Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Plasmoniske fældefangst og frigivelse af nanopartikler i en Monitoring Miljø

Published: April 4, 2017 doi: 10.3791/55258
Automatic Translation
1, 2
1Division of Scientific Instrumentation, Korea Basic Science Institute (KBSI), 2School of Mechanical Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

Summary

En mikrochip fabrikationsproces, der inkorporerer plasmoniske pincet præsenteres her. Mikrochippen muliggør billeddannelse af en fanget partikel at måle maksimale fældefangst kræfter.

Abstract

Plasmoniske pincet anvender overfladeplasmonresonans polaritoner at begrænse polariserbare nanoskala objekter. Blandt de forskellige designs af plasmoniske pincet, kan kun få observere immobiliserede partikler. Desuden har et begrænset antal undersøgelser eksperimentelt målte exertable kræfter på partiklerne. De designs kan klassificeres som den udragende nanodisk typen eller undertrykt nanohole type. For sidstnævntes vedkommende mikroskopisk observation er ekstremt udfordrende. I dette papir, er en ny plasmoniske pincet indført til overvågning partikler, både i retninger parallelle og vinkelret på den symmetriske akse i en plasmoniske nanohole struktur. Denne funktion gør det muligt at observere bevægelsen af ​​hver partikel nær randen af ​​nanohole. Desuden kan vi kvantitativt estimere den maksimale fældefangst kræfter ved hjælp af en ny fluidisk kanal.

Introduction

Evnen til at manipulere mikroskala objekter er en uundværlig funktion for mange mikro / nano eksperimenter. Direkte kontakt manipulationer kan beskadige de manipulerede objekter. Frigivelse de tidligere afholdt objekter er også udfordrende på grund af stiction problemer. For at overvinde disse problemer, flere indirekte metoder under anvendelse af strømningstekniske 1, elektrisk 2, magnetisk 3 eller fotoniske kræfter 4, 5, 6, 7, 8 er blevet foreslået. Plasmoniske pincet, der bruger fotoniske kræfter er baseret på fysik af ekstraordinære felt ekstraudstyr flere ordrer større end hændelsen intensitet 9. Denne ekstremt stærkt felt enhancement muliggør indfangning af ekstremt små nanopartikler. For eksempel har det vist sig at immobilisere og manipulere nanoskalaobjekter, såsom polystyrenpartikler 7, 10, 11, 12, 13, 14, polymerkæder 15, proteiner 16, quantum dots 17, og DNA-molekyler 8, 18. Uden plasmoniske pincet, er det vanskeligt at fælde nanopartikler, fordi de hurtigt forsvinder, før de reelt undersøges, eller fordi de er beskadiget på grund af den høje intensitet af laseren.

Mange plasmoniske undersøgelser har anvendt forskellige nanoskala guld strukturer. Vi kan kategorisere guldstrukturer som udragende nanodisk typer 12, 13, 14, 15, 19 20, 21 eller undertrykte nanohole typer 7, 8, 10, 11, 22, 23. I form af billeddannelse skyld de nanodisk typer er mere egnede end de nanohole typer fordi, for sidstnævnte, kan guld substrater hindre observation visning. Desuden plasmoniske diffusering sker nær den plasmoniske struktur og gør observation endnu mere udfordrende. Så vidt vi ved, var plasmoniske fældefangst på nanohole typer kun kontrolleres ved hjælp af indirekte spredningssignaler. Dog er der blevet rapporteret nogen succesrige direkte observationer, såsom mikroskopiske billeder. Få undersøgelser beskrevet stilling fanget partikler. Et sådant resultat blev præsenteret af Wang et al. De skabte en guld søjle på en guld substrat og observerede partiklen bevægelse under anvendelse af et fluorescensmikroskop 24. Dette er imidlertid kun effektiv til overvågning sidebevægelser ikke i retningen parallelt med bjælken akse.

