Die folgenden Setup-Ansatzes Details Low-Power-optische Fallen von dielektrischen Nanopartikel mit einem Doppel-nanohole in Metallfolie.
Methodenartikel
Die folgenden Setup-Ansatzes Details Low-Power-optische Fallen von dielektrischen Nanopartikel mit einem Doppel-nanohole in Metallfolie.
Optische Fallen ist eine Technik zum Immobilisieren und Manipulieren kleine Objekte auf schonende Weise mit Hilfe von Licht, und es wurde häufig in Einfangen und Manipulieren kleinen biologischen Partikel aufgebracht. Ashkin und Mitarbeiter erste optische Pinzette mit einem einzigen fokussierten Strahl 1 gezeigt. Das Einstrahl-Falle kann genau beschrieben unter Verwendung des perturbativen Gradientenkraft Formulierung im Falle von kleinen Teilchen ein Rayleigh-Regime. Im perturbativen Regime, die optische Leistung zum Einfangen eines Partikels Skalen als inverse vierten Potenz der Partikelgröße erforderlich. Hohe optische Kräfte beschädigen können dielektrische Teilchen und verursachen Heizung. So wurden gefangen Latexkugeln von 109 nm im Durchmesser von einem 15 mW Strahl in 25 sec 1, die schwerwiegende Folgen für die biologische Materie 2,3 zerstört hat.
Ein selbst-induzierter Back-Aktion (SIBA) optische Fallen wurde vorgeschlagen, 50 nm Polystyrol-Kügelchen in der Fallenichtperturbative Regimes 4. In einem nicht-perturbativen Regime kann selbst eine kleine Teilchen mit wenig Permittivität Kontrast zum Hintergrund signifikant beeinflussen die Umgebungstemperatur elektromagnetischen Feldes und induzieren eine große optische Kraft. Wie ein Teilchen tritt eine beleuchtete Blende, erhöht Lichtdurchlässigkeit dramatisch, weil der dielektrischen loading. Wenn das Teilchen versucht, die Öffnung zu verlassen, bewirkt verringerte Getriebe eine Veränderung des Impulses nach außen aus der Bohrung und durch Dritte Newton'sche, ergibt sich eine Kraft auf die Teilchen nach innen in das Loch, das Teilchen einzufangen. Die Lichtdurchlässigkeit kann überwacht werden, daher die Falle kann ein Sensor sein. Die SIBA Trapping Technik kann ferner durch die Verwendung eines Doppel-nanohole Struktur verbessert werden.
Die Doppel-nanohole Struktur hat sich gezeigt, um eine starke lokale Feldverstärkung 5,6. Zwischen den beiden scharfen Spitzen des doppelt nanohole kann eine kleine Teilchen zu einer großen Änderung der optischen transmission, wodurch Induktion einer großen optischen Kraft. Als Ergebnis können kleinere Nanopartikel eingeschlossen, wie zum Beispiel 12 nm Silikatkugeln 7 und 3,4 nm hydrodynamischen Radius Rinderserumalbumin Proteine 8 werden. In dieser Arbeit wird die experimentelle Konfiguration für Nanopartikel Trapping verwendet skizziert. Erstens haben wir Detail die Anordnung der Trapping-Setup, die auf einer Optische-Pinzette Thorlabs Kit basiert. Weiter erläutern wir die Nanofabrikation Verfahren des doppelseitigen nanohole in einem Metallfilm, der Herstellung der mikrofluidischen Kammer und der Probenvorbereitung. Schließlich bieten wir ausführlich den Einlesevorgang und typische Ergebnisse zum Einfangen 20 nm Polystyrol Nanokügelchen.
Das Prinzip der SIBA Trapping-Technik ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 2 ist eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus.
Ein. Optical Trapping-Setup
Für diesen Abschnitt des Verfahrens zur optischen Trapping-Kit siehe Handbuch 9 oder das optische Kraftmessung Modul-Handbuch 10 für Einzelheiten zum Einrichten der Sets. Man beachte, dass eine Avalanche-Fotodiode (APD) anstelle eines Quadranten Positionsdetektor verwendet. Für Schrauben nicht in der optischen Trapping-Kit enthalten, verwenden Sie die, die in der Schraube und Hardware-Kit (Thorlabs, HW-KIT2). Augenschutz sollte immer getragen werden, wenn der Laser eingeschaltet ist. Stellen Sie sicher, dass der Strahl in einem sicheren Bereich und reflektierende Accessoires, wie Schmuck enthalten ist, sollte vermieden werden. Außerdem ist Schutz vor elektrostatischen Entladungen empfiehlt beim Umgang mit Laserdioden.
