Wir beschreiben eine Prozedur, um optisch Mikropartikel in Nanoplasmonic optischen Gitter einzuschließen.
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Methodenartikel
Trapping von Mikropartikeln in Nanoplasmonic optischen Gitter
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Die plasmonische optische Pinzette wurde entwickelt, um die Beugung Grenzen der konventionellen Fernfeld optische Pinzette zu überwinden. Plasmonische optischen Gitter besteht aus einem Array von Nanostrukturen, die eine Vielzahl von Fang und Transport Verhalten aufweisen. Wir berichten über die experimentellen Verfahren, die Mikro-Partikel in einem einfachen quadratischen Nanoplasmonic optischen Gitter. Wir beschreiben auch der optische Aufbau und Nanofabrikation eines Nanoplasmonic-Arrays. Das optische Potenzial entsteht durch die Beleuchtung ein Array von gold Nanodiscs mit einem "glockenförmig" Strahl von 980 nm Wellenlänge und spannende Plasmon-Resonanz. Die Bewegung der Partikel wird durch Fluoreszenz-Bildgebung überwacht. Ein Schema, photothermische Konvektion zu unterdrücken wird auch beschrieben, um nutzbare optische Leistung für optimale Fang zu erhöhen. Unterdrückung der Konvektion wird durch Kühlung der Probe auf eine niedrige Temperatur und unter Verwendung der in der Nähe von Null thermische Ausdehnungskoeffizient des Mediums Wasser erreicht. Einzelkorn Transport- und mehrere Partikel abfangen werden hier gemeldet.
Einleitung
Die optische fallen Mikromaßstab Teilchen wurde ursprünglich von Arthur Askin in den frühen 1970er Jahren entwickelt. Seit seiner Erfindung entwickelte sich die Technik als ein vielseitiges Werkzeug für Mikro- und Nanomanipulation1,2. Konventionelle optische trapping basierend auf das Fernfeld mit Schwerpunkt Prinzip ist von Natur aus begrenzt durch die Beugung in seine räumliche Beengtheit, wobei die Fallenjagd Kraft dramatisch sinkt (folgende eine ~3 -Gesetz für ein Teilchen mit dem Radius ein) 3. um solche Beugung Grenzen zu überwinden, Forscher entwickelten optischen Nahfeld-Trapping Techniken basierend auf dem evaneszenten optische Feld mit plasmonische metallischen Nanostrukturen und darüber hinaus das fangen von nanoskaligen Objekten auf einzelne Proteinmoleküle wurde demonstriert4,5,6,7,8,9,10,11. Darüber hinaus entsteht plasmonische optische Gitter aus Arrays von periodischen plasmonische Nanostrukturen Langstrecken-Transport von Mikro- und Nanopartikel und mehrere Teilchen Stapeln11,12zu verleihen. Ein Haupthindernis für die Fallenjagd in einem optischen Gitter zu stören ist photothermische Konvektion und Anstrengungen unternommen durch mehrere Gruppen14,15,16,17, deren Auswirkungen aufzuklären. Mit Green-Funktion, haben Baffou Et Al. ein Temperaturprofil durch Modellierung jeder plasmonische Nanostruktur als Punkt Heizung berechnet und dann experimentell validiert ihre Modell-14. Toussant Gruppe hat auch der Plasmon-induzierten Konvektion mit Partikel Velocimetry15gemessen. Die Autorengruppe hat auch gekennzeichnet Nahfeld- und konvektiven Transport und demonstriert eine engineering-Strategie um photothermische Konvektion16,17zu unterdrücken.
Hier präsentieren wir das Design eine optische Aufbau und ein detailliertes Verfahren speziell für Überfüllung Experimente mit plasmonische optischen Gitter. Das optische Potenzial entstand durch ein Array von gold Nanodiscs mit einem lose fokussierten "glockenförmig" Lichtstrahl beleuchtet. Ein Schema, photothermische Konvektion zu unterdrücken durch die Abkühlung der Probe auf eine niedrige Temperatur (~ 4 ° C) für optimale Trapping ist auch hier17beschreiben. Unter Boussinesq Näherungswert, ergibt sich eine Schätzung der Größenordnung für die natürliche Konvektion Geschwindigkeit u aus u ~L2 GβΔT / V, wo L die Längenskala der Wärmequelle und Δ ist T wird der Temperaturanstieg im Vergleich zu den Verweis wegen der Heizung. g und β sind die Gravitationsbeschleunigung und thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei Temperaturen in der Nähe von 4 ° C die Dichte des Mediums Wasser Exponate anomale Temperaturabhängigkeit und dies führt zu einer thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahe Null und somit eine verschwindend kleine photothermische Konvektion.
