Das Einfangen, Abfragen und Manipulieren einzelner Nanopartikel ist in der Nanotechnologie von wachsender Bedeutung. Die optische Pinzette hat sich zu einer besonders erfolgreichen Manipulationstechnik für Experimente in der Molekularbiologie1-4, der Chemie5-7 und der Nanoassemblierung7-10 entwickelt, wo sie bahnbrechende Experimente wie die Messung der mechanischen Eigenschaften einzelner DNA-Moleküle4 und die Sortierung von Zellen nach ihren optischen Eigenschaften ermöglicht hat11,12. Entdeckungen an diesen Grenzen eröffnen die Erforschung noch kleinerer Systeme und ebnen den Weg für die Entwicklung neuer, praktisch nützlicher Produkte und Techniken. Dieser Trend wiederum treibt den Bedarf an neuen Techniken voran, um kleinere, rudimentärere Partikel zu manipulieren. Darüber hinaus gibt es Bestrebungen, "Lab-on-a-Chip"-Geräte zu bauen, um diese Funktionen billiger und in einem kleineren Gehäuse auszuführen, um chemische und biologische Tests für medizinische und andere Zwecke aus dem Labor in die Praxis zu bringen13,14.
Leider kann das konventionelle optische Trapping (COT) nicht alle wachsenden Anforderungen der Nanotechnologie erfüllen. COT arbeitet nach dem Mechanismus der Verwendung einer Objektivlinse mit hoher numerischer Apertur (N.A.), um das Laserlicht auf einen engen Fokus zu bringen, wodurch ein lokalisierter Spitzenwert der optischen Intensität und hohe Gradienten in der elektromagnetischen Feldenergie erzeugt werden. Diese Energiedichtegradienten üben eine Nettokraft auf lichtstreuende Teilchen aus, die sie in der Regel in Richtung des Fokuszentrums zieht. Das Einfangen kleinerer Partikel erfordert eine höhere optische Leistung oder einen engeren Fokus. Fokussierte Lichtstrahlen gehorchen jedoch dem Prinzip der Beugung, das die minimale Größe des Brennflecks begrenzt und eine Obergrenze für den Energiedichtegradienten setzt. Dies hat zwei unmittelbare Konsequenzen: COT kann kleine Objekte nicht effizient einfangen, und COT hat Schwierigkeiten, zwischen eng beieinander liegenden Partikeln zu unterscheiden, eine Einschränkung der Fangauflösung, die als "Fat Fingers"-Problem bekannt ist. Darüber hinaus erfordert die Implementierung von Mehrfach-Partikel-Trapping mit COT Systeme von Beam-Steering-Optiken oder räumlichen Lichtmodulatoren, Komponenten, die die Kosten und die Komplexität eines optischen Trapping-Systems drastisch erhöhen.
Eine Möglichkeit, die grundlegenden Einschränkungen herkömmlicher fokussierter Lichtstrahlen zu umgehen, von denen gesagt wird, dass sie sich im Fernfeld ausbreiten, besteht darin, stattdessen die Gradienten der optischen elektromagnetischen Energie im Nahfeld auszunutzen. Das Nahfeld zerfällt exponentiell von den Quellen elektromagnetischer Felder weg, was bedeutet, dass es nicht nur stark an diese Quellen gebunden ist, sondern auch sehr hohe Gradienten in seiner Energiedichte aufweist. Es wurde gezeigt, dass die Nahfelder nanometallischer Resonatoren, wie z. B. Bowtie-Blenden, Nanosäulen und C-förmige Gravuren, außergewöhnliche Konzentrationen elektromagnetischer Energie aufweisen, die durch die plasmonische Wirkung von Gold und Silber bei nahinfraroten und optischen Wellenlängen noch verstärkt werden. Diese Resonatoren wurden verwendet, um extrem kleine Partikel mit hoher Effizienz und Auflösungvon 15-22 einzufangen. Während sich diese Technik beim Einfangen kleiner Partikel als effektiv erwiesen hat, hat sie sich auch als begrenzt in ihrer Fähigkeit erwiesen, Partikel über eine nennenswerte Reichweite zu transportieren, was notwendig ist, wenn Nahfeldsysteme mit Fernfeldsystemen oder Mikrofluidik verbunden werden sollen.
Vor kurzem hat unsere Gruppe eine Lösung für dieses Problem vorgeschlagen. Wenn Resonatoren sehr dicht beieinander platziert werden, kann ein Teilchen prinzipiell von einer optischen Nahfeldfalle zur nächsten wandern, ohne von der Oberfläche freigesetzt zu werden. Die Transportrichtung kann bestimmt werden, wenn benachbarte Fallen getrennt ein- und ausgeschaltet werden können. Ein lineares Array von drei oder mehr adressierbaren Resonatoren, bei dem jeder Resonator empfindlich auf eine andere Polarisation oder Wellenlänge des Lichts reagiert als seine Nachbarn, fungiert als optisches Förderband und transportiert Nanopartikel über eine Entfernung von mehreren Mikrometern auf einem Chip.
Das sogenannte 'Nano-Optical Conveyor Belt' (NOCB) ist einzigartig unter den plasmonischen Resonator-Fangschemata, da es Partikel nicht nur an Ort und Stelle halten, sondern sie auch mit hoher Geschwindigkeit entlang gemusterter Bahnen bewegen, Partikel sammeln oder dispergieren, mischen und in eine Warteschlange stellen und sogar nach Eigenschaften wie ihrer Mobilität sortierenkann 23. Alle diese Funktionen werden durch Modulation der Polarisation oder Wellenlänge der Beleuchtung gesteuert, ohne dass eine Beam-Steer-Optik erforderlich ist. Als optische Nahfeldfalle ist die NOCB-Fallenauflösung höher als bei herkömmlichen optischen Fallen mit fokussiertem Strahl, so dass sie zwischen Partikeln in unmittelbarer Nähe unterscheiden kann. Da es eine Metall-Nanostruktur verwendet, um das Licht in einer Einfangvertiefung zu konzentrieren, ist es energieeffizient und benötigt keine teuren optischen Komponenten wie ein Objektiv mit hohem N.A.-Wert. Darüber hinaus können viele NOCBs parallel bei hoher Packungsdichte auf demselben Substrat betrieben werden, und 1 W Leistung kann über 1200 Öffnungenansteuern 23.
Wir haben kürzlich das erste polarisationsgesteuerte NOCB demonstriert, das ein Nanopartikel sanft entlang einer 4,5 μm langen Spur hin und her befördert24. In diesem Artikel stellen wir die Schritte vor, die notwendig sind, um das Gerät zu entwerfen und herzustellen, es optisch zu aktivieren und das Transportexperiment zu reproduzieren. Wir hoffen, dass die breitere Verfügbarkeit dieser Technik dazu beitragen wird, die Größenlücke zwischen Mikrofluidik, Fernfeldoptik und nanoskaligen Geräten und Experimenten zu schließen.