Summary
并入电浆镊子的微芯片制造工艺在这里呈现。微芯片使捕集粒子的成像来测量最大俘获力。
Abstract
电浆镊子使用表面等离子体激元来限制极化纳米级物体。在电浆镊子的各种设计，只有少数可以观察到固定的颗粒。此外，研究有限数量的实验测得的颗粒上的可施加的力。这些设计可以被分类为突出纳米盘类型或抑制纳米孔类型。对于后者，显微镜观察是极具挑战性。在本文中，一个新的等离激元镊子系统中引入来监测颗粒，无论是在平行方向和垂直于等离子体激元纳米孔结构的对称轴。通过此功能，我们观察到纳米孔的边缘附近的每个粒子的运动。此外，我们可以定量评估采用了全新的流体通道的最大阱力。
Introduction
操纵微尺度对象的能力是许多微/纳米实验中不可缺少的功能。直接接触操作会损坏操纵对象。释放之前保持的对象也正是因为静摩擦问题具有挑战性。为了克服这些问题，采用的流体1，电动2，磁3，或光子力4，5，6，7几个间接方法，8已经被提出。使用光子力电浆镊子是基于非凡场增强几个数量级比入射光强度大9的物理性质。这种极其强烈的场增强使极小的纳米粒子的捕集。例如，已显示，以固定和操纵纳米级的对象，如聚苯乙烯颗粒7，10，11，12，13，14，聚合物链15，蛋白质16，量子点17，和DNA分子8,18。如果没有电浆镊子，它是很难被诱捕的纳米粒子，因为它们很快消失在有效地检查之前，他们或者是因为它们是由于激光的高强度受损。
许多电浆研究中使用的各种纳米级金结构。我们可以分类的金结构作为突出纳米盘类型12，13，14，15，19
在本文中，我们引入新的流体微芯片的设计和制造过程。使用这种芯片，我们证明plasmonically捕获粒子的监测，无论是在方向平行和垂直的电浆纳米结构。此外，我们通过增加流体速度找到在微芯片的引爆速度测量固定化的粒子的最大力量。这项研究是独一无二的，因为在电浆镊子大多数研究不能定量地显示在他们的实验设置中使用的最大阱力。
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Protocol
注意：使用前请所有有关材料安全法规。几个在微芯片制造中使用的化学品是剧毒和致癌性。进行光刻和蚀刻工艺的情况下，包括使用工程控制（通风柜，热板，和对准器）和个人防护设备（安全眼镜，手套，实验室外套，全长裤和关闭的请使用所有适当的安全实践-toe鞋）。
1. PDMS微通道的制作
- 通过光刻工艺微通道模具的制造
- 完全4英寸Si晶片表面用piranha清洁（ 图1a）上除去异物。在以3:1的比例混合的硫酸（H 2 SO 4）和过氧化氢（H 2 O 2）：1，使在盘的食人鱼溶液。通过逐渐加入少量的强酸（H 2 O混合
- 浸入晶片在10分钟食人鱼溶液。接着，浸入去离子（DI）水的晶片3分钟以除去残留的食人鱼溶液。冲洗晶片用流动的去离子水10秒。重复漂洗过程3次，并干燥以N 2气体以除去剩余的DI。
- 放置在晶片上的热板上20分钟在180℃下进一步脱水的晶片。
- 以1500rpm（ 图1b）倾5毫升在晶片和旋涂45秒的顶部上的负性光刻胶的;旋涂后，光致抗蚀剂珠粒在晶片边缘处创建，因为光致抗蚀剂的相对高的粘度。
- 平衡在流平支架5小时通过平坦化光致抗蚀剂涂覆的晶片。
- 放置光致抗蚀剂涂覆的晶片在热板上在65 12分钟℃，35分钟，在95℃，并在65℃（软烤）12分钟。
- 固定在掩模保持器和矫正器的基片台上的软烘焙晶片薄膜掩模。暴露于紫外（UV）光下43号在650毫焦/厘米2以固化光致抗蚀剂。
- 放置在热板上进行5分钟的晶片在65℃下，在95℃下15分钟，并在65°C（曝光后烘焙）5分钟。
