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方法文章

纳米光学传送带的制备与操作

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DOI：

10.3791/52842

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2015年8月26日

 ,  ,  , 
1Electrical Engineering, Stanford University, 2Applied Physics, Stanford University

本文内容

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学元件或空间光调制器，这些组件会显著增加光镊系统的成本和复杂性。

克服传统聚焦光束在远场传播时存在基本局限性的一种方法是利用近场中的光学电磁能量梯度。近场从电磁场源向外呈指数衰减，这意味着它不仅高度局域于这些源附近，而且其能量密度具有极高的梯度。纳米金属谐振器（如领结形孔径、纳米柱和C形刻槽）的近场已被证明能够表现出极强的电磁能量聚集效应，并且在近红外和可见光波段，金和银的等离激元效应进一步增强了这种能量集中。这些谐振器已被用于以高效率和高分辨率捕获极小的粒子15-22。尽管该技术在捕获微小粒子方面已被证明有效，但在实现粒子长距离输运方面仍存在局限性，而这种能力对于近场系统与远场系统或微流控系统之间的对接至关重要。

最近，我们课题组提出了解决这一问题的方案。当谐振器被放置得非常接近时，粒子原则上可以在不脱离表面的情况下，从一个近场光阱迁移到下一个光阱。如果相邻的光阱能够被独立地开启和关闭，则可以控制粒子的传输方向。由三个或更多可寻址谐振器组成的线性阵列，其中每个谐振器对与其相邻者不同的光偏振态或波长敏感，即可作为光学传送带，在芯片上将纳米颗粒输运数微米的距离。

所谓的“纳米光学传送带”（NOCB）在等离激元谐振器捕获方案中具有独特性，因为它不仅能将粒子固定在特定位置，还能沿预设轨道高速移动粒子、聚集或分散粒子、混合和排队粒子，甚至可根据粒子的迁移率等特性对其进行分选23。所有这些功能均通过调节照明光的偏振态或波长来控制，无需使用光束转向光学元件。作为一种近场光学捕获技术，NOCB的捕获分辨率高于传统的聚焦光束光学捕获装置，因此能够区分彼此靠近的粒子；由于其利用金属纳米结构将光聚焦至捕获势阱中，因而具有较高的功率效率，且无需高数值孔径（N.A.）物镜等昂贵的光学组件。此外，可在同一基底上以高密度并行操作多个NOCB，1 W的功率即可驱动超过1200个孔径23。

我们最近演示了首个由偏振驱动的纳米光力镊（NOCB），可使纳米颗粒在一个4.5 µm长的轨迹上平稳地来回移动24。本文中，我们介绍了设计和制备该装置、光学激活并重复实现运输实验所需的各个步骤。我们希望这一技术的广泛推广，有助于弥合微流控技术、远场光学与纳米尺度器件及实验之间的尺寸鸿沟。