I dette papir, vi indfører nye fluide mikrochip design og fabrikation procedurer. Under anvendelse af denne chip viser vi overvågningen af ​​plasmonically fanget partikler, både i retninger parallelle og vinkelret på den plasmoniske nanostruktur. Desuden måler vi den maksimale kraft af den immobiliserede partikel ved at øge væskens hastighed for at finde den deponering hastighed i mikrochip. Denne undersøgelse er unik, fordi de fleste undersøgelser af plasmoniske pincet ikke kvantitativt kan vise den maksimale fældefangst kræfter, der anvendes i deres forsøgsopstillinger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Advarsel: Der henvises til alle relevante materiale sikkerhedsregler før brug. Flere af de kemikalier, der anvendes i mikrochip fabrikation er akut toksiske og kræftfremkaldende. Brug venligst alle passende sikkerhedsforanstaltninger, når du udfører de fotolitografiske og ætsning processer, herunder anvendelse af tekniske kontroller (stinkskab, varmeplade, og Aligner) og personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, kittel, fuld længde bukser, og lukket -toe sko).

1. Fremstilling af PDMS Mikrokanal

  1. Fremstillingen af ​​mikrokanalplade formen ved photolithograph proces
    1. Helt at fjerne fremmedlegemer på 4 tommers Si wafer overflade med Piranha rengøring (figur 1a). Bland svovlsyre (H2 SO4) og hydrogenperoxid (H2O 2) i et forhold på 3: 1 for at gøre Piranha-opløsning i skålen. Bland ved gradvis tilsætning af små mængder af stærk syre (H2O (H2 SO4); vende denne ordre kan forårsage en eksplosion på grund af den meget reaktive stærk syre.
    2. Fordybe skiven i Piranha-opløsning i 10 minutter. Derefter nedsænkes wafer i deioniseret (DI) vand i 3 minutter for at fjerne det resterende Piranha-opløsning. Skyl wafer med strømmende DI vand i 10 s. Gentag skylningen procedure 3 gange og tør med N2-gas for at fjerne det resterende DI.
    3. Placer skiven på en varmeplade i 20 minutter ved 180 ° C til yderligere at dehydrere wafer.
    4. Hæld 5 ml af negativ fotoresist oven på skiven og spin-coat i 45 sekunder ved 1.500 rpm (figur 1b); efter spincoating, er en fotoresist vulst skabt på wafer kant grund af den relativt høje viskositet af fotoresisten.
    5. Afbalancere fotoresist-overtrukne wafer ved planering på en udjævning stativ i 5 timer.
    6. Placer fotoresist-coatede wafer på en varmeplade i 12 minutter ved 65° C, 35 min ved 95 ° C, og 12 min ved 65 ° C (blød bagning).
    7. Fastsætte filmen maske på masken holderen og den bløde-bages wafer på substratet fase af aligner. Udsættes for ultraviolet (UV) lys i 43 s ved 650 mJ / cm2 for at størkne fotoresist.
    8. Placer skiven på varmepladen i 5 minutter ved 65 ° C, 15 min ved 95 ° C, og 5 minutter ved 65 ° C (post-eksponering bagning).
    9. Fordybe skiven i fotoresist udvikleren i 30 minutter til fjernelse af størknet fotoresist.
    10. Skyl wafer med isopropylalkohol (IPA) og tør med N2-gas for at fjerne det resterende IPA.
  2. Fremstilling af PDMS mikrokanalplade
    1. Behandle overfladen af skiven og den fotoresist formen i 1 minut ved en effekt på 200 W anvendelse af et atmosfærisk plasma maskine 25; gasstrømmene af CH4 og Han bør være 6 og 30 sccm hhv. Udfør denne hydrofobe behandling for nemt at frigøre POLYDimethylsiloxane (PDMS) mikrokanalplade fra overfladen af waferen og fotoresist formen (figur 1c).
    2. Forbered PDMS opløsning ved blanding af PDMS base og hærder i et forhold på 10: 1. Omrør blandingen i 2 minutter.
    3. Placer skiven inde i en petriskål (150 mm x 15 mm) og tilsæt 100 ml PDMS opløsning. Fjern de bobler, der blev oprettet fra omrøring ved hjælp af en ekssikkator.
    4. Placer petriskålen i ovnen i 2 timer ved 80 ° C for at størkne PDMS opløsning (figur 1d og h).
    5. Skåret langs konturerne af PDMS mikrokanalplade med et barberblad og frigøre den fra wafer; de fremstillede PDMS mikrokanal bør have følgende dimensioner: 13 mm lange, 300 um brede, og 150 um høj (figur 1e, f, og i).
      BEMÆRK: To typer huller er fremstillet ved en mikropunktur at indsætte single-mode fiber (SMF) kabel og rørene (indløbet ennd udløb) på PDMS mikrokanalplade (Figur 1 g). SMF kabel bruges til at udsende laserstrålen til nanohole fræset på guldpladen. Røret anvendes til at indsætte / udtrække partikel opløsning til / fra PDMS mikrokanal.
    6. Punktere 1.5-mm indløb og afgangshuller ved hver ende af PDMS mikrokanalplade. Punktere en 0,3-mm SMF kabel hul i midten af ​​PDMS mikrokanalplade.