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Protokoll
1. optische Aufbau
Hinweis: das Prinzip der optischen Aufbau in Abbildung 1 dargestellt ist.
- Satz, der optischen Pinzette kit (siehe die Tabelle der Materialien) und die Fluoreszenz-Modul (siehe Tabelle der Materialien) wie pro ihre Handbücher. Schließen Sie eine 470 nm blaue Licht emittierende Diode (LED) Licht-Quelle an das fluoreszierende Modul.
- Hohen numerischen Apertur (NA) zu ersetzen (NA = 1,25, Vergrößerung 100 X) Öl eintauchen Ziel durch eine lange funktionierende distanzieren (WD) Mikroskopobjektiv (Brennweite 3,6 mm, WD = 10,6 mm, NA = 0.5).
- Entfernen Sie die Linse in der Balkenquerschnitt Ausbau des montierten Kit, lose Fokussierung des Laserstrahls zu erreichen.
- Wendung auf die Stromversorgung und den Strom für die Laser-Diode Wellenlänge 980 nm und Nutzung der geladenen gekoppelt (CCD) Kamera um sicherzustellen, dass der Laserstrahl korrekt ausgerichtet ist.
Hinweis: Wenn der Laserstrahl gut ausgerichtet ist, die CCD-Kamera liest einen Gaußschen Platz.
2. Nanofabrikation
- Marker Fabrication.
Hinweis: Markierungen helfen, um das Nanoplasmonic-Array während des Fertigungsprozesses und anschließende Trapping Experiment zu positionieren. Das genaue Verfahren ist in ergänzende Abbildung1 dargestellt.- Anzahlung 40 nm Indium-Zinn-Oxid (ITO) Film auf einem Deckgläschen Dicke 0,17 mm mit Sputtern.
Hinweis: Der ITO-Film hilft Elektronen bei der anschließenden e-Beam Lithografie entladen. - Spin Mantel eine 8 µm Schicht von positiven Photoresist mit Spin speed 4000 u/min und 30 sec mit einem Spin Coater.
- Weich backen die Probe bei 90 ° C für 5 min und richten Sie die Probe mit der Fotomaske für Markierung und setzen die Probe mit UV-Licht für 80 s in der Mask Aligner.
- Einweichen die Probe im Fotolack Entwickler für 130 s.
- Einzahlen ein 2 nm Schicht aus Chrom und einer 40 nm-Schicht aus Gold auf die Probe mit thermischen Verdampfung. 18
- die Probe in Aceton einweichen und legen Sie es in ein Ultraschall sauberer Betrieb bei 43 kHz und 150 W für 5 min für Lift-off
- Anzahlung 40 nm Indium-Zinn-Oxid (ITO) Film auf einem Deckgläschen Dicke 0,17 mm mit Sputtern.
- Herstellung von Nanoplasmonic Array
- Spin Mantel eine Schicht der Elektronenstrahl widerstehen PMMA 120K mit Schleuderdrehzahl 5000 u/min für 30 s auf einem Spin Coater. Backen Sie die Probe bei 160 ° C für 3 min auf einer heißen Platte.
- Spin Mantel eine weitere Schicht von Elektronenstrahl widerstehen PMMA 960K mit Schleuderdrehzahl 5000 u/min für 30 s auf einem Spin Coater. Backen Sie die Probe bei 160 ° C für 3 min auf einer heißen Platte.
- Einsatz Elektronenstrahl Schriftsteller, den e-Beam aussetzen zu widerstehen, mit Beschleunigung Spannung 30 kV und Dosierung 400 C/cm 2.
- Hinterlegen einer 40 nm-Schicht aus Gold in einem thermischen Verdampfer.
- Genießen Sie die Probe in Aceton und legen Sie sie in einem Ultraschallreiniger für 5 min für Lift-off
3. Kühlsystem und seine Temperatur-Kalibrierung Probe
Hinweis: die Probe Kühlung Bühnenbild zeigt sich in ergänzenden Abbildung2.