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方案

1. 设计C形刻痕（CSE）阵列

  1. 设计阵列模式。

展示周期性结构及尺寸 \(d_x\)、\(d_y\) 的超材料单元结构示意图。
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 dy = 320 nm 和 dx = 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超过一个粒子直径，且每对多边形中心之间的距离不应超过该直径的 90%。
    注意：作为参考，先前的研究表明，直径为 390 nm 及以上的聚苯乙烯微球最适合沿此类 CSE 阵列进行传输。尽管可操控小至 200 nm 的微球，但其操作可靠性较低。然而，大于 500 nm 的微球会受到聚焦照明光束更强的竞争性作用力。
  1. 使用数值方法求解麦克斯韦方程组，以验证沿阵列图案的传递力。尽管本文所述程序涉及商业软件 COMSOL 所实现的有限元法（FEM），但该方法也可适配于其他数值方法及其实现方式。
    1. 构建一个数值方法几何模型，使其容纳平面图案的尺寸，并在图案平面下方至少延伸 200 nm，上方至少延伸 600 nm。在平面下方包含代表基底的区域，上方包含代表流体腔室的区域。将平面 C 形图案向下外推 150 nm 进入基底，生成代表刻蚀内部的三维区域。引入具有所需形状的粒子区域。
      1. 确保粒子顶部与仿真体积顶面之间至少有 200 nm 的空间，并根据需要调整仿真范围。在仿真的开放边界上添加厚度至少为 500 nm 的完美匹配层，以吸收向外辐射的场。
    2. 将界面以上区域的电磁材料属性设为水的属性，C 形刻蚀内部区域的材料属性设为氢硅倍半氧烷（HSQ）的属性，其余材料的属性设为金的属性。将粒子的材料属性设为聚苯乙烯或其他所需材料的属性。为简化起见，使用线性电磁材料模型。
      注：完整的三维几何模型示例见图 2。在此情况下，位于笛卡尔坐标系 ±x、±y 和 +z 边界的 PML 材料区域用于吸收传播至无穷远的场。PML 厚度定义为最大四面体网格单元尺寸的 5 倍，即 5 × 100 nm = 500 nm。
    3. 若所用数值求解器需要输入介电常数 ɛr 和磁导率 µr，则 HSQ 的相对介电常数取 1.96，水取 1.77，金取 -52.15 - 3.57i。所有相对磁导率均设为 1。若求解器要求输入除介电常数和磁导率之外的电磁材料参数，则应根据标准电磁关系式由上述数值推导所需输入值。根据数值求解器所采用的复数时间谐波符号约定，正确选择金的复介电常数中虚部的符号（在 exp(+iωt) 约定下应为负，在 exp(-iωt) 约定下应为正）。

静态平衡示意图：三维网格，立方体堆叠过程，说明载荷分布效应。
图 2. 模拟几何结构。 商用有限元方法软件 COMSOL 中数值模拟几何结构的示例。模拟了两个传送带周期，其中 dy = 320 nm，dx = 360 nm，并包含一个直径为 500 nm 的球体。阴影材料区域分别为 a) HSQ，b) 聚苯乙烯，c) 金，以及 d) 水。请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 使用自适应四面体网格对仿真体积进行离散化处理。在体相区域，将网格单元的最大尺寸限制为不超过 100 nm；此外，在球体表面和刻蚀结构表面，将网格单元的最大尺寸进一步限制为 30 nm，以提高关键结构处的计算精度。在这些区域应采用约 1.4 的适中网格增长率，以保持网格单元质量，同时可在体积内定义最小网格尺寸，以限制不可预测的自适应网格行为。
  2. 对于光学激发，定义一个背景谐波平面波，其自由空间波长为 1,064 nm，垂直入射并从平面金基底反射，如同刻蚀结构和粒子不存在时的情况。使用在垂直入射角下计算的菲涅耳方程，确定平面波的反射和透射系数。选择该平面波的偏振方向，使其电场方向与 C 形刻蚀结构的脊部对齐。将平面波的强度归一化为 1 mW/µm2。
  3. 通过一系列仿真求解散射电磁场，扫描粒子位置参数从路径一端到另一端，同时保持粒子高度恒定在距表面几纳米处。较低的高度（如 5 nm）通常会预测出非常强的捕获势阱，而较高的高度则预测出更平滑的捕获势阱。事实上，布朗运动将确保真实粒子在表面以上探索多种高度。
    注意：计算资源和时间将随数值系统规模、数值方法和计算机硬件的不同而变化。
  4. 对偏振方向与其余两种偏振不同的 C 形结构取向对齐的情况，重复步骤 1.2.5 和 1.2.6，因为偏振角以 180° 为模。
  5. 对于三组仿真中的每一次仿真，通过积分麦克斯韦-闵可夫斯基应力张量在完全包围粒子但不穿过任何材料界面的闭合曲面上的通量，计算作用在粒子上的净力。
  6. 对于每种偏振情况，通过沿粒子在每组仿真中所经历路径对负的净光力进行路径积分，计算克服光学力所做的功，如图 3所示。

旋转能级分布、矢量图；在30°、90°、150°角度下的势能图。
图 3. 捕获验证。 通过绘制激活态的光势能曲线可验证稳定捕获。为简化分析，仅考察三个CSE的单个周期。实际上，对于每种状态A、B和C，在激活刻蚀位置的总势阱深度均足够大（> 10 kBT），足以实现稳定捕获。请点击此处查看该图的放大版本。

