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方法文章

监测环境中的等离子体捕获与释放纳米颗粒

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DOI：

10.3791/55258

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2017年4月4日

 , 
1Division of Scientific Instrumentation, Korea Basic Science Institute (KBSI), 2School of Mechanical Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

本文内容

摘要

本文介绍了一种集成等离子体激元镊子的微芯片制备工艺。该微芯片能够对捕获的粒子进行成像，以测量其最大捕获力。

摘要

等离激元镊子利用表面等离激元极化激元来捕获可极化的纳米级物体。在各种等离激元镊子设计中，仅有少数能够观察到被固定的粒子，且仅有少量研究对作用于粒子上的力进行了实验测量。这些设计可分为凸起的纳米盘型和凹陷的纳米孔型。对于后者，显微观测极具挑战性。本文介绍了一种新型等离激元镊子系统，可同时在平行和垂直于等离激元纳米孔结构对称轴的方向上监测粒子，该特性使我们能够观察每个粒子在纳米孔边缘附近的运动。此外，我们还可利用一种新型微流控通道定量估算最大捕获力。

引言

操控微尺度物体的能力是许多微米/纳米实验中不可或缺的特性。直接接触式操控可能会损伤被操作的物体，且由于粘附效应，释放先前抓取的物体也十分困难。为克服这些问题，已提出多种基于流体1、电2、磁3或光子力4,5,6,7,8的间接操控方法。利用光子力的等离激元光镊基于异常场增强的物理原理，其场强可比入射光强度高出数个数量级9。这种极强的场增强效应使得捕获极小的纳米颗粒成为可能。例如，已有研究证明其可固定并操控纳米级物体，如聚苯乙烯颗粒7,10,11,12,13,14、聚合物链15、蛋白质16、量子点17以及DNA分子8,18。若无等离激元光镊，对纳米颗粒的捕获将十分困难，因为这些颗粒往往在被有效观测前迅速消失，或因激光强度过高而受损。

许多等离激元研究已采用各种纳米级金结构。我们可以将这些金结构分为凸起的纳米圆盘类型12,13,14,15,19,20,21 或凹陷的纳米孔类型7,8,10,11,22,23。就成像便利性而言，纳米圆盘类型比纳米孔类型更合适，因为后者中的金基底可能阻碍观察视野。此外，等离激元捕获发生在等离激元结构附近，使得观察更加困难。据我们所知，纳米孔类型的等离激元捕获仅通过间接散射信号得到验证。然而，尚未有成功的直接观测（如显微图像）被报道。很少有研究描述被捕获粒子的位置。Wang et al. 报道了一项相关结果，他们在金基底上构建了金柱，并使用荧光显微镜观察粒子运动24。但该方法仅适用于监测横向运动，无法有效监测沿光束轴方向的运动。

本文介绍了新型微流控芯片的设计与 fabrication 流程。利用该芯片，我们实现了对等离激元捕获粒子的监测，监测方向既包括平行于等离激元纳米结构的方向，也包括与其正交的方向。此外，通过逐步增加微芯片中的流体流速以确定粒子的倾覆速度，我们测量了被固定粒子所受的最大捕获力。本研究具有独特性，因为目前大多数关于等离激元光镊的研究均无法定量展示其实验装置中所使用捕获力的最大值。

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方案

警告：使用前请查阅所有相关的材料安全法规。微芯片制造中使用的多种化学试剂具有急性毒性和致癌性。进行光刻和蚀刻过程时，请采用所有适当的安全操作规范，包括使用工程控制设备（通风橱、加热板和对准仪）以及个人防护装备（护目镜、手套、实验服、长裤和封闭式鞋履）。