- 浸泡在光刻胶显影剂晶片30分钟，以除去未固化的光致抗蚀剂。
- 冲洗用异丙醇（IPA）中，用N 2气体的干式晶片以除去剩余的IPA。
- 完全4英寸Si晶片表面用piranha清洁（ 图1a）上除去异物。在以3:1的比例混合的硫酸（H 2 SO 4）和过氧化氢（H 2 O 2）：1，使在盘的食人鱼溶液。通过逐渐加入少量的强酸（H 2 O混合
- 在PDMS微通道的制造
- 处理晶片，并以200瓦使用大气等离子体机25的功率光致抗蚀剂模，持续1分钟的表面上; CH 4的气体流量和他应该是6和30 SCCM，分别。执行此疏水处理，容易拆卸聚D-从晶片和光致抗蚀剂模（ 图1c）的表面imethylsiloxane（PDMS）微通道。
- 制备通过混合PDMS基并以10比固化剂的PDMS溶液：1。搅拌2分钟该混合物。
- 放置一个陪替氏培养皿内的晶片（150毫米×15毫米），加入PDMS溶液的100毫升。除去从使用干燥器搅拌创建的气泡。
- 放置在烘箱2个小时培养皿在80℃下以固化PDMS溶液（ 图1d和h）。
- 沿微通道PDMS用刀片的轮廓切割并从晶片分离它;所制造的微通道PDMS应具有以下尺寸：13姆·隆恩，300微米宽和150微米高（ 图1E，F和I）。
注：两种类型的孔是由一个微穿刺产生的插入单模光纤（SMF）电缆和管（入口a第二对PDMS微通道（ 图1克出口））。的SMF电缆用于发射激光束到研磨上的金板中的纳米孔。该管被用来插入/提取从PDMS微通道中的粒子溶液至/。 - 穿刺1.5毫米的入口和出口孔在所述PDMS微通道的每一端。穿刺在PDMS微通道的中心的0.3mm的SMF电缆孔。
2.镀金的蚀刻处理
- 准备市售的金板上，以25×6.25毫米2（ 图2a）的尺寸。
- 在黄金板块具有以下清洁程序删除任何异物。清洁在由丙酮，甲醇和去离子水浸渍，每次5分钟以下顺序。
- 冲洗金板用DI水洗涤3次10秒，并用N 2气干燥该板以除去剩余的去离子水。
- 将在金盘上用热板在180℃下20分钟后，完全除去任何剩余的水分。
- 在3,000rpm下倾0.5mL的在金板和旋涂40秒六甲基二硅烷（HMDS）的。
- 在3,000rpm下倾0.5mL的正性光刻胶的上旋涂HMDS的顶部和旋涂40秒（ 图2b）。
- 放置光致抗蚀剂涂覆的金板上，在110℃（软烤）热板90秒。
- 固定玻璃晶片上的薄膜掩模和放置软烤金板基片台上。暴露于UV光4.5 s的64毫焦耳/厘米2，以溶解光致抗蚀剂。
- 沉浸金板在光致抗蚀剂显影剂1分钟以除去溶解的光致抗蚀剂（ 图2c）。冲洗金板用DI水，并用N 2气干燥。
- 在28埃/秒的刻蚀速率以去除暴露的Au（ 图2d）沉浸在金蚀刻剂45秒金板。冲洗金板DI水：r和用N 2气干燥。
- 以25埃/秒的刻蚀速率，以除去暴露的Ti（ 图2e）浸泡在钛蚀刻剂为5秒的金板。冲洗金板用DI水，并用N 2气干燥。
- 通过在丙酮，甲醇，和去离子水浸渍3分钟每个（ 图2f）拆下上的金板中的剩余的光刻胶;沉浸在书面顺序板。
- 冲洗金板用DI水3次，持续10秒。干用N 2气以除去去离子水。
- 放置在热板上的金板3分钟，在120℃以完全除去水分;所产生的金块应该是400×150微米2（ 图2H）。
- 轧机在使用这是后蚀刻（ 图2G和ⅰ）制造的金块的中心的聚焦离子束（FIB）为400nm的纳米孔。创建370纳米圈图案集中于金BL玉珠用离子在28 Pa下3秒加速30千伏的电压。
3.微芯片的大会
- 治疗PDMS微通道和金板的两个表面1分钟用O 2等离子体将它们连同等离子体体系在80 W的功率和825毫托25的压力连接。