2. Ætsning Proces af Gold Plate

  1. Anskaffe et guld plade med dimensionerne af 25 x 6,25 mm2 (figur 2a).
  2. Fjern eventuelle fremmedlegemer på guldplade med følgende rengøringsprocedurer. Ren i følgende rækkefølge ved nedsænkning i acetone, methanol og DI vand i 5 minutter hver.
  3. Skyl guldpladen 3 gange med Dl-vand i 10 s og tørre pladen med N2-gas for at fjerne det resterende DI vand.
  4. Placer guld plade på en varmeplade til20 min ved 180 ° C til fuldstændig fjernelse af eventuelt resterende fugt.
  5. Hæld 0,5 ml hexamethyldisilazan (HMDS) på guld plade og spin-coat i 40 s ved 3000 omdr./min.
  6. Hæld 0,5 ml positiv fotoresist ovenpå spin-coatede HMDS og spin-coat i 40 s ved 3000 rpm (figur 2b).
  7. Placer fotoresist-coatede guld plade på den varme plade i 90 s ved 110 ° C (blød bagning).
  8. Fastsætte filmen maske på glaswaferen og placere den bløde-bages guld plade på substratet scenen. Udsættes for UV-lys i 4,5 s ved 64 mJ / cm2 for at opløse fotoresist.
  9. Nedsænkes guld plade i fotoresist udvikler for 1 min for at fjerne det opløste fotoresist (figur 2c). Skyl guldpladen med DI vand og tør med N2-gas.
  10. Fordybe guldpladen i Au ætsemiddel i 45 s ved en ætsning på 28 Å / s for at fjerne den eksponerede Au (figur 2d). Skyl guldpladen med DI water og tør med N2-gas.
  11. Fordybe guldpladen i Ti ætsemiddel i 5 s ved en ætsning på 25 Å / s for at fjerne den eksponerede Ti (figur 2e). Skyl guldpladen med DI vand og tør med N2-gas.
  12. Fjerne resterende fotoresist på gold pladen ved nedsænkning i acetone, methanol og DI vand i 3 minutter hver (figur 2f); fordybe pladen i skriftlig ordre.
  13. Skyl guldpladen 3 gange med Dl-vand i 10 s. Tør med N2-gas til fjernelse af deioniseret vand.
  14. Placer guldpladen på varmepladen i 3 minutter ved 120 ° C for fuldstændigt at fjerne fugt; den producerede guld blok skal være 400 x 150 um 2 (figur 2h).
  15. Fræses en 400-nm nanohole anvendelse af en fokuseret ionstråle (FIB) i midten af det guld blok, der blev fremstillet efter ætsning (figurerne 2g og i). Opret en 370-nm cirkel mønster til at fokusere på guld block med en ion accelererende spænding på 30 kV ved 28 pA i 3 s.