显示角度、位置和能量状态的分子旋转势能图示意图。
图 4. 传递验证。 通过依次绘制旧激活态（浅红色）和新激活态（亮红色）的光势能，可演示传递过程。为简化起见，仅分析三个CSE组成的单个周期。在从A到B以及从B到C的传递过程中，沿目标运动方向的势垒既较小（1 kBT），又小于反向的势垒，表明可实现可控传递。从C到A的传递最为困难，因为在所有偏振状态下，阱间势垒均保持较高值。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 针对每种偏振态 A、B 和 C，验证在每个由三个 C 构成的周期内，势能最小值两侧均存在至少 10 kBT 高度的能量势垒。参见图 3，以直观识别势能最小值和势垒的位置。
    注意：此步骤用于判断粒子是否能在所设计的传送带上稳定被捕获，而不会发生前后跳跃。由于电磁波的线性特性以及线性材料模型的使用，能量势垒高度与入射平面波的强度成正比。
  2. 验证当偏振态在粒子传递过程中从 A 连续旋转至 B 时，相邻 A 捕获点与 B 捕获点之间的能量势垒是否降至 1 kBT 以下。同样地，重复验证从 B 到 C 以及从 C 到 A 的偏振旋转过程。参见图 4，以直观识别这些传递过渡过程中的势能最小值和势垒。
    注意：此步骤用于判断粒子在偏振旋转过程中是否能够可靠地从捕获点 A 转移到捕获点 B。高度为 1 kBT 的势垒可被粒子轻易克服，从而进入更深的势阱。
  3. 若在步骤 1.2.10 中发现能量势垒不足，或在步骤 1.2.11 中势垒过强，则需调整设计。通常情况下，为提高能量势垒，应增大 C 形刻蚀结构之间的间距；为降低能量势垒，则应减小其间距。但应避免将间距缩小至两个趋肤深度以内（40 nm），因为过近的刻蚀结构可能相互干扰其共振电流，从而降低整体捕获效率。调整后需重复步骤 1.2，重新验证光学势能分布。