- Macht der Treiberschaltung für Probe Kühlung
- legen Sie die Widerstände, Transistoren bipolar Junction und macht Metalloxid-Feldeffekttransistoren auf der benutzerdefinierten Platine durch nach dem Schaltplan in ergänzende Abbildung 3 . All diese Komponenten mit Lötkolben Löten.
- Connect-Kabel zwischen den Steueranschluss der Leiterplatte und die elektronische Steuerkarte. Verbinden Sie die Kabel zwischen dem Ausgangs-Port der Leiterplatte und thermoelektrischen Kühlelement (TEC). Platzieren Sie das TEC-Element auf der Probe-Bühne mit Wärme versinken.
Hinweis: die TEC-Element hat ein Loch in der Mitte, um den Laserstrahl zu durchlaufen lassen. - Connect-Kabel von der Platine bis 5 V Stromversorgung. Verwenden die zukunftsweisenden Infrarot-Kamera zur Überwachung der Temperatur zu überprüfen, ob die thermoelektrischen Kühlung richtig abkühlt.
- Kalibrierung der gemessene Temperatur in der zukunftsweisenden Infrarot-Kamera und Widerstand Temperatur-Detektor (RTD) Thermometer.
- Das FTE-Thermometer auf einem leeren Deckgläschen platzieren und eine kleine Menge Wärmeleitpaste auf um sicherzustellen, dass angemessene thermischen Kontakt zwischen den FTE-Thermometer und Deckglas.
- Einstellung der Ausgabe-Leistung von der elektronischen Steuerschaltung TEC Element ändern, indem das Tastverhältnis des Impulsschalter breite Modulation und warten Sie 3 Minuten, um sicherzustellen, dass die Steady-State-Temperatur erreicht ist. Lesen Sie die Temperatur mit der RTD Thermometer.
- Wiederum auf Vorwärts schauende Infrarot-Kamera und Monitor die Temperatur. Wiederholen Sie diesen Vorgang bei verschiedenen Ausgabeeinstellungen macht die Kalibrierung Temperaturkurve zu erhalten. Eine repräsentative Temperatur Kalibrierkurve in ergänzende Abbildung 4 dargestellt ist.
Hinweis: Es ist entscheidend für die Kalibrierung zwischen FTE Thermometer und zukunftsorientierte Infrarot-Kamera zu tun, denn die gemessene Temperatur der zukunftsweisenden Infrarot-Kamera muss genau, um sicherzustellen, die richtige Temperatur erreicht ist.
4. Abfangen von Mikropartikeln
- verdünnt Polystyrol Mikropartikel von Durchmesser 2 µm in entionisiertem Wasser in ein Microcentrifugetube mit richtigen Volumenverhältnis.
Hinweis: Die Konzentration von Mikropartikeln kann gemäß dem Ziel des Experiments angepasst werden. Während niedriger Konzentration einer Probe Zeitintervall zwischen Einzelkorn Trapping Ereignissen ermöglicht, wird höherer Konzentration die Zeit für mehrere Partikel abfangen verkürzen. Für einzelne Partikel abfangen, ist eine typische Konzentration ~0.05% (w/V). - Legen Sie die Probe mit Nanoplasmonic Array auf der Bühne und schalten Sie ein 470 nm LED als Lichtquelle Fluoreszenz und legen Sie manuell die Macht bis 5 mW für Hellfeld Imaging.
- Verwenden die Markierung zu finden das Nanoplasmonic-Array, richten Sie die Probe und die CCD-Kamera um sicherzustellen, dass das Array ist in der Mitte der Region des Interesses auf dem Computerbildschirm.
- Verzichten, 10 µL verdünnter Mikropartikel von Durchmesser 2 µm auf die Probe mit einem Mikro Pipette.
- Schalten Sie die Stromversorgung für die Laserdiode der Wellenlänge 980 nm, begeistern die plasmonische Resonanz des Arrays mit einer Leistung im Bereich von ~ 1 mW bis 10 mW.
- Manuell schalten Sie die Stromversorgung für die elektronische Steuerkarte Abkühlen der Probe auf eine Steady-State Temperatur ~ 4 ° C.
- In die Viewer-Software, klicken Sie auf den " Video aufzeichnen " Sequenz, öffnen Sie das Dialogfeld "Aufnahme". Klicken Sie auf die " Platte " Taste, um die Videoaufnahme 1,5 der Bewegung des Mikro-Partikeln mit einer Bildrate von 10 Bildern/s über die Probe unter dem Einfluss der Laserstrahl mit der CCD-Kamera. Klicken Sie auf die " nicht mehr "-Taste, um die Aufnahme zu beenden. Sehen Sie Video 1.