注：这是特别难以将其与精密附着由于黄金块和PDMS微通道都在微米级。因此，使用对准器具有照相机和手动载物台。 - 修复被用于附接膜掩模对准器（ 图3a）的阴罩保持架的玻璃晶片。
- 附上O 2 -等离子体处理的PDMS微通道到玻璃晶片;因为PDMS是亲水性的，它会容易地附连到玻璃晶片没有任何粘附溶液。固定对准器（ 图3a）的基片台上的金板。
- 找到个的中心ÈSMF电缆孔和金块，它们在同一轴线上对准，使用相机上的对准器。解除手动台将两个部分（ 图3b和c）结合起来。
4.改进由PDMS涂层Microchip的侧的表面粗糙度的
注：金板的400×150微米2固定尺寸是比较困难比PDMS材料切出。因此，为了分离从晶片的PDMS微通道，一个刀片用于切割出比金更大的板片。两个部分合并后，将PDMS相对于金板的过量的部分必须被切割，使得该通道的内部可从侧用显微镜（ 图4a）被观察到。然而，切断面，其被用作窗户，具有高的表面粗糙度，并因此产生在信道流动的颗粒混浊图像（ 图图4b）。再次进行涂层与PDMS解决方案来解决这个问题。
- 通过在10混合PDMS基料和固化剂制备PDMS溶液：1的比例，并搅拌2分钟。
- 倾将2mL PDMS溶液在培养皿中，并在1000rpm下（ 图4c）进行旋涂30秒。
- 地方将要被定位在培养皿上（ 图4d）的显微镜微芯片表面。放置在烘箱中1个小时培养皿在80℃下以固化PDMS溶液。
- 切微芯片和使用刀片PDMS的边界，并随后从培养皿分离它（ 图4e中，f）。
5.激光耦合到插入SMF电缆到Microchip
注：对于等离子体激元镊子系统中，使用的光纤入射的激光具有1064纳米波长。的SMF电缆使用，因为INCI的直径凹痕激光（5毫米）的过巨大在研磨在微芯片内的金块（400×150微米2）纳米孔以发射激光束。的SMF电缆的包层直径为125μm。因此，入射的激光和SMF电缆必须连接。
- 连接安装在SMF耦合器40X物镜的显微镜物镜。固定在SMF耦合器的光纤夹具的SMF电缆。对准入射激光束，以填补在物镜的后孔。
- 通过调节装配在SMF耦合器三轴手动载物台聚焦激光束到SMF电缆的芯。
- 插入SMF电缆的另一端插入微芯片的SMF电缆孔。测量之前，在纤维光缆的边缘插入的激光功率，因为在微芯片固定光缆不能被拆卸。
- 使用环氧树脂胶以阻挡流动的颗粒溶液从SMF驾驶室之间的间隙的泄漏密封SMF电缆孔勒孔（300μm）和SMF电缆（125微米）的包层;所插入的光纤电缆的端部不能进入所述微通道，以避免流体流动。手动使用视觉反馈，使得其垂直于金块承载纳米孔对齐纤维电缆。
6.单的电浆俘获的荧光聚苯乙烯粒子在微芯片
- 连接注射器，其填充有颗粒溶液，于注射器微型泵。放置玻璃盖片上的荧光显微镜的样品台上。连接管，以微芯片的入口/出口孔。放置涂覆的PDMS微芯片表面上的盖玻璃的顶部。
- 通过观察与安装在荧光显微镜相机通道的内部微芯片正交于60X水浸物镜透镜位置。用透明胶带固定微到位。微芯片的入口管连接与注射器NEedle。
- 通过控制为20μm/ s的微型泵插入颗粒溶液到微芯片。此时，确认该荧光体粒子可很好的沟道当荧光灯接通时观察到。
- 等待，直到颗粒溶液从微芯片的出口离开。将速度设置为3.4微米/秒。
- 转动激光光源装置，使得其发射激光到所述纳米孔;所述荧光颗粒将在纳米孔的边缘被捕获。
- 通过控制微型泵，直到截留颗粒逃逸斜坡在0.4微米/秒的增量流体速度。测量流体的速度时被俘获颗粒逃逸。获得使用该测流体速度各激光强度最大的捕获力。