3. Montering af Microchip

  1. Behandle de to overflader af PDMS mikrokanalplade og guld plade i 1 minut med O2 plasma at vedhæfte dem sammen med et plasma-system ved en effekt på 80 W og et tryk på 825 mTorr 25.
    BEMÆRK: Det er især vanskeligt at vedhæfte dem med præcision, fordi guld blok og PDMS mikrokanalplade er på mikrometer niveau. Derfor bruge en aligner med et kamera og en manuel scene.
  2. Fastsætte glaswaferen der bruges til at fastgøre folien maske til masken indehaveren af aligner (figur 3a).
  3. Fastgør O 2 Plasma-behandlede PDMS mikrokanalplade til glaswaferen; fordi PDMS er hydrofil, vil det nemt vedhæfte til glaswaferen uden vedhæftning opløsning. Fastgør guld plade på substratet fase af aligner (figur 3a).
  4. Find centrene for the SMF kabelhullet og guld blok, som er rettet ind på samme akse, bruger kameraet på aligner. Løft manuelle trin at kombinere de to dele (figur 3b og c).

4. Forbedring af Microchip sidefladen Ruhed af PDMS Coating

BEMÆRK: guld plade med faste dimensioner på 400 x 150 um 2 er relativt mere vanskeligt at skære ud end PDMS materiale. Derfor, for at frigøre PDMS mikrokanalplade fra waferen, er et barberblad brugt til at skære et større stykke end guldpladen. Efter kombination af de to dele, skal de overskydende dele af PDMS i forhold til guld plade derefter skæres, så kan observeres indersiden af kanalen fra siden under anvendelse af et mikroskop (figur 4a). Imidlertid skærefladen, der anvendes som et vindue, har en høj overfladeruhed og dermed frembringer overskyet billeder af partiklerne, der strømmer i kanalen (figur4b). Belægning med PDMS løsning udføres igen for at løse dette problem.

  1. Forbered PDMS opløsning ved blanding af PDMS base og hærder ved et 10: 1 ratio og omrør i 2 min.
  2. Hæld 2 ml PDMS opløsning i petriskålen og udfører spin-coating i 30 sekunder ved 1.000 rpm (Figur 4c).
  3. Placer mikrochip overflade, der vil være placeret på mikroskop på petriskålen (figur 4d). Placer petriskålen i ovnen i 1 time ved 80 ° C for at størkne PDMS opløsning.
  4. Skær grænsen til mikrochip og PDMS anvender et barberblad og efterfølgende frigøre den fra petriskålen (figurerne 4e, f).

5. Laser Kobling til Sæt SMF Kabel til Microchip

BEMÆRK: For plasmoniske pincet system er en optisk fiber indfaldende laser med en 1.064-nm bølgelængde. SMF-kablet bruges, fordi diameteren af ​​incident laser (5 mm) er for stor til at udsende laserstrålen ved nanohole fræset på guld blok (400 x 150 um 2) i mikrochippen. Beklædningen diameter af SMF kablet er 125 um. Således skal hændelsen laser og SMF kabel kobles.

  1. Tilslut en 40X objektiv linse til mikroskopet mål montere på SMF kobler. Fastgør SMF kablet på fiberen klemme af SMF kobler. Ret indfaldende laserstråle til at fylde i ryggen blænde af den objektive linse.
  2. Fokusere laserstrålen til kernen af ​​SMF kablet ved at justere tre akser manuel fase udstyret på SMF kobler.
  3. Sæt den modsatte ende af SMF-kablet i SMF kabelhullet af mikrochip. Mål lasereffekten før indsættelsen på kanten af ​​fiberkablet, fordi den faste fiberkabel på mikrochippen ikke adskilles.
  4. Forsegl kabelhullet SMF bruger epoxy lim til at blokere udsivning af det strømmende partikel opløsning fra mellemrummet mellem SMF førerhusle hul (300 um) og kappen, af SMF kabel (125 um); enden af ​​den indsatte fiberkabel ikke bør indgå i mikrokanalen at undgå fluidstrømmen. Manuelt justere fiberkablet anvendelse visuel feedback, så det er vinkelret på guld blok, der er vært for nanohole.