1. PDMS 微通道的制备

  1. 通过光刻工艺制备微通道模具
    1. 使用piranha清洗液彻底清除4英寸硅片表面的外来杂质（图1a）。在培养皿中按3:1的比例混合硫酸（H2SO4）和过氧化氢（H2O2）以配制piranha溶液。通过将少量强酸（H2O2）缓慢加入弱酸（H2SO4）中进行混合；若顺序颠倒，由于强酸反应性极高，可能引发爆炸。
    2. 将硅片浸入piranha溶液中10分钟。随后将硅片浸入去离子水（DI水）中3分钟，以去除残留的piranha溶液。用流动的DI水冲洗硅片10秒。重复冲洗步骤3次，并用N2气体吹干，以去除残留的DI水。
    3. 将硅片置于加热板上，在180 °C下加热20分钟，进一步脱水。
    4. 在硅片表面倒入5 mL负性光刻胶，并以1,500 rpm转速旋涂45秒（图1b）；旋涂后，由于光刻胶黏度相对较高，在硅片边缘会形成光刻胶边缘珠状物。
    5. 将涂有光刻胶的硅片置于水平支架上进行平面化处理，平衡5小时。
    6. 将涂有光刻胶的硅片置于加热板上，依次在65 °C加热12分钟、95 °C加热35分钟、65 °C再加热12分钟（前烘）。
    7. 将掩膜版固定在掩膜版 holder 上，将前烘后的硅片固定在对准仪的基底台上。在650 mJ/cm2剂量下用紫外光（UV）照射43秒，使光刻胶固化。
    8. 将硅片置于加热板上，依次在65 °C加热5分钟、95 °C加热15分钟、65 °C再加热5分钟（曝光后烘烤）。
    9. 将硅片浸入光刻胶显影液中30分钟，以去除未固化的光刻胶。
    10. 用异丙醇（IPA）冲洗硅片，并用N2气体吹干，以去除残留的IPA。
  2. PDMS微通道的制造
    1. 使用常压等离子体处理仪对硅片表面及光刻胶模具进行表面处理，功率为200 W，处理时间为1分钟25；CH4和He的气体流量应分别为6 sccm和30 sccm。进行此疏水处理的目的是便于将聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道从硅片和光刻胶模具表面轻松剥离（图1c）。
    2. 按10:1的比例混合PDMS基体与固化剂，配制PDMS溶液。搅拌混合物2分钟。
    3. 将硅片放入培养皿（150 mm × 15 mm）中，并加入100 mL PDMS溶液。使用真空干燥器去除搅拌过程中产生的气泡。
    4. 将培养皿放入烘箱中，在80 °C下加热2小时，使PDMS溶液固化（图1d和h）。
    5. 使用剃刀沿PDMS微通道轮廓切割，并将其从硅片上剥离；所制备的PDMS微通道应具有以下尺寸：长13 mm、宽300 µm、高150 µm（图1e、f和i）。
      注：通过微穿孔在PDMS微通道上制备两种类型的孔，用于插入单模光纤（SMF）线缆和管道（入口与出口）（图1g）。单模光纤用于向金膜上的纳米孔发射激光束，管道用于向PDMS微通道中注入或提取粒子溶液。
    6. 在PDMS微通道两端分别穿刺直径为1.5 mm的进样口和出样口孔，在PDMS微通道中心位置穿刺直径为0.3 mm的单模光纤线缆孔。

2. 金板的蚀刻过程

  1. 准备一块尺寸为 25 x 6.25 mm2 的商用金片（图 2a）。
  2. 通过以下清洗步骤去除金片表面的任何外来物质：依次将金片浸入丙酮、甲醇和去离子水中，每种溶剂中各浸泡 5 分钟。
  3. 用去离子水冲洗金片 3 次，每次 10 秒，并用 N2 气体吹干以去除残留的去离子水。
  4. 将金片置于加热板上，在 180 °C 下加热 20 分钟，以彻底去除任何残留的水分。
  5. 在金片上倒入 0.5 mL 六甲基二硅氮烷（HMDS），并在 3,000 rpm 条件下旋涂 40 秒。
  6. 在旋涂了 HMDS 的金片上倒入 0.5 mL 正性光刻胶，并在 3,000 rpm 条件下旋涂 40 秒（图 2b）。
  7. 将涂有光刻胶的金片置于加热板上，在 110 °C 下加热 90 秒（软烘）。
  8. 将掩膜固定在玻璃晶圆上，并将经过软烘的金片放置在基底台上。在 64 mJ/cm2 条件下用紫外光照射 4.5 秒，使光刻胶溶解。
  9. 将金片浸入光刻胶显影液中 1 分钟，以去除已溶解的光刻胶（图 2c）。随后用去离子水冲洗金片，并用 N2 气体吹干。
  10. 将金片浸入金蚀刻液中 45 秒，蚀刻速率为 28 Å/s，以去除暴露的金层（图 2d）。随后用去离子水冲洗金片，并用 N2 气体吹干。
  11. 将金片浸入钛蚀刻液中 5 秒，蚀刻速率为 25 Å/s，以去除暴露的钛层（图 2e）。随后用去离子水冲洗金片，并用 N2 气体吹干。
  12. 将金片依次浸入丙酮、甲醇和去离子水中各 3 分钟，以去除金片上残留的光刻胶（图 2f）；浸泡顺序应按上述顺序进行。
  13. 用去离子水冲洗金片 3 次，每次 10 秒，再用 N2 气体吹干以去除去离子水。
  14. 将金片置于加热板上，在 120 °C 下加热 3 分钟，以彻底去除水分；最终制得的金块尺寸应为 400 x 150 µm2 （图 2h）。
  15. 使用聚焦离子束（FIB）在蚀刻后形成的金块中心加工一个直径为 400 nm 的纳米孔（图 2g 和 i）。设置离子加速电压为 30 kV，束流为 28 pA，作用时间 3 秒，形成一个直径为 370 nm 的圆形图案，以精确定位金块区域。

