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方法文章

纳米等离激元光晶格中微粒的捕获

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DOI：

10.3791/56151

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2017年9月5日

 , 
1Electrical Engineering, National Tsing Hua University

本文内容

摘要

我们描述了一种在纳米等离激元光晶格中光学捕获微粒的方法。

摘要

等离激元光镊已发展用于克服传统远场光镊的衍射极限。等离激元光学晶格由一系列纳米结构组成，表现出多种捕获与输运行为。本文报道了在简单的方形纳米等离激元光学晶格中捕获微粒的实验步骤，并描述了光学装置及纳米等离激元阵列的纳米加工过程。通过使用波长为980 nm的高斯光束照射金纳米圆盘阵列并激发等离激元共振，从而形成光学势阱。粒子的运动通过荧光成像进行监测。本文还介绍了一种抑制光热对流的方案，以提高可用于实现最佳捕获的光学功率。通过对样品降温，并利用水介质接近零的热膨胀系数，可实现对对流的有效抑制。本文同时报道了单粒子输运和多粒子捕获现象。

引言

微米级粒子的光镊捕获技术最初由Arthur Askin于20世纪70年代初开发。自发明以来，该技术已发展成为一种用于微米及纳米操控的多功能工具1,2基于远场聚焦原理的传统光镊在空间限制能力上受到衍射效应的固有制约，其中捕获力随距离增大而急剧下降（遵循约~）a3 半径为 r 的粒子的定律 a)3为了克服此类衍射极限，研究人员开发了基于表面等离激元金属纳米结构产生的倏逝光场的近场光捕获技术，且已实现对纳米级物体（小至单个蛋白质分子）的捕获。4,5,6,7,8,9,10,11此外，等离激元光晶格由周期性等离激元纳米结构阵列构成，可实现微纳米颗粒的长程输运及多颗粒堆叠。11,12在光晶格中实现无扰动囚禁的一个主要障碍是光热对流，已有多个研究团队致力于阐明其影响。14,15,16,17。利用格林函数，Baffou 等 通过将每个等离激元纳米结构建模为点热源，计算出温度分布，并通过实验验证了该模型14图桑的研究团队还利用粒子图像测速技术测量了等离激元诱导的对流现象。15作者所在团队还表征了近场和对流输运过程，并展示了一种抑制光热对流的工程策略16,17.

本文介绍了用于等离激元光晶格捕获实验的光学装置设计及详细实验步骤。通过使用 loosely focused 高斯光束照射金纳米圆盘阵列，形成光学势阱。此外，本文还描述了一种通过将样品冷却至低温（约 4 °C）以抑制光热对流、实现最佳捕获效果的方案17。在 Boussinesq 近似下，自然对流速度 u 的量级估计为 u ~L2 gβΔT / v，其中 L 为热源的特征长度，ΔT 为加热引起的相对于参考温度的温升。 g 和 β 分别为重力加速度和热膨胀系数。在接近 4 °C 的温度下，水介质的密度表现出反常的温度依赖性，这导致热膨胀系数接近于零，因而光热对流几乎消失。

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方案

1. 光学装置

注意：光学装置的原理如图1所示。

  1. 根据光学镊子套件（参见材料表）和荧光模块（参见材料表）的说明书进行安装。将470 nm蓝色发光二极管（LED）光源连接至荧光模块。
  2. 将高数值孔径（NA）（NA = 1.25，放大倍数100×）油浸物镜更换为长工作距离（WD）显微物镜（焦距3.6 mm，WD = 10.6 mm，NA = 0.5）。
  3. 移除组装套件中光束扩束部分的透镜，以实现激光束的松散聚焦。
  4. 打开激光二极管（波长980 nm）的电源和电流，使用电荷耦合器件（CCD）相机确保激光束正确对准。
    注意：若激光束对准良好，CCD相机将显示一个高斯光斑。