2. Nanofabrication
3. Mikrofluidischen Kammer
Verfahren Flussdiagramm zur Fertigung des Mikrofluidik-Kammer ist in Abbildung 4 dargestellt.
4. Probenvorbereitung
5. Data Acquisition
Ein typisches Übernahme Spur in Abbildung 5a dargestellt. Ein Fangpro ist charakteristischerweise plötzliche, mit einer scharfen Kante, die einen Löschschalter zwischen zwei Sendeleistungspegeln. Als Partikel können sich Brownsche Bewegung, werden die Ereignisse einzufangen zufällig auftreten. Für 20 nm Partikel waren Getriebe wechselt vom Trapping typischerweise etwa 5-10% und Trapping Zeiten, rund 10-300 sec. Die typische Zeit, um ein Ereignis für das Einfangen und Konzentration skizzierten erreichen ist in der Größenordnung von einer Minute. Aufgrund der sterischen Hinderung ist es unüblich, Mehrfachpartikelstrahl Trapping gleichzeitig zu sehen, obwohl einmal ein Teilchen freigesetzt wird, wird typischerweise durch ein anschließendes Abfangen Ereignis. Abhängig von der Qualität der Ergebnisse kann es eine gewisse Erhöhung des Signalrauschens in dem eingeschlossenen Zustand befinden. Dieses Rauschen Anstieg stammt aus der Brownschen Bewegung der eingefangenen Teilchen. Ohne die gefangenen Partikels, das ist Lärmquelle nicht vorhanden.
_CONTENT "> Einige Artefakte können zeigen sich in den Ergebnissen, die keine Bedeutung für Trapping Ereignisse. Ergebnisse zeigt Driften, langsame Veränderungen in der Übertragung über einen Zeitraum von Minuten, wie in 5b gezeigt, sollte verworfen werden. Andere Artefakte können auch vorhanden sein wie als inkonsistent Getriebe wechselt, übermäßigen Lärm oder kein Trapping überhaupt. Zum Beispiel, Blasen diskontinuierlichen Intensität Sprünge verursachen kann, wenn mangelnde Sorgfalt, um sicherzustellen, dass die Kammer blasenfrei ist. Diese Blasen reagieren unterschiedlich auf die Trapping-Ereignisse im Sinne der dynamischen Verhalten und Intensität ändern, und so sind sie leicht zu identifizieren. Solche Symptome durch eine schlechte Doppel-nanohole Struktur, Verunreinigungen oder mechanische Schwingungen verursacht werden könnten. Eine ruhige, geringer Aktivität Einstellung wird dringend empfohlen, diese Einstellung zu platzieren. Auch, was Laser-und Bühne, um ein paar Minuten nach dem Ausrichten absetzen können auch helfen.s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/>
Abbildung 1 Subwavelength Öffnung optisches Übertragungssystem: a) Ohne Teilchen, b) Erhöhung der Übertragung durch dielektrische Teilchen, c) Wenn Teilchen Versuche lassen, wird die Abnahme der Licht Momentum (AT) eine Kraft (F) auf der Partikeloberfläche zu bewirken. hinten ziehen in das Loch, d) Rot-Verschiebung der Transmissionskurve des Teilchen verursacht, was zur Änderung der Transmission AT.

. Abbildung 2 a) Insgesamt schematische einzufangen Setup wird die Erweiterung der rote Kreis in b dargestellt), b) Erweiterung, die die Doppel-nanohole und die Nanokügelchen im Inneren des PDMS Kammer; c) REM-Aufnahme der Doppel-nanohole Struktur. Akronyme verwendet: LD = Laserdiode; ODF = optische Dichte Filter; HWP = Halbwellenplatte; BE = Strahlaufweiter; MR = Spiegel; MO = Mikroskopobjektivs; OI MO = Öl Immersion Mikroskopobjektivs; DH = Doppel-nanohole; APD = Avalanche-Photodetektor.

Abbildung 3 a) Beispiel Bitmap-Figur in der FIB Herstellung verwendet;. B) Eine REM-Aufnahme eines Doppel-nanohole.