3. 微芯片的组装

  1. 使用功率为 80 W、压力为 825 mTorr 的氧气等离子体系统，对 PDMS 微通道和金片的两个表面进行 1 分钟的 O2 等离子体处理，以将它们键合在一起25。
    注意：由于金块和 PDMS 微通道处于微米级别，精确对准键合尤为困难。因此，应使用带有摄像头和手动平台的对准仪。
  2. 将用于固定薄膜掩模的玻璃晶圆固定在对准仪的掩模夹具上（图 3a）。
  3. 将经过 O2 等离子体处理的 PDMS 微通道贴附到玻璃晶圆上；由于 PDMS 具有亲水性，无需使用粘合剂即可轻松附着于玻璃晶圆。将金片固定在对准仪的基底平台上（图 3a）。
  4. 利用对准仪上的摄像头，定位 SMF 光纤插孔和金块的中心，二者应位于同一轴线上。抬起手动平台，使两部分结合（图 3b 和 c）。

4. 通过PDMS涂层改善微芯片侧面表面粗糙度

注意：尺寸固定的金片（400 × 150 µm2）相比PDMS材料更难切割。因此，为了将PDMS微通道从晶圆上剥离，需使用剃刀切割出比金片更大的PDMS部分。在将两部分结合后，必须切除PDMS相对于金片的多余部分，以便通过显微镜从侧面观察通道内部（图4a）。然而，用作观察窗口的切割面表面粗糙度较高，导致流经通道的颗粒成像模糊（图4b）。为解决此问题，需再次涂覆PDMS溶液。

  1. 按10:1的比例混合PDMS基础剂与固化剂，制备PDMS溶液，并搅拌2分钟。
  2. 将2 mL PDMS溶液倒入培养皿中，在1,000 rpm转速下旋涂30秒（图4c）。
  3. 将微芯片上计划放置在显微镜下的表面朝下置于培养皿中（图4d），然后将培养皿放入80 °C烘箱中加热1小时，使PDMS溶液固化。
  4. 使用剃刀刀片切割微芯片及PDMS的边缘，随后将其从培养皿上剥离（图4e, f）。

5. 激光耦合将单模光纤电缆插入微芯片

注意：对于等离激元光镊系统，使用波长为1,064 nm的光纤入射激光。由于入射激光的直径（5 mm）过大，无法直接将激光束发射到微芯片上金膜块中加工出的纳米孔（400 × 150 µm2）处，因此采用单模光纤（SMF）电缆。SMF电缆的包层直径为125 µm。因此，必须将入射激光与SMF电缆进行耦合。

  1. 将40倍物镜连接到SMF耦合器的显微镜物镜接口上。将SMF光纤固定在SMF耦合器的光纤夹具中。调整入射激光光束，使其充满物镜后端孔径。
  2. 通过调节SMF耦合器上的三轴手动位移台，将激光束聚焦至SMF光纤的纤芯。
  3. 将SMF光纤的另一端插入微芯片的SMF光纤孔中。在插入前，测量光纤端面边缘处的激光功率，因为微芯片端固定的光纤无法拆卸。
  4. 使用环氧胶密封SMF光纤孔，以防止粒子流动溶液从SMF光纤孔（300 µm）与SMF光纤包层（125 µm）之间的间隙泄漏；插入的光纤末端不应进入微通道，以避免干扰流体流动。通过目视反馈手动调整光纤位置，使其垂直于承载纳米孔的金块。