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Representative Results
将PDMS微通道和纳米孔金板的制造方法示于图1和2。的方法，所述两个部件结合和实际微芯片在图3中所示。所述PDMS切成从微芯片的侧面露出的通道的内部。然而，这是难以观察到，因为在切割平面的表面粗糙度在通道中流动的粒子。因此，我们介绍了PDMS涂覆方法来解决这个问题，如图4中所示 。
我们观察到5μm的，流动的聚苯乙烯颗粒在微芯片，以确认PDMS涂层的效果。 图5示出在使用显微镜的微芯片中观察到的实际制造的微芯片和颗粒。 图5a和c是前和后appeara微芯片的NCES。 图5b和d各自的放大的表面。 图5e示出了流动模糊颗粒，而图5f示出了颗粒的边缘是特别明确的，运动可以被监控。如上所述，在微芯片表面的PDMS涂层对捕获粒子的监控是至关重要的。
图6示出了100nm的聚苯乙烯粒子由等离激元镊子系统进行等离子体激元光阱。使用具有一个0.14的数值孔径（NA）的SMF电缆。甲管插入在微芯片通道的入口/出口孔。微型泵用于插入并收集100纳米的荧光聚苯乙烯粒子溶液。由等离激元现象强调截留颗粒的内部的外观， 图6a的虚线部分已经被放大作为插图， 图7示出了在所述微通道流过的100纳米的荧光聚苯乙烯粒子被困在0.42毫瓦/微米2的强度在纳米孔释放连续的图像。所述颗粒在流动的3.4微米/秒的流体方向上以恒定的速度， 如图7a所示 。激光被打开后，颗粒中的一个被捕获在纳米孔中， 如图7b中所示。与此相反，另一微粒流入流，如图在图7c中。然后，流动速度增加，直到被困粒子逃脱。 图7d示出了PArticle从陷阱逸出。这时，我们可以通过测量流体的速度，当粒子逃脱估计与直接观察的捕获力。我们还曾在相反的方向。代替增加流体速度，我们逐渐在1毫瓦的减量减小激光功率和所记录的强度当颗粒逃出。此激光强度被定义为最小捕集激光强度和测得为0.24毫瓦/微米2。 
图1中的微通道的PDMS的制作。 （a）该Si晶片的制备。 （b）该晶片的光致抗蚀剂旋涂。 （C）通过光刻工艺制造微通道模具。 （d）使用烘箱浇注在晶片上的PDMS溶液后PDMS固化。 （ 五）PDMS微通道切削。 （F）从晶片PDMS微通道脱离。 （G）入口/出口和SMF电缆孔刺破的PDMS微通道。 （H）实际固化在晶片上的PDMS。 （ⅰ）分离的实际PDMS微通道。 请点击此处查看该图的放大版本。 
图2.制造在蚀刻处理后的金板中的纳米孔的。 （A）在玻璃上的Au和Ti的沉积。金板（b）的光致抗蚀剂旋涂。紫外线照射后（c）中溶解的光刻胶的去除。 （d）中的Au的蚀刻。 （e）中的Ti的蚀刻。 （F）光致抗蚀剂的剩余重 MOVAL。 （ 克 ）纳米孔铣削由金块上的聚焦离子束。 （H）实际制造金块。 （i）所述金块上的实际研磨纳米孔。 请点击此处查看该图的放大版本。 
图3.装配微芯片的过程。 （a）定出在掩模保持器和基板台的PDMS微通道和金板，分别配备上对准。 （b）该PDMS微通道一部分，并与O 2等离子表面处理后的金板的结合。 （C，D）组合后组装微芯片。 （e）中去除的PDMS微通道的过量。ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg”目标=‘_空白’>点击此处查看该图的放大版本。 
图4.由PDMS涂层的表面粗糙度的改进工艺。 （a）所述两个部分合成后取出用刀片过剩量。 （b）切割后的微芯片的高的表面粗糙度。 （c）中的PDMS溶液旋涂在培养皿中。 （d）中浸渍微芯片的窗口表面到旋涂PDMS溶液。 （e）中涂布的PDMS微芯片从培养皿脱离。 （F）由PDMS涂层的表面粗糙度的改进。 请点击此处查看该图的放大版本。