2. 纳米制造

  1. 标记物制备。
    注意：标记物将有助于在纳米等离激元阵列的制备过程及后续的捕获实验中进行定位。详细步骤见补充图1。
    1. 通过溅射法在厚度为0.17 mm的盖玻片上沉积40 nm的氧化铟锡（ITO）薄膜。
      注意：ITO薄膜有助于在后续电子束光刻过程中导走电荷。
    2. 使用匀胶机以4000 rpm的转速匀胶30 s，旋涂一层8 µm厚的正性光刻胶。
    3. 在90 °C下对样品进行前烘（软烘）5 min，然后将样品与用于制作标记物的光掩模对准，并在掩模对准仪中用紫外光曝光80 s。
    4. 将样品浸入光刻胶显影液中显影130 s。
    5. 使用热蒸发法在样品上依次沉积2 nm的铬层和40 nm的金层。18
    6. 将样品浸入丙酮中，并置于工作频率为43 kHz、功率为150 W的超声清洗器中清洗5 min，完成剥离（lift off）。
  2. 纳米等离激元阵列的制备
    1. 使用匀胶机以5000 rpm的转速匀胶30 s，在样品上旋涂一层分子量为120K的电子束光刻胶PMMA；随后在热板上于160 °C烘烤3 min。
    2. 再次使用匀胶机以5000 rpm的转速匀胶30 s，旋涂一层分子量为960K的电子束光刻胶PMMA；随后在热板上于160 °C烘烤3 min。
    3. 使用电子束曝光系统对电子束光刻胶进行曝光，加速电压为30 kV，剂量为400 C/cm2。
    4. 在热蒸发仪中沉积40 nm厚的金层。
    5. 将样品浸入丙酮中，并置于超声清洗器中清洗5 min，完成剥离（lift off）。

3. 样品冷却系统及其温度校准

注意：样品冷却台的设计如补充图2所示。

  1. 制作用于样品冷却的驱动电路
    1. 根据补充图3中的电路图，将电阻、双极结型晶体管和功率金属氧化物场效应晶体管安装到定制电路板上。使用电烙铁将所有这些元件焊接到位。
    2. 将电路板的控制端口与电子控制板之间用导线连接。将电路板的输出端口与热电制冷（TEC）元件之间用导线连接。将TEC元件安装在样品台上，并做好散热处理。
      ​注意：TEC元件中心有一个孔，以允许激光束通过。
    3. 将电路板连接至5 V电源。使用前视红外相机监测温度，检查热电制冷是否正常降温。
  2. 前视红外相机与电阻温度检测器（RTD）温度计测温的校准
    1. 将RTD温度计放置在空白盖玻片上，并在其表面涂抹少量导热硅脂，以确保RTD温度计与盖玻片之间具有良好的热接触。
    2. 通过调节脉宽调制的占空比来改变电子控制电路对TEC元件的输出功率设定，等待3分钟，确保达到稳态温度。使用RTD温度计读取温度值。
    3. 打开前视红外相机并监测温度。在不同输出功率设定下重复上述步骤，以获得温度校准曲线。典型的温度校准曲线如补充图4所示。
      注意：必须在RTD温度计与前视红外相机之间进行校准，因为前视红外相机的温度读数必须准确，以确保达到目标温度。

4. 微粒的捕获

  1. 在微量离心管中，将直径为 2 µm 的微米级聚苯乙烯颗粒按适当体积比稀释于去离子水中。
    注意：微米颗粒的浓度可根据实验目的进行调整。较低浓度可使单个颗粒捕获事件之间具有较长的采样时间间隔，而较高浓度则会缩短多个颗粒捕获所需的时间。对于单颗粒捕获实验，典型浓度约为 0.05%（w/v）。
  2. 将带有纳米等离激元阵列的样品置于载物台上，开启 470 nm 的 LED 作为荧光光源，并手动将功率调节至 5 mW，用于明场成像。
  3. 使用标记定位纳米等离激元阵列，对样品进行对准，并通过 CCD 相机确保阵列位于计算机屏幕感兴趣区域的中心位置。
  4. 使用微量移液器将 10 µL 直径为 2 µm 的稀释后微米颗粒溶液滴加到样品表面。
  5. 开启波长为 980 nm 的激光二极管电流源，以激发阵列的等离激元共振，激光功率范围约为 1 mW 至 10 mW。
  6. 手动开启电子控制板的电源，使样品冷却至约 4 °C 的稳态温度。
  7. 在查看软件中，点击 "record video" 序列以打开录制对话框。点击 "record" 按钮，使用 CCD 相机以每秒 10 帧的帧率开始录制微米颗粒在激光束作用下运动的视频 1.5。点击 "stop" 按钮停止录制。参见 视频 1。

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结果

在本实验中，单个粒子的轨迹由CCD相机记录，随后通过自定义程序对图像进行处理，以提取每个粒子的运动轨迹16。直径为2 µm的微球的代表性结果如图3和视频1所示。在光晶格内部观察到多个粒子被捕获的现象。从代表性粒子运动视频中提取的连续图像如图4所示。对于直径为2 µm的微粒，可以观察到微粒聚集形成了六方密堆积（hcp）结构。此外，通过关闭TEC元件可使样品升温，此时观察到的被捕获的微粒簇会因光热对流而分散。

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讨论

本文所述方法可使读者每日稳定地重复实现捕获。设计可用等离激元光学晶格的一般经验法则是：等离激元纳米阵列尺寸、盘间距离与被捕获粒子尺寸应大致相当。与单个孤立的等离激元纳米结构相比，本方法结合将样品冷却至约 4 °C 所实现的高光功率，显著提高了捕获概率。若等离激元纳米结构作为捕获位点彼此间距较大，则需要较长时间等待微粒迁移至等离激元纳米结构附近的有效捕获区域。此外，增大盘间距离会显著降低粒子聚集的概率。需注意，也可在室温下利用等离激元光学晶格进行捕获实验，但可用的光功率将非常有限。在低光功率条件下，微粒捕获事件需要等待较长时间（约 1 小时）。通常情况下，我们会开启CCD相机记录粒子运动，并在数分钟内捕捉到捕获事件。适用的激光功率最高可达 10 mW。在高光功率下，可观察到大量微粒聚集现象。

本实验成功的关键步骤是对等离激元样品所在的脆弱盖玻片进行降温，同时实时监测样品温度。我们选用前视红外相机来测量温度，因为这种非接触式测量方法能显著降低样品破裂的风险。此外，也可选择将小型温度计粘附于样品上，用于实时测量温度。该冷却系统结合非接触式温度测量方法，可广泛适用于低温条件下的光学显微镜观...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

Y. T. Y. 感谢来自科技部资助项目（项目编号：MOST 105-2221-E-007-MY3）以及中国台湾国立清华大学资助项目（项目编号：105N518CE1 和 106N518CE1）的资金支持。

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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
热电冷却元件ThorlabsTEC 1.4-6用于样品冷却的热电冷却元件
RTD 温度计Omega EngineeringRTD Thermometer 969C
前视红外相机FLIR FLIR One用于温度监测的红外相机
发光二极管光源Touchbright用于荧光成像照明的光源
长工作距离物镜OlympusLMPLFLN用于样品照明和成像
光镊套件ThorlabsOTKB/M
盖玻片厚度 0.17 mm
扫描电子显微镜HitachiSEM-Hitachi S3400N
电子束快门DEBENPCD beam blanker该快门加装于扫描电子显微镜上 
热蒸发仪SYSKEY Technology
掩模对准器Karl SussMJB 3用于标记物制备
电子束光刻胶Sigma AlrichPMMA 120K用于电子束光刻
电子束光刻胶Sigma AlrichPMMA 960K用于电子束光刻
荧光标记的聚苯乙烯微球Polyscience直径 2 µm
双极型晶体管Mouser2N3904TEC 驱动电路用量 2 个
双极型晶体管Mouser2N3906TEC 驱动电路用量 2 个
MOSFET 功率晶体管MouserIRF5305TEC 驱动电路用量 2 个
MOSFET 功率晶体管MouserIRF131ONTEC 驱动电路用量 2 个
10 kΩ 电阻MouserTEC 驱动电路用量 6 个
910 Ω 电阻MouserTEC 驱动电路用量 2 个
光刻胶MicrochemicalsAZ4620用于标记物制备
丙酮Sigma Alrich用于标记物制备
OTKB/M 荧光模块（公制螺纹）ThorlabsOTKB-FL/M
荧光滤光片组ThorlabsMDF-FITC用于异硫氰酸荧光素（FITC）
超声波清洗机DeltaDC150H用于剥离步骤

参考文献

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