2. 制备CSE阵列

注意：流程图如图5所示。该流程参考了文献25和26的工作。

电子束光刻工艺示意图：硅片、PMMA 涂层、100 keV 下的图案刻蚀。
图 5. CSE 工艺。 双层模板剥离工艺的流程示意图。使用能量为 100 keV 的电子束光刻技术在 HSQ 抗蚀剂上曝光传输图案。HSQ 下方的薄 PMMA 层旨在促进器件从硅基底上的最终剥离（释放）。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 获取一块洁净且抛光的硅片，并将其带入具备硅光刻工艺条件的洁净室。
  2. 清洗硅片以去除表面的有机污染物和氧化物。
    1. 将硅片浸入9:1的H2SO4:H2O2溶液中，在100 °C下处理10分钟。使用至少1 L的溶液浴可确保充分清洗，但根据设施条件，也可使用较少化学品以实现更安全、更便捷的硅片处理。
    2. 将硅片浸入50:1的HF溶液中30秒。使用至少1 L的溶液浴可确保充分清洗，但根据设施条件，也可使用较少化学品以实现更安全、更便捷的硅片处理。
    3. 用去离子水彻底冲洗硅片，并通过旋转干燥。
  3. 旋涂50 nm厚的PMMA（厚度非关键参数）。
    1. 在150 °C下前烘30分钟。
    2. 在洁净且抛光的硅片上，以5,000 rpm的转速旋涂2%的950k聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）40秒。使用移液枪将光刻胶滴加至硅片中心，开始旋转前滴加20–25滴。
    3. 在热板上于200 °C后烘PMMA光刻胶2分钟。
  4. 旋涂150 nm厚的HSQ（需与下一步在同一天完成）。
    1. 以900 rpm的转速旋涂HSQ负性光刻胶1分钟。使用塑料移液枪将光刻胶滴加至硅片中心，开始旋转前滴加20–25滴。
    2. 在热板上于80 °C后烘HSQ光刻胶2分钟。
  5. 使用电子束光刻技术进行曝光和显影（需与上一步在同一天完成）。该过程参考文献27中PMMA/HSQ双层结构的示范方法。
    1. 将轮廓设计转换为GDSII格式，用于电子束在剂量阵列中的图形化。包含至少5 µm大小的对准标记和注释，以便在光学显微镜下识别纳米结构。剂量阵列范围应为800–4,000 µC/cm2。
    2. 使用电子束光刻曝光设备，在100 kV加速电压和60 µm光阑条件下进行曝光，产生500 pA的束流。在较低加速电压下也可进行电子束曝光，但需相应调整束流、剂量及邻近效应校正模式。
    3. 将曝光后的HSQ浸入2.2%的四甲基氢氧化铵（TMAH）显影液中显影90秒。每隔10秒轻轻晃动显影皿以搅动溶液。显影时间结束后，立即用去离子水冲洗表面60秒以终止显影。
  6. 通过磁控溅射依次沉积200 nm厚的金层和1,000 nm厚的铜层。确保使用已校准金溅射速率的溅射设备，使目标厚度误差在20%以内。不同设备的溅射速率存在差异。金层和铜层的厚度略微超出目标值均可接受。
  7. 使用紫外光固化环氧树脂将一块1 cm × 1 cm的石英背板粘接到图案化基底上。
    1. 在样品的铜面滴加一滴紫外光固化环氧树脂，覆盖1 cm × 1 cm的方形区域，确保完全覆盖图案化器件区域。
    2. 将石英/玻璃背板贴合至铜表面，确保其完全覆盖图案化器件区域。
    3. 佩戴紫外防护眼镜。
    4. 将背板与硅片置于水平台面上，使用紫外泛光灯从上方照射约30分钟。
    5. 关闭紫外泛光灯，取下已固化的样品。
  8. 将器件从硅基底上在丙酮浴中释放。
    1. 使用锋利刀片在石英背板周围划出一条平滑且闭合的切割路径，确保切口足够深，穿透硅片上方的两层金属及PMMA层。
    2. 将基底浸入丙酮浴中6–8小时。
    3. 若8小时后器件仍未自然从硅片上脱落，可使用薄楔形工具或刀片小心地将器件（包括石英背板和两层金属）从硅片上剥离。
    4. 用丙酮冲洗所得样品约1分钟，并用N2或洁净空气干燥。
    5. 若背板周围残留有毛刺状金属或胶体，应使用剃刀或实验室剪刀小心修剪。此举可通过确保芯片边缘蒸发均匀，改善捕获实验中的流体动力学性能。
    6. 将样品存放在洁净、防尘的容器中，以便运输至光学实验室。

3. 准备受检样本

  1. 制备荧光聚苯乙烯微球溶液。
    1. 将厂家提供的荧光聚苯乙烯微球溶液用适量水稀释至 1×109/ml–1×1010/ml，定容至 1 ml。
    2. 向样品中加入 0.05 ml 表面活性剂（辛基酚聚氧乙烯醚）。该表面活性剂可降低胶体微球粘附于各种表面的趋势，同时略微增加分散液的黏度。