图5.之前和PDMS涂覆之后组装微芯片和5μm的聚苯乙烯粒子的观察在微通道中。 PDMS涂层和放大视图之前（A，B）微芯片。 PDMS涂层和放大图之后（C，D）微芯片。 （E，F）之前和PDMS涂覆之后在所述微通道的粒子的观察。 请点击此处查看该图的放大版本。
图6.设计电浆镊子系统。 （a）该电浆镊子系统的示意图。 （ 二 请点击此处查看该图的放大版本。
图7.捕获和在微通道中的100纳米的荧光聚苯乙烯粒子的释放。 （a）用粒子流入流微通道。 （B，C）在纳米孔捕获粒子相比另一微粒。 （d）中的粒子从所述捕集器逃脱由于增加流体的力。 请点击此处查看该图的放大版本。
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Discussion
的SMF电缆被插入在微芯片上的SMF电缆孔， 如图6a的矩形点阵。因为SMF电缆孔比电缆外径大，环氧树脂胶用于密封所述间隙以阻挡流动的颗粒溶液的泄漏。环氧树脂胶的应用程序之前，金块和电缆边缘应该同轴地用手使用显微镜对准。虽然它是理想的插入的电缆边缘和纳米孔被同轴地对准，有轻微的不对准是可以容忍的，因为一旦它从0.14 NA SMF电缆边缘的端部发射的激光束发散，光束影响大得多的地区。因为微芯片配置为垂直于显微镜的光轴，我们无法直接观察到纳米孔的位置。纳米孔的位置可仅通过在纳米孔观察plasmonically俘获粒子的位置来间接地确定。一个溶液可以通过在光纤线缆上安装照相机并用它来监视金块来提供。
微芯片的显着特点是它能够监控近实时的电浆纳米孔粒子的运动能力。该颗粒的运动遵循以下描述的场景。当流体流前进的颗粒，一些颗粒移动朝向所述金块。在一些情况下，粒子显着得到接近纳米孔的边缘由于吸引力的纳米孔，并最终变得固定。此时，光学力施加在粒子超过所述流体的力。随后，将固定化的粒子从纳米孔边缘的流体速度增加时逸出;因此，流体压力变得大于所述光学力强。最大的捕获力可从该终端流体速度进行测量。然而，不能使用常规的拖曳力方程，因为粒子是与克物理接触老墙在纳米孔。考虑金壁的表面的效果，我们使用了有限元方法，它考虑到表面附近的流体运动，并且所获得的流体力。
我们引入了一个新的等离激元镊子设置，使沿激光束轴线粒子动力学进行监测。与此相反，以往的研究只介绍垂直于激光束轴，诸如与nanoblock 12，纳米盘13，14，19，21，nanostick 20，以及纳米锥体18在平面粒子运动。此外，在纳米孔类型的情况下，俘获只能通过，而不是由可视监控10，11，23监视所述散射信号见证。然而，我们无法准确测量，因为目前的成像技术能力有限粒子的位置。成像质量应进一步改进，以确认准确的位错的测量。这种技术可以在单个分子中的表征和生物传感应用。
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Disclosures
作者什么都没有透露。
Acknowledgments
这个工作是由ICT R＆MSIP / IITP（R0190-15-2040，内容配置管理系统的开发和使用智能材料三维打印模拟器）的D程序的支持。
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 |
References
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