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Ergebnisse
Einzelkorn Flugbahnen von einer CCD-Kamera in unserem Experiment aufgenommen wurden und die Bilder wurden dann mit einem benutzerdefinierten Programm zum Entpacken von jedes Partikels Flugbahn16verarbeitet. Repräsentative Ergebnisse werden in Abbildung 3 und 1 Video für Mikro-Kugeln mit einem Durchmesser von 2 µm. mehrere Teilchen drumherum innerhalb der optischen Gitter beobachtet wurden. Aufeinanderfolgende Bilder ex...
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Diskussion
Die hier beschriebene Vorgehensweise ermöglicht dem Leser zuverlässig abfangen auf einer täglichen Basis zu reproduzieren. Eine allgemeine empirische Richtlinie, ein nutzbare optische Gitter zu entwerfen ist eine vergleichbare Größe für plasmonische Nanoarray, interdisc Abstand zu verwenden und Partikelgröße gefangen. Im Vergleich zu einem einzelnen, isolierten plasmonische Nanostruktur, verbessert das optische Gitter-Design in Verbindung mit der hohen optischen Leistung durch die Kühlung der Probe auf ~ 4 ° C verwendet ...
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Danksagungen
Y. T. Y. möchte anerkennen, finanzielle Unterstützung vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie unter Grantnummern am 105-2221-E-007-MY3 und an der National Tsing Hua University unter Zuschuss Zahlen 105N518CE1 und 106N518CE1.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Thermoelektrisches Kühlelement | Thorlabs | TEC 1.4-6 | TEC Element zur Probenkühlung |
| RTD-Thermometer | Omega Engineering | RTD-Thermometer 969C | |
| Zukunftsgerichtete Infrarotkamera | FLIR | FLIR One | IR-Kamera für die Temperaturüberwachung |
| Leuchtdioden-Lichtquelle | Touchbright | Lichtquelle für die Beleuchtung von Fluoreszenzbildern | |
| Objektiv mit großem Arbeitsabstand | Olympus | LMPLFLN | Für die Beleuchtung der Probe und die Bildgebung |
| Optisches Fallen-Kit | Thorlabs | OTKB/M | |
| Deckglas | Dicke 0,17 mm | ||
| Rasterelektronenmikroskop | Hitachi | REM-Hitachi S3400N | |
| Elektronenstrahlfräser | DEBEN | PCD Strahlschleifer | Der Stanzer wird dem Rasterelektronenmikroskop hinzugefügt |
| Thermischer Verdampfer | SYSKEY Technology | ||
| Mask Aligner | Karl Süss | MJB 3 | Für die Markerherstellung |
| Elektronenstrahlresist | Sigma Alrich | PMMA 120K | Für die Elektronenstrahllithographie |
| Elektronenstrahlresist | Sigma Alrich | PMMA 960K | Für die Elektronenstrahllithographie |
| Fluoresentmarkierte Polystyrol-Mikrosphären | Polyscience | 2 μm | |
| Durchmesser Bipolartransistor | Mouser | 2N3904 | Menge 2 für TEC-Treiberschaltung |
| Bipolartransistor | Mouser | 2N3906 | Menge 2 für TEC-Treiberschaltung |
| MOSFET-Leistungstransistor | Mouser | IRF5305 | Menge 2 für TEC-Treiberschaltung |
| MOSFET-Leistungstransistor | Mouser | IRF131ON | Menge 2 für TEC-Treiberschaltung |
| 10 kOhm Widerstand | Mouser | Menge 6 für TEC Treiberschaltung | |
| 910 Ohm Widerstand | Mouser | Menge 2 für TEC Treiberschaltung | |
| Photoresist | Microchemicals | AZ4620 | Für die Markerherstellung |
| Aceton | Sigma Alrich | Für die Markerherstellung | |
| Fluoreszenzmodul für die OTKB/M, Metrische Gewinde | Thorlabs | OTKB-FL/ M | |
| Leuchtstofffilter-Set | Thorlabs | MDF-FITC | Für Fluorescein Isothiocyanat (FITC) |
| Ultraschallreiniger | Delta | DC150H | Für die Lift-Off-Stufe |
Referenzen
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