Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Plasmonic fangst og utløsning av nanopartikler i et Monitoring Miljø

Published: April 4, 2017 doi: 10.3791/55258
Automatic Translation
1, 2
1Division of Scientific Instrumentation, Korea Basic Science Institute (KBSI), 2School of Mechanical Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

Summary

En mikrobrikke fabrikasjonsprosess som inkorporerer Plasmonic pinsett er presentert her. Den mikrobrikke muliggjør avbildning av en fanget partikkel for å måle maksimal overlapping krefter.

Abstract

Plasmonic pinsett bruke overflate plasmon polaritons å begrense polarnanoskala stedene. Blant de forskjellige utførelser av Plasmonic pinsett, kan bare noen få observere immobiliserte partikler. Videre er et begrenset antall studier har eksperimentelt målt exertable krefter på partiklene. Konstruksjonene kan bli klassifisert som den utstående nanodisk typen eller den undertrykte nanohole typen. For sistnevnte er mikroskopisk observasjon ekstremt utfordrende. I dette papiret, er en ny plasmonic pinsett systemet innført for å overvåke partikler, både i retninger parallelle og ortogonale til den symmetriske akse av en plasmonic nanohole struktur. Dette trekk gjør det mulig å observere bevegelsen av hver partikkel nær kanten av nanohole. Videre kan vi kvantitativt beregne maksimal fangst krefter ved hjelp av en ny fluidic kanal.

Introduction

Evnen til å manipulere mikroskala objekter er en uunnværlig egenskap for mange mikro / nano eksperimenter. Direkte kontakt manipulasjoner kan skade de manipulerte stedene. Frigjøring av tidligere hatt objektene er også utfordrende på grunn av stiksjonsproblemer. For å overvinne disse problemene, flere indirekte metoder ved hjelp av fluidisk 1, 2 elektrisk, magnetisk 3, eller fotoniske krefter 4, 5, 6, 7, 8 er blitt foreslått. Plasmonic pinsett som bruker fotoniske krefter er basert på fysikken av ekstraordinære feltøkning flere ordrer som er større enn den innfallende intensitet 9. Denne ekstremt sterkt felt ekstrautstyr gjør det mulig for fangst av ekstremt små nanopartikler. For eksempel har det vist seg å immobilisere og manipulere nanoskalagjenstander, for eksempel polystyren-partikler 7, 10, 11, 12, 13, 14, polymerkjeder 15, proteiner 16, kvanteprikker 17, og DNA-molekyler 8, 18. Uten Plasmonic pinsett, er det vanskelig å fange nanopartikler fordi de raskt forsvinne før de er effektivt undersøkt eller fordi de er skadet på grunn av den høye intensiteten av laser.

Mange Plasmonic studier har brukt ulike nanoskala gull strukturer. Vi kan kategorisere gull strukturer som stikker ut nanodisk typene 12, 13, 14, 15, 19 20, 21 eller undertrykt nanohole typer 7, 8, 10, 11, 22, 23. Når det gjelder avbildning bekvemmelighet, er nanodisk typer er mer egnet enn de nanohole typer fordi, for det sistnevnte, kan de gull substratene hindre observasjons visningen. Videre plasmonic fangst skjer nær plasmonic struktur og gjør observasjonen enda mer utfordrende. Så langt vi kjenner til, ble plasmonic fangst på nanohole typer kun bekreftet ved hjelp av indirekte spredning signaler. Men ingen vellykkede direkte observasjoner, for eksempel mikroskopiske bilder, har blitt rapportert. Noen få studier har beskrevet stilling fanget partikler. Et slikt resultat ble presentert av Wang et al. De skapte en gull søyle på en gull substrat og observerte pArtikkelen bevegelse ved hjelp av et fluorescensmikroskop 24. Dette er imidlertid kun effektiv for overvåking av sidebevegelser ikke i retningen parallelt med bjelkens akse.

I denne artikkelen presenterer vi nye fluidic mikrobrikke design og fabrikasjon prosedyrer. Ved hjelp av denne chip, demonstrerer vi overvåking av plasmonically fangede partikler, både i retninger parallelle og ortogonale til den plasmonic nanostrukturen. Videre har vi måle den maksimale kraft av den immobiliserte partikler ved å øke fluidhastigheten for å finne den tipping hastighet i mikrobrikke. Denne studien er unik fordi de fleste studier på Plasmonic pinsett ikke kan kvantitativt vise maksimal fangst krefter brukes i deres eksperimentelle oppsett.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsiktig: Se alle relevante HMS-forskrifter før bruk. Flere av de kjemikalier som brukes i produksjon av mikro er akutt giftige og kreftfremkallende. Vennligst bruk alle nødvendige sikkerhetsrutiner når du utfører fotolitografi og etsing prosesser, herunder bruk av tekniske kontroller (avtrekksskap, kokeplate, og aligner) og personlig verneutstyr (vernebriller, hansker, frakk, full-lengde bukser, og lukket -toe sko).

1. Fremstilling av et slikt PDMS Mikro

  1. Fabrikasjon av mikrokanal formen ved photolithograph prosess
    1. Fullstendig å fjerne fremmede stoffer på 4 tommer Si skivens overflate med piranha rense (Figur 1a). Bland svovelsyre (H 2 SO 4) og hydrogenperoksid (H 2 O 2) ved et forhold på 3: 1 for å gjøre det piraja løsningen i fatet. Bland ved gradvis å tilsette små mengder av den sterke syre (H 2 O 2SO 4); snu denne rekkefølge kan føre til en eksplosjon på grunn av den svært reaktive sterk syre.
    2. Dypp platen i den piraja oppløsningen i 10 minutter. Deretter senkes platen i deionisert (DI) vann i 3 minutter for å fjerne det gjenværende piraja løsning. Skyll wafer med rennende avionisert vann i 10 s. Gjenta fremgangsmåten skylling 3 ganger og tørk med N2 gass for å fjerne den gjenværende DI.
    3. Plassere skiven på en varm plate i 20 minutter ved 180 ° C for ytterligere å dehydratisere skiven.
    4