4. 校准光学柱的焦距

注意：装置的示意图可参见图8。

  1. 校准样本成像相机的焦距。
    1. 准备一个用于测试和校准的备用、带有图案且平坦的反射表面。带有对准标记的假样品效果良好。
    2. 打开显微镜汞灯并等待光照强度稳定，然后打开光源快门。
    3. 将带图案的测试表面放入显微镜视场中，并将其边缘移至视场中心。调节光衰减器以确保通过目镜观察时光线不会过亮，然后通过目镜观察并将边缘调至清晰对焦。
    4. 移动显微镜载物台，使某一图案位于视场中心，并调节焦距旋钮以最大化该图案的清晰度。
    5. 打开样本成像相机，并根据显微镜照明水平调节其亮度和对比度。
    6. 调节样本相机的焦距，直至该图案在相机图像中也清晰对焦。当在相机视图与目镜之间切换时，无需进行任何焦距调整，图案应在两者中均保持清晰对焦。
  2. 校准光束成像光路，以确保激光束成像相机聚焦于基底表面。
    注：假设近红外激光已大致准直并与显微镜成像光路对齐。使用红外感应卡是完成此对齐的有用工具。建议将整个系统构建在预对准的支撑结构（如笼式系统）上，以便所有光学元件可自动共轴对中。用于分离光束与成像波长的二向色镜是标准配置，但出于安全考虑，其对激光波长的泄漏应不超过1%。
    1. 确保房间内的每位研究人员佩戴在激光工作波长（1,064 nm）处消光能力至少为107的激光防护眼镜，并确认激光光束快门处于关闭状态。
    2. 开启激光电源和冷却系统，但保持光束快门关闭。预热激光增益介质。
    3. 确认所有人员已佩戴防护眼镜且快门已关闭后，开启激光器。在激光器前方放置光束挡板，打开快门，使用功率计测量激光输出，确认激光输出功率已稳定。保持光束挡板处于原位。
    4. 为保护样本成像相机免受高强度激光照射损坏，需在样本成像相机前安装光衰减器，并使用二向色镜将剩余光束能量引导至独立的光束成像相机。同时，通过衰减器或偏振分束器调节激光功率，使仅有适量功率（10 mW）通过装置。
    5. 移除光束挡板，使光束通过装置并投射到光束成像相机的探测器上。
    6. 开启光束成像相机，并根据激光光照强度调节其亮度和对比度。
    7. 使激光束离焦，以使较大面积的带图案反射面被激光照射。
    8. 调节光束成像相机的焦距，直至图案特征在光束图像中与样本成像相机的白光图像同时清晰对焦，并平移相机位置，使其视场中心与样本成像相机的视场中心对齐。白光图像与光束图像之间的有效焦距偏移可补偿激光波长与可见光波长之间光学元件焦距的差异。
  3. 使用光束成像相机将激光聚焦。
    1. 利用已校准的光束成像相机焦距，调节激光束焦点，使其聚焦为一个细小光斑，并调整光束焦点位置，使其位于视场中心。使用标注软件或其他合适方法，在样本相机视场中标记光束位置。
    2. 关闭激光光束快门。

