Aldrich	T8787
蒸馏水	Invitrogen	10977-023
硅片	Silicon Quest International	708069
光学透镜	Thorlabs