6. 微芯片中单个荧光聚苯乙烯颗粒的等离子体捕获

  1. 将装有粒子溶液的注射器连接到微量注射泵上。将盖玻片放置在荧光显微镜的样品台上。将管路连接至微流控芯片的进样口和出样口孔。将PDMS涂层的微流控芯片表面置于盖玻片上方。
  2. 通过荧光显微镜上安装的相机观察通道内部，调整微流控芯片使其与60倍水浸物镜垂直对齐。使用透明胶带固定微流控芯片。将微流控芯片的进样管路与注射器针头连接。
  3. 通过控制微量注射泵以20 µm/s的速度将粒子溶液注入微流控芯片。此时，打开荧光灯，确认可在通道内清晰观察到荧光粒子。
  4. 等待粒子溶液从微流控芯片的出口流出后，将流速设定为3.4 µm/s。
  5. 调整激光光源装置，使其向纳米孔发射激光；荧光粒子将在纳米孔边缘被捕获。
  6. 通过控制微量注射泵，以0.4 µm/s为增量逐步提高流体速度，直至被捕获的粒子逃逸。记录粒子逃逸时的流体速度，并利用该测得的速度获得每个激光强度下的最大捕获力。

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结果

PDMS微通道和纳米孔金板的制备过程如图1和图2所示。两部分的结合方法及实际微芯片结构如图3所示。通过对PDMS进行切割，可从微芯片侧面观察通道内部。然而，由于切割面存在表面粗糙度，难以观察通道内流动的微粒。因此，我们引入了PDMS涂覆方法以解决该问题，如图4所示。

我们在微芯片中观察了5-µm的流动聚苯乙烯颗粒，以确认PDMS涂层的效果。图5展示了实际制备的微芯片以及通过显微镜观察到的芯片内的颗粒。图5a和c分别为微芯片处理前和处理后的外观，图5b和d为各自区域的放大表面图像。图5e显示流动的颗粒模糊不清，而

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讨论

如图6a中矩形点所示，将单模光纤（SMF）插入微芯片上的单模光纤孔中。由于单模光纤孔的直径大于光纤本身的直径，因此使用环氧胶密封间隙，以防止流动粒子溶液泄漏。在涂抹环氧胶之前，应借助显微镜手动对齐金块与光纤边缘，使其保持同轴。尽管理想情况下插入的光纤端面与纳米孔应完全同轴对齐，但允许存在轻微偏差，因为激光从数值孔径为0.14的单模光纤端面射出后会发生发散，影响范围远大于纳米孔区域。由于微芯片的安装方向垂直于显微镜的光轴，因此无法直接观察纳米孔的位置。纳米孔的位置只能通过观察在纳米孔处被等离激元捕获的粒子位置来间接确定。一种可行的解决方案是在光纤端面安装摄像头，用于实时监测金块表面情况。

该微芯片的独特之处在于其能够实时监测颗粒在等离激元纳米孔附近的运动情况。颗粒的运动遵循以下所述过程：当流体推动颗粒向前流动时，部分颗粒会向金块移动。在某些情况下，由于受到纳米孔的吸引，颗粒会显著接近纳米孔边缘，并最终被固定。此时，作用在颗粒上的光力超过流体作用力。随后，当流体流速增加时，被固定的颗粒会从纳米孔边缘脱离，此时流体作用力强于光力。最大捕获力可通过该临界流...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作得到资助 由 ICT R&D 计划（MSIP/IITP，R0190-15-2040，智能材料3D打印内容配置管理系统及模拟器开发）。

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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
负性光刻胶 MicroChemSU-8 2075
显影液MicroChemSU-8 Developer
正性光刻胶 Merck Ltd.AZ GXR-601
AZ 光刻胶显影液Merck Ltd.AZ 300 MIF
HMDSMerck Ltd.AZ Adhesion Promoter
光刻对准仪Midas SystemMDA 400M
大气压等离子体设备 Atmospheric Process
Plasma Co.		IDP-1000
聚二甲基硅氧烷（PDMS）Dow CorningSylgard 184 A/B
镀金测试载玻片EMF Co.TA124(Ti/Au)
金蚀刻液 Transene Inc.TFA
钛蚀刻液 Transene Inc.TFT
40倍物镜 Edmund Optics40X DIN
60倍水浸
物镜 		OlympusLUMPLFLN 60XW
光纤入射激光器 IPG PhotonicYLR 10
单模光纤耦合器ThorlabsMBT612D/M
微量注射泵HarvardPC2 70-4501
荧光显微镜 OlympusIX-51
等离子体系统Femto Science IncCUTE-MPR

参考文献

  1. Crane, N. B., Onen, O., Carballo, J., Ni, Q., Guldiken, R. Fluidic assembly at the microscale: progress and prospects. Microfluid. Nanofluid. 14 (3), 383-419 (2013).
  2. Yao, B., Luo, G. A., Feng, X., Wang, W., Chen, L. X., Wang, Y. M. A microfluidic device based on gravity and electric force driving for flow cytometry and fluorescence activated cell sorting. Lab Chip. 4 (6), 603-607 (2004).
  3. Zhang, K., et al. On-chip manipulation of continuous picoliter-volume superparamagnetic droplets using a magnetic force. Lab Chip. 9 (20), 2992-2999 (2009).
  4. Park, I. Y., Sung, S. Y., Lee, J. H., Lee, Y. G. Manufacturing micro-scale structures by an optical tweezers system controlled by five finger tips. J. Micromech. Microeng. 17, N82-N89 (2007).
  5. Kim, J. D., Hwang, S. U., Lee, Y. G. Traceable assembly of microparts using optical tweezers. J. Micromech. Microeng. 22, 105003(2012).
  6. Kim, J. D., Lee, Y. G. Construction and actuation of a microscopic gear assembly formed using optical tweezers. J. Micromech. Microeng. 23, 065010(2013).
  7. Kim, J. D., Choi, J. H., Lee, Y. G. A measurement of the maximal forces in plasmonic tweezers. Nanotechnology. 26 (42), 425203(2015).
  8. Kim, J. D., Lee, Y. G. Trapping of a single DNA molecule using nanoplasmonic structures for biosensor applications. Biomed. Opt. Express. 5 (8), 2471-2480 (2014).
  9. Quidant, R. Plasmonic tweezers - the strength of surface plasmons. MRS Bull. 37 (8), 739-744 (2012).
  10. Juan, M. L., Gordon, R., Pang, Y., Eftekhari, F., Quidant, R. Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles. Nat. Phys. 5, 915-919 (2009).
  11. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 11 (9), 3763-3767 (2011).
  12. Tanaka, Y., Kaneda, S., Sasaki, K. Nanostructured potential of optical trapping using a plasmonic nanoblock pair. Nano Lett. 13 (5), 2146-2150 (2013).
  13. Kang, J. H., et al. Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas. Nat. Commun. 2, 582(2011).
  14. Roxworthy, B. J., et al. Application of plasmonic bowtie nanoantenna arrays for optical trapping, stacking, and sorting. Nano Lett. 12 (2), 796-801 (2012).
  15. Shoji, T., Tsuboi, Y. Plasmonic optical tweezers toward molecular manipulation: tailoring plasmonic nanostructure, light source, and resonant trapping. J. Phys. Chem. Lett. 5 (17), 2957-2967 (2014).
  16. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of a single protein. Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).
  17. Tsuboi, Y., et al. Optical trapping of quantum dots based on gap-mode-excitation of localized surface plasmon. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2327-2333 (2010).
  18. Shoji, T., et al. Permanent fixing or reversible trapping and release of DNA micropatterns on a gold nanostructure using continuous-wave or femtosecond-pulsed near-infrared laser light. J. Am. Chem. Soc. 135 (17), 6643-6648 (2013).
  19. Grigrenko, A. N., Roberts, N. W., Dickson, M. R., Zhang, Y. Nanometric optical tweezers based on nanostructured substrates. Nat. Photonics. 2, 365-370 (2008).
  20. Righini, M., et al. Nano-optical trapping of rayleigh particles and escherichia coli bacteria with resonant optical antennas. Nano Lett. 9 (10), 3387-3391 (2009).
  21. Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13 (9), 4118-4122 (2013).
  22. Berthelot, J., et al. Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers. Nat. Nanotechnol. 9 (4), 295-299 (2014).
  23. Chen, C., et al. Enhanced optical trapping and arrangement of nano-objects in a plasmonic nanocavity. Nano Lett. 12 (1), 125-132 (2011).
  24. Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. Trapping and rotating nanoparticles using a plasmonic nano-tweezer with an integrated heat sink. Nat. Commun. 2, 469(2011).
  25. Byun, D., Cho, S. J., Kim, S. Fabrication of a flexible penetrating microelectrode array for use on curved surfaces of neural tissues. J. Micromech. Microeng. 23, 125010(2013).

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