6. plasmoniske indfangning af Single Fluorescent Polystyren Partikel i Microchip

  1. Sæt sprøjten, der er fyldt med partiklen opløsning, til en sprøjte mikropumpe. Placer dækglasset på prøven fase af det fluorescerende mikroskop. Forbinde rør til indløb / udløbshullerne af mikrochippen. Placer PDMS-overtrukne mikrochip overflade oven på dækglasset.
  2. Placer mikrochip vinkelret på 60X nedsænkning i vand objektiv ved at observere indersiden af ​​kanalen med kameraet installeret på fluorescerende mikroskop. Brug gennemsigtige tape til at fastgøre mikrochip på plads. Forbinde indløbsrøret af mikrochippen med sprøjten neEdle.
  3. Indsæt partikel opløsning til mikrochippen ved at styre mikropumpen 20 um / s. I dette øjeblik, bekræfter, at det fluorescerende partikel kan observeres godt i kanalen, når lysrøret er tændt.
  4. Vente, indtil partiklen opløsning udgår fra udløbet af mikrochip. Sæt hastigheden til 3,4 um / s.
  5. Drej laseren kilde enheden, så den udsender laseren ind i nanohole; det fluorescerende partikel vil blive fanget på randen af ​​nanohole.
  6. Rampe fluidet hastighed i trin på 0,4 um / s ved at styre mikropumpen indtil de fangne ​​partikel undslipper. Måle fluidum hastighed, når de fangne ​​partikler undslippe. Opnå den maksimale trapping kraft for hver laser intensitet ved hjælp af denne målte fluid hastighed.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Fremstillingsproces PDMS mikrokanal og nanohole guld plade er vist i figur 1 og 2. Fremgangsmåden til at kombinere de to dele og den faktiske mikrochip er vist i figur 3. PDMS blev skåret for at vise indersiden af ​​kanalen fra den side af mikrochip. Det var dog svært at observere partikler, der strømmer i kanalen på grund af overfladeruhed skæreplanet. Derfor introducerede vi PDMS coating metode til at løse dette problem, som vist i figur 4.

Vi observerede 5-um, strømmende polystyrenpartikler i mikrochippen for at bekræfte virkningen af ​​PDMS overtræk. Figur 5 viser den faktiske fabrikeret mikrochip og partikler observeres i mikrochippen brug af mikroskopet. Figur 5a og c er den før og efter appearaNCES af mikrochippen. Figur 5b og d er den forstørrede overflader af hvert. Figur 5e viser sløret partikler, der strømmer, hvorimod fig 5f viser, at kanterne af partiklerne er navnlig klare og at bevægelser kan overvåges. Som ovenfor PDMS coating af mikrochip overflade er afgørende for overvågningen af ​​fanget partikler.

Figur 6 viser 100-nm polystyrenpartikler undergår plasmoniske optisk indfangning af plasmoniske pincet system. En SMF-kabel med en 0,14 numerisk åbning (NA) blev anvendt. Et rør blev indsat i indløbs- / udløbshullerne af mikrochip kanal. En mikropumpe blev anvendt til at indsætte og indsamle 100-nm fluorescerende polystyrenpartikler opløsning. For at understrege det indvendige udseende fanget partikel ved den plasmoniske fænomen, har de punkterede dele af figur 6a blevet forstørret som en indsat,

Figur 7 viser på hinanden følgende billeder, hvor et 100-nm fluorescerende polystyrenpartikler, der flød i mikrokanal blev fanget og frigivet ved nanohole på intensiteten af 0,42 mW / gm 2. Partiklerne strømmede med en konstant hastighed på 3,4 um / s i fluidet retning, som vist i figur 7a. Efter at laseren blev tændt, blev en af partiklerne fanget på nanohole, som vist i figur 7b. Tværtimod anden partikel flød ind i strømmen, som vist i figur 7c. Derefter blev strømningshastigheden øges, indtil den fanget partikel undslap. Figur 7d viser paArtikel undslippe fra fælden. I dette øjeblik, kan vi estimere indfangning kraft med direkte observation ved måling fluidhastigheden når partiklen undslap. Vi arbejdede også i den modsatte retning. Stedet for at forøge væskehastigheden, vi gradvist faldet lasereffekten i formindskelser på 1 mW og registreret intensiteten når partiklen undslap. Denne laser intensitet er defineret som den minimale trapping laserintensiteten og blev målt til at være 0,24 mW / gm 2.