5. 使用光能捕获和操控样本

注意：装置的示意图可参见图8。

  1. 对荧光聚苯乙烯微珠进行成像。
    1. 将显微镜样品 holder 中的假样品和盖玻片更换为干净的盖玻片。
    2. 在微量移液器的排液端安装一个吸头，用移液器吸取 2–4 µl 稀释后的荧光微粒溶液。
    3. 缓慢将溶液排至盖玻片上。若出现气泡，可通过轻轻向液滴吹入洁净空气的方式去除气泡。
    4. 小心地将器件放置在液滴上方，金面朝下。溶液应扩散至器件下方的整个区域。
    5. 移动显微镜载物台，使谐振器阵列芯片的边缘接近视野中心。对准芯片边缘并调焦。
    6. 平移显微镜载物台，使谐振器图案接近视野中心。通过将暗色对齐标记调至清晰来对纳米结构进行聚焦，并注意谐振器本身在明亮反射背景中呈现为暗斑。
    7. 在汞灯前插入一个窄带通滤光片，该滤光片可阻挡除对应于荧光微珠吸收峰以外的所有颜色。
    8. 在样品成像相机前插入一个窄带通滤光片，该滤光片可阻挡除对应于荧光微珠发射峰以外的所有颜色。
    9. 将微珠的荧光图像调至清晰，注意其整体平均漂移速度相对于各个微珠的随机布朗运动。等待微珠的平均漂移速度减缓至低于 10 µm/sec。
      注意：由于芯片边缘的蒸发作用以及芯片重量下流体的动态沉降力，样品液体中可能出现明显可见的流动（数十 µm/s 或更高）。如果芯片边缘的蒸发不对称性不严重，这些流动最终会减弱至可接受水平，从而能够开展实验。
  2. 使用聚焦激光束捕获一个聚苯乙烯微珠。
    1. 确保所有研究人员佩戴适当的激光安全护目镜，然后在保持激光束快门关闭的情况下打开激光器。确保激光输出功率低于 10 mW。通过在光路中放置光束挡块（防止激光辐射进入显微镜）测试光束输出，以确认激光功率已稳定。
    2. 激光功率稳定后，移除光束挡块，并观察光束图像中的激光光斑。如果光斑失焦，调节激光聚焦直至达到最小光斑尺寸。
    3. 在确保已在光束图像前放置足够的衰减器以防止光束探测器饱和的前提下，逐步增加激光输出功率，直至能够在光束焦点处稳定捕获一个漂移的微珠。扫描显微镜载物台有助于捕获偏离中心的微珠。
    4. 验证被捕获的微珠是否位于或靠近此前为追踪激光焦点位置而在样品图像中标记的位置。如果微珠位置与激光焦点标记存在偏差，应校正激光焦点标记以匹配新的微珠位置。
    5. 现在，调节光路中内置的光束扩束器，直至光束在完全聚焦时的光斑直径（FWHM）扩展至 9 µm。通过光束图像中光斑中心的直线强度截面测量该值。
    6. 如果在此调节过程中原始被捕获的微珠丢失，使用平移载物台搜索并捕获另一个微珠。
      1. 如果扩大光斑导致光阱稳定性下降（由于强度梯度降低），则根据需要增加光束功率以实现稳定的光学捕获。如果增大焦斑尺寸导致光束中心偏离原始位置，应在样品图像中重新标记被捕获微珠的平均位置作为新的光束中心。
  3. 建立近场捕获，并在C形刻蚀阵列上操控聚苯乙烯微珠。
    1. 打开背景照明灯并提高其功率，直至在荧光微珠图像背后的背景中可见基底图案。
    2. 利用松散聚焦的光束捕获一个微珠，使用显微镜载物台移动基底图案，使谐振器阵列的一端直接位于被捕获微珠的后方。如果微珠的随机布朗运动显著减弱，则表明微珠已被激发谐振器的近场捕获。
      注意：如果微珠尚未被光学近场捕获，请调整等离激元谐振器阵列在微珠下方的位置。此调整可能使微珠更接近与当前激光偏振方向对齐更佳的谐振器。如果此过程仍未引发近场捕获，可能是激光焦点略高于基底平面。此时应轻微调节激光焦点，使焦点接近基底表面。
    3. 若经过微小的载物台和激光焦点调节后，微珠仍未被光学近场捕获，请在基底上寻找另一阵列，并从步骤 5.3.2 开始重复近场捕获过程。
      注意：制造缺陷会导致谐振器性能出现系统性和随机性变化。在制造结果得到充分表征并可重复之前，非功能性谐振器阵列较为常见。
    4. 一旦建立近场捕获，移动显微镜平移载物台，使激光光斑中心更接近传送结构的中心。此操作倾向于带动微珠随聚焦激光中心移动，因此只能进行微小调整。若微珠脱落，应减小移动幅度。此即近场捕获所能容忍的光束位移量。
    5. 在上一步轻微位移光束后，旋转激光光路中的半波片以改变线偏振角度。这将依次激活阵列中的谐振器，并诱导荧光微珠产生受控的线性运动。使用电动旋转台可实现半波片更平稳的旋转，从而获得更稳定的微珠运动。
    6. 为追踪微珠的运动进程并记录其位置数据，关闭背景照明灯，并使用视频采集工具捕获微珠运动的帧图像。粒子运动的后期处理可使用提供的 MATLAB 脚本完成。

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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。

纳米结构设计的演变；扫描电镜图像显示纳米尺度下的形貌变化；200 nm，500 nm。
图6. C...

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢亚利桑那大学的Yuzuru Takashima教授在光学成像方面的讨论，Karl Urbanek先生在高功率激光器方面的协助，以及Max Yuen在布朗运动方面的讨论。作者还进一步感谢哈佛大学的Kenneth Crozier教授在光镊实验方面的有益讨论。本研究部分由美国国家科学基金会（资助号1028372）提供资金支持。

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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 CorningXR-1541-006
PMMAMicroChem950A2 M230002
快速固化光学胶Norland Optical AdhesiveNOA 81
荧光羧基微球Bangs LaboratoriesFC02F, FC03F
荧光羧酸盐修饰微球Molecular ProbesF-8888
石英载玻片SPI Supplies1020-AB
倒置荧光显微镜NikonECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG 激光器Lightwave Electronics221-HD-V04
sCMOS 相机PCOEDGE55
CCD 相机WatecWAT-120N
零级半波片ThorlabsWPH05M-1064
吐温 X-100Sigma-AldrichT8787
蒸馏水Invitrogen10977-023
硅片Silicon Quest International708069
光学透镜Thorlabs

参考文献

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