Abbildung 4. Prozessdiagramm zur Herstellung der mikrofluidischen Kammer.

Abbildung 5. (A) Typische Erwerb von Trapping Ereignisse sind mit 20 nm Polystyrol-Kügelchen. (B) Eine schlechte Akquisition zeigt akuten drifting.
Das aktuelle Setup verfügt über wirksame Trapping Fähigkeiten aufgrund der Struktur des nanohole. Dies nanohole Fallen ~ 10 nm-Skala dielektrischen Teilchen bei niedrigen optischen Intensitäten. Andere neuartige optische Fallen umfassen optische Dipolantennen 11, Flüstern-Galerie-mode optischen Resonatoren 12,13 und Wellenleiter 14, aber sie typischerweise im perturbativen Regime betrieben, die von der vierten Ordnung inversen Skalierung der erforderlichen optischen Leistung als Funktion der Partikel begrenzt ist Größe, im Gegensatz zu den SIBA und doppelklicken nanohole Falle. Alternative Öffnungsformen haben auch zum Einfangen, wie etwa eine rechteckige plasmonischen Nanopore 15 vorgelegt. Andere günstige Eigenschaften durch den Doppelpfeil nanohole Trap gezeigt sind Korngröße-selektive Verhalten 7, eine einzelne Trapping Lage (zu Multi-Teilchens Trapping begrenzen) und 16 einfache Herstellung. Als Alternative zur Verwendung eines FIB können doppelsträngige Nano-Lochmuster unter Verwendung einer kolloidalen Lithographie hergestellt werdeny 6.
Einfangen von biologischen Materialien von großen Polarisierbarkeit und Größe hat Bakterien 3 enthalten, lebende Zellen 17,2,18, das Tabakmosaikvirus 3 und Manipulation und Streckung der DNA-Stränge an den Enden mit großen dielektrischen Partikel 19 angebunden, jedoch direkten Abfangen der kleineren biologischen Proben ohne Tethering bleibt eine Herausforderung. Dieses Einfangen Konfiguration fähig ist Einfangen kleinen dielektrischen Partikel bei niedrigeren Lichtintensitäten als herkömmliche Licht Pinzette und des kreisförmigen nanohole, es kleinen biologischen Partikel für längere Zeit ohne Beschädigung oder Halteseilelement stattfinden. Auch weisen die Trapping-Ereignissen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht diese Konfiguration als Sensor arbeiten und erkennen die kleinste biologische Partikel wie Viren und Proteine. In der Tat haben 20 nm Polystyrolkugeln einen Brechungsindex von 1,59, die vergleichbar mit den kleinsten Teilchen biologischewie Viren. Diese Methode könnte eine zuverlässige und ausgereifte Technik zur Immobilisierung und Manipulation von Nanopartikeln, einschließlich der biologischen Partikel zu werden.
Anwendungen dieser Technik gehören die Integration in einem mikrofluidischen Umgebung. Anstelle eines einzigen Mikrofluidik-Kammer, würde ein Kanal verwendet, um dynamisch steuern die Umgebung zum Brechungsindex sensing werden. Ein solches Setup würde in einem mikrofluidischen Chip was zu einer stabilen und robusten Aufbau und eine schnellere Analyse von gelösten Stoffen eingestellt werden. Eine weitere Option ist die Entwicklung eines Fluoreszenz-Detektion Schema zur Charakterisierung einzelner fluoreszierender-markierten Viren, Halbleiter-Quantenpunkten und grün fluoreszierende Proteine. Dieser Aufbau hat auch Potential zum Umrüsten auf einen Biosensor für einen einzigen Virus oder Protein, so dass sehr kleine Proben zu analysieren. Drug Discovery 21 und Krankheiten und Infektionen Detektion 22 würde von einem einzigen Protein-Detektor profitieren. Raman spectroscopy können zur Detektion von Raman-Signale von Partikeln und einzigen verbindlichen Veranstaltungen aufgenommen werden. Die Doppel-nanohole Struktur ermöglicht starke lokale Feld Erweiterungen an den Spitzen, geeignet für Tip-enhanced Raman-Spektroskopie 23. Eine hochspezifische label-freie Methode der Materialcharakterisierung wäre es auch möglich mit Hilfe der Raman-Spektroskopie 24.
Produktion und den freien Zugang zu diesem Artikel durch Thorlabs gesponsert.