figur 1
Figur 1. Fremstilling af PDMS mikrokanalplade. (A) Fremstilling af Si wafer. (B) Fotoresist spin-coating af skiven. (C) Færdige mikrokanalplade skimmel ved fotolitografi proces. (D) PDMS størkning under anvendelse af en ovn efter overhældning PDMS opløsning på waferen. (e) PDMS mikrokanal skæring. (F) PDMS mikrokanalplade løsrivelse fra waferen. (G) Indløb / udløb og SMF kabelhuller punkteret på PDMS mikrokanal. (H) Faktisk størknede PDMS på waferen. (I) Faktiske fritliggende PDMS mikrokanal. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 2
Figur 2. Fremstilling af nanohole på guld plade efter ætsningsprocessen. (A) Afsætning af Au og Ti på glasset. (B) Fotoresist spin-coating af guldpladen. (C) Opløst fotoresist fjernelse efter UV lyseksponering. (D) Au ætsning. (E) Ti ætsning. (F) Resterende fotoresist re moval. (G) Nanohole fræsning af en fokuseret ionstråle på guld blok. (H) Faktisk fabrikeret guld blok. (I) Actual fræset nanohole på guld blok. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 3
Figur 3. Montering fremgangsmåden mikrochip. (A) Fastgør PDMS mikrokanalplade og guld plade på masken holderen og substratscene henholdsvis udstyret på aligner. (B) Kombination af PDMS mikrokanalplade del og guld plade efter overfladebehandling med O2 plasma. (C, d) Assembled mikrochip efter kombination. (E) Fjernelse af overskydende mængde af PDMS mikrokanalplade.ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 4
Figur 4. Fremgangsmåde overfladeruhed forbedring af PDMS coating. (A) Slet overskydende mængde ved anvendelse af et barberblad efter kombination af de to dele. (B) Høj overfladeruhed mikrochippen efter skæring. (C) PDMS løsning spin-belægning i en petriskål. (D) neddypning af vinduet overflade af mikrochip ind i spin-coatede PDMS opløsning. (E) PDMS-overtrukne mikrochip løsrivelse fra petriskålen. (F) Forbedring af overfladeruhed af PDMS coating. Klik her for at se en større version af dette tal.


Figur 5. Samlet mikrochip og observation af 5 um polystyrenpartikler i mikrokanalen før og efter PDMS coating. (A, b) Microchip før PDMS belægning og forstørret visning. (C, d) Microchip efter PDMS belægning og forstørret visning. (E, f) Observation af partikler i mikrokanalplade før og efter PDMS belægning. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 6
Figur 6. Konstrueret plasmoniske pincet system. (A) Skematisk af plasmoniske pincetten system. (b Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 7
Figur 7. Trapping og frigivelse af en 100 nm fluorescerende polystyrenpartikler i mikrokanalen. (A) Mikrokanalen med en partikel, der strømmer ind i strømmen. (B, c) Trapped partikel ved nanohole sammenlignet med en anden partikel. (D) Partikel der undslap fra fælden på grund af den øgede fluid kraft. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SMF kablet blev indsat i SMF kabelhullet på mikrochippen, som vist i den rektangulære prik af figur 6a. Fordi SMF kabelhullet er større end kablets diameter, blev epoxy lim, der anvendes til at tætne mellemrummet for at blokere lækage af den strømmende partikel opløsning. Før anvendelse af epoxylim, bør guldet blok og kabel kant være koaksialt i hånden med et mikroskop. Selv om det er ideelt for det indsatte kabel kant og den nanohole skal koaksialt, kan en lille forskydning tolereres, fordi laserstrålen divergerer når den udsendes fra enden af ​​0,14 NA SMF kabel kant, og bjælken påvirker en meget større område. Fordi mikrochippen var konfigureret til at være vinkelret på den optiske akse i mikroskopet, kunne vi ikke direkte observere placeringen af ​​nanohole. Placeringen af ​​nanohole kan kun indirekte bestemt ved at observere placeringen af ​​plasmonically fanget partikel på nanohole. ENopløsning kan tilvejebringes ved at installere et kamera på fiberkablet og bruge det til at overvåge guld blok.

