Name: 一个纳米光输送带的制作和操作 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 10 s
Description: 学习利用等离子体共振器纳米光输送带操控亚微米介电颗粒的方法。该技术通过电子束光刻和模板剥离工艺制备，利用激光偏振旋转实现颗粒的线性输运，为片上生物分析和纳米制造提供高精度光学操控新途径。

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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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作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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&#160;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。

<table><tbody><tr><td>HSQ 电子束光刻胶</td><td>Dow Corning</td><td>XR-1541-006</td><td></td></tr><tr><td>PMMA</td><td>MicroChem</td><td>950A2 M230002</td><td></td></tr><tr><td>快速固化光学胶</td><td>Norland Optical Adhesive</td><td>NOA 81</td><td></td></tr><tr><td>荧光羧基微球</td><td>Bangs Laboratories</td><td>FC02F, FC03F</td><td></td></tr><tr><td>荧光羧酸盐修饰微球</td><td>Molecular Probes</td><td>F-8888</td><td></td></tr><tr><td>石英载玻片</td><td>SPI Supplies</td><td>1020-AB</td><td></td></tr><tr><td>倒置荧光显微镜</td><td>Nikon</td><td>ECLIPSE TE2000-U</td><td></td></tr><tr><td>Nd:YAG 激光器</td><td>Lightwave Electronics</td><td>221-HD-V04</td><td></td></tr><tr><td>sCMOS 相机</td><td>PCO</td><td>EDGE55</td><td></td></tr><tr><td>CCD 相机</td><td>Watec</td><td>WAT-120N</td><td></td></tr><tr><td>零级半波片</td><td>Thorlabs</td><td>WPH05M-1064</td><td></td></tr><tr><td>吐温 X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T8787</td><td></td></tr><tr><td>蒸馏水</td><td>Invitrogen</td><td>10977-023</td><td></td></tr><tr><td>硅片</td><td>Silicon Quest International</td><td>708069</td><td></td></tr><tr><td>光学透镜</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

纳米光学传送带的制备与操作

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

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&#160;限制了&#160;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。

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。
<img alt="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。" src="/files/ftp_upload/52842/52842fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图6"> 
图6. C...

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。

利用聚焦激光束捕获微小颗粒并对其施加力的技术，已在纳米尺度生物学研究中推动了多项关键性发现……

以下实验的总体目标是利用可寻址等离激元谐振器线性阵列（也称为纳米光学传送带）的光学近场，实现亚微米介电颗粒的传输。该过程首先通过软件设计传送带，以确保颗粒能够沿预期路径成功传输；第二步，采用电子束光刻工艺和模板剥离技术制备该传送带。接下来，使用激光在传送带末端捕获样品，并在光路中旋转半波片以诱导粒子的传输。结果显示，通过旋转偏振角可实现粒子在激光束宽度方向上的线性传输，而无需以任何方式改变光束的强度分布。该技术相较于传统光镊的主要优势在于，传输行为和分辨率取决于采用光刻技术制备的结构，而非依赖于光束的偏转控制。该技术可应用于芯片上的生物学分析和纳米尺度制造。当我们观察由狭缝孔径产生的光学近场的应用时，首次提出了这种方法的想法。演示该实验步骤的是本实验室的研究生Tiffany Wong。首先，使用计算机辅助设计（CAD）软件沿直线路径生成由CS形多边形组成的双线性阵列。设计每对多边形，使其围绕各自的凸包连续旋转30度，允许±90度的偏差。相邻对之间间隔不超过一个粒子直径，每对多边形中心之间的距离不超过该间距的90%。接下来，建立一种数值方法几何结构，该结构需容纳平面图案的尺寸，并在图案下方至少延伸200纳米，上方至少延伸600纳米。平面下方包含一个用于表示基底的区域，平面上方为一个用于表示流体腔室的区域，将平面CS形图案向下拉伸150纳米进入基底，从而创建出三维区域以表示刻蚀结构的内部。随后引入具有指定形状的粒子区域。在此特定示例中，我们引入一个直径为400纳米的球形粒子。接下来，在模拟的开放边界处添加厚度至少为500纳米的完美匹配层。为了吸收向外辐射的电磁波，将界面以上区域的电磁材料属性设置为水的属性，C型刻痕内部材料的属性设置为类氢物质的属性，其余材料的属性设置为金的属性。最后，将粒子的材料属性设置为聚苯乙烯的属性。接下来进行离散化处理。在体相中采用自适应四面体网格对模拟体积进行划分，网格尺寸不超过100纳米。此外，在球体表面和雕刻表面将网格单元的最大尺寸限制为30纳米。为了提高光学激发下关键结构的精度，定义一个自由空间波长为 1064 纳米的背景谐波平面波。选择该波的偏振方向，使电场与 C-sharp 雕刻的脊线对齐。通过一系列仿真求解散射电磁场，在保持粒子高度恒定在距表面仅几纳米的情况下，扫描粒子位置参数从路径的一端到另一端。对入射偏振光沿其他每种 CS 形状取向的情况重复此计算，并求得这些角度下散射电磁场的解。验证与偏振方向一致的海胆状结构（seas）发光最亮。接下来，通过在包围粒子的闭合曲面上积分麦克斯韦应力张量，计算粒子在每个位置所受的电磁净力。按照文中所述步骤操作，以确保颗粒能够被稳定捕获并成功沿传送带传递。当偏振光旋转时，从一块清洁的抛光硅片开始。滴加20至25滴2%的聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate）抗蚀剂溶

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一个纳米光输送带的制作和操作

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用于纳米检测的参考干涉仪实现

最近，通过光辐射压力和受激布里渊散射，已在微流控光力学谐振器中实验验证了参量型光力学激发。本文描述了这些微流控谐振器的制备方法，以及产生和验证光力学振荡的技术方案。...

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我们报道了一种将扫描隧道显微镜的原子级表面刻蚀技术与选择性原子层沉积及反应离子刻蚀相结合的实验方案。通过一个涉及多次大气暴露和转移的稳健工艺，制备出具有原子级精度的三维纳米结构。...

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为了研究满足多种检测需求的简易制备方法，我们开发了一种由棉质材料制成的吸液通道系统。该装置被用于构建多指标检测平台，并解决了常影响基于侧向流动的生物医学设备的污染问题，实现了对亚硝酸盐、总蛋白和尿胆原的临床尿液分析。...

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利用圆偏振光镊可在液体中捕获等离激元金纳米棒并以千赫兹频率进行旋转。引入布朗动力学分析和光散射光谱技术，为众多科学领域的研究与应用提供了一个强大的系统。...

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利用铌酸锂表面声波驱动构建纳米高度通道用于声学纳米流控

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纳米光学传送带的制备与操作

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