Wir erkennen Thorlabs für Sponsoring diese Veröffentlichung und die Finanzierung aus dem Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) of Canada Discovery Grant. Wir danken Bryce Cyr und Douglas Rennehan für die Produktion Unterstützung bei der Erstellung dieses Video Artikel.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Name | Hersteller | Seriennummer | Kommentare |
| Immersionsöl | Cargille Labs | 16484 | Menge: 1 |
| Sylgard 184 Silikon-Elastomer Kit | Dow Corning Canada | Menge: 1 Enthält sowohl PDMS Basis und Härter | |
| Gold Coated Testdias | EMF Corp | Cr / Au | Menge: 1 Eine Adhäsionsschicht Ti kann ebenso verwendet werden |
| Keine 1,5 Deckgläser | Fisher Scientific | 12-541-B | Menge: 1 |
| Focused-Ion Beam-System | Hitachi | FB-2100 | |
| Portable Data Acquisition Module | Omega Engineering | USB-4711A | Quantity: 1 |
| Lineartisch | Parker | 4034M | Menge: 1 |
| Laser Diode Leiter und Controller | Sacher Lasertechnik Gruppe | TEC 120 | Menge: 1 Manuelle Tunable Littrow Laser System |
| Digital-Oszilloskop | Tektronics | TDS1012 | Menge: 1 |
| 20 nm Nanosphere Größe Standards | Thermo Scientific | 3020A | Menge: 1 |
| 1 "Lens Mount | Thorlabs | LMR1 | Menge: 1 |
| 0,3 "Lens Rohr | Thorlabs | SM1L03 | Menge: 2 |
| Absorptive ND 4,0 Filter | Thorlabs | NE40A | Menge: 1 |
| Aluminum Breadboard | Thorlabs | MB1824 | Menge: 1 |
| Lawinenphotodiode | Thorlabs | APD110A | Menge: 1 |
| Digital Optical Power Meter | Thorlabs | PM100 | Menge: 1 Veraltet, andere tun |
| Force Measurement Module | Thorlabs | OTKBFM | Menge: 1 |
| Kinematische Spiegelhalter | Thorlabs | KM200-E03 | Menge: 1 Mit Nahe IR Laser Qualität Spiegel |
| Laser Diode Constant Current Driver | Thorlabs | LD1255R | Menge: 1 |
| LD1255 Optical Tabelle Montageplatte | Thorlabs | LD1255P | Menge: 1 |
| Montiert Achromatic Halbwellenplatte | Thorlabs | AHWP05M-980 | Menge: 1 690 - 1200 nm |
| Optical Tweezer Kit | Thorlabs | OTKB / M | Menge: 1 Metrisch oder imperial |
| Stelleninhaber Basis | Thorlabs | BA2 | Menge: 2 |
| Power Supply | Thorlabs | PS-12DC-US | Menge: 1 |
| Stromversorgungskabel | Thorlabs | LD1255-CAB | Menge: 1 |
| Right Angle Platte | Thorlabs | AP90 | Menge: 1 |
| Right Angle Beitrag Clamp | Thorlabs | RA90 | Menge: 1 |
| Stainless Steel Optical Beitrag | Thorlabs | TR3 | Menge: 1 |
| Tischklemme | Thorlabs | CL1 | Menge: 2 Veraltet, andere tun |
| Thermal Sensor | Thorlabs | PM210 | Menge: 1 Für digitale optische Leistungsmesser |
| 100 pF Kondensator | Menge: 1 Jede Marke, nicht kritisch | ||
| 200 KOhm Widerstand | Menge: 1 Jede Marke, nicht kritisch | ||
| Acrylic Sheet | Menge: 3 "x 1" Jede Marke, nicht kritisch | ||
| Sortiment von Koaxial-Kabeln, Leitungen und Anschlüsse | Je nach Bedarf | ||
| Brotbrett | Menge: 1 Jede Marke, nicht kritisch | ||
| Konkavlinse | Menge: 1 Jede Marke, nicht kritisch | ||
| Diamond Cutter | Menge: 1 Jede Marke, nicht kritisch | ||
| Doppelseitiges Klebeband | Jede Marke, nicht kritisch | ||
| Rasierklinge | Menge: 1 Jede Marke, nicht kritisch | ||
| Pinzette | Menge: 1 Jede Marke, kippte feinen |
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