Det karakteristiske træk ved mikrochip er dens evne til at overvåge partikel bevægelse nær den plasmoniske nanohole i realtid. Bevægelsen af ​​partiklen følger scenariet beskrevet nedenfor. Når væsken strømmer partiklerne fremad, nogle partikler bevæger sig mod guldet blok. I nogle tilfælde, en partikel kommer især tæt på kanten af ​​nanohole grund tiltrækning til nanohole og til sidst bliver immobiliseret. I dette øjeblik, den optiske kraft, der udøves på partiklen overstiger fluid kraft. Efterfølgende den immobiliserede partikel undslipper fra nanohole rand Når væsken øges hastigheden; derfor, den flydende kraft bliver stærkere end den optiske kraft. Den maksimale trapping kraft kan måles fra denne terminal fluidhastighed. Men den konventionelle modstandskraften ligning kan ikke bruges, fordi partiklen er i fysisk kontakt med ggamle mur ved nanohole. At overveje overfladen virkning af guld væg anvendte vi finite-element metoden, som betragter flydende bevægelse nær overfladen, og opnåede fluid kraft.

Vi har indført en ny plasmoniske pincet setup, der muliggør overvågning af partikeldynamik langs laserstrålen akse. I modsætning hertil har tidligere undersøgelser kun indført partikel bevægelse i planet vinkelret på laserstrålen akse, såsom med nanoblock 12, nanodisk 13, 14, 19, 21, nanostick 20, og nanopyramid 18. Endvidere i tilfælde af nanohole typer, trapping kan kun vidne ved overvågning af spredning signal, og ikke ved visuel overvågning 10, 11, 23. Imidlertid,vi kunne ikke præcist måle partikel stilling på grund af de begrænsede muligheder for nuværende billeddannelsesteknikker. Den billeddannende kvalitet bør forbedres yderligere at bekræfte de nøjagtige dislokation målinger. Denne teknik kan anvendes i den karakterisering og biosensorer af et enkelt molekyle.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af IKT-FoU-program for MSIP / IITP (R0190-15-2040, Udvikling af et indhold configuration management-system og en simulator for 3D-print ved hjælp smarte materialer).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Negative photoresist  MicroChem SU-8 2075
Developer MicroChem SU-8 Developer
Positive photoresist  Merck Ltd. AZ GXR-601
AZ Photoresist Developers Merck Ltd. AZ 300 MIF
HMDS Merck Ltd. AZ Adhesion Promoter
Aligner Midas System MDA 400M
Atmospheric plasma machine  Atmospheric Process
Plasma Co.		 IDP-1000
Polydimethylsiloxane (PDMS) Dow Corning Sylgard 184 A/B
Gold coated test slides EMF Co. TA124(Ti/Au)
Au etchant  Transene Inc. TFA
Ti etchant  Transene Inc. TFT
40X objective lens  Edmund Optics 40X DIN
60X water immersion
objective lens 		 Olympus LUMPLFLN 60XW
Optical fiber incident laser  IPG Photonic YLR 10
SMF coupler Thorlabs MBT612D/M
Syringe micropump Harvard PC2 70-4501
Fluorescent microscope  Olympus IX-51
Plasma system Femto Science Inc CUTE-MPR

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Engineering plasmonik plasmoniske pincet optisk indfangning optiske kræfter mikrofluidik nanohole immobilisering af nanopartikler
Plasmoniske fældefangst og frigivelse af nanopartikler i en Monitoring Miljø
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, J. D., Lee, Y. G. Plasmonic… More

Kim, J. D., Lee, Y. G. Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment. J. Vis. Exp. (122), e55258, doi:10.3791/55258 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter