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。
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本文内容
摘要
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,
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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
- 通过光刻工艺制备微通道模具
- 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。
- 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。
- 将硅片置于加热板上，在180 °C下加热20分钟，进一步脱水。
- 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
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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如图3所示。通过切割PDMS以从微芯片侧面显示通道内部结构，但由于切面表面粗糙，难以观察通道中流动的颗粒。因此，我们引入了PDMS涂覆方法以解决此问题，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，以验证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微芯片内的颗粒。图5a和c分别为微芯片处理前后的外观，图5b和d为各自表面的放大图像。图5e显示流动的颗粒模糊不清，而图5f
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 负性光刻胶 | MicroChem | SU-8 2075 | |
| 显影液 | MicroChem | SU-8 Developer | |
| 正性光刻胶 | Merck Ltd. | AZ GXR-601 | |
| AZ 光刻胶显影液 | Merck Ltd. | AZ 300 MIF | |
| HMDS | Merck Ltd. | AZ Adhesion Promoter | |
| 光刻对准仪 | Midas System | MDA 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 Corning | Sylgard 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 Optics | 40X DIN | |
| 60倍水浸 物镜 | Olympus | LUMPLFLN 60XW | |
| 光纤入射激光器 | IPG Photonic | YLR 10 | |
| 单模光纤耦合器 | Thorlabs | MBT612D/M | |
| 微量注射泵 | Harvard | PC2 70-4501 | |
| 荧光显微镜 | Olympus | IX-51 | |
| 等离子体系统 | Femto Science Inc | CUTE-MPR |
参考文献
- 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).
- 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 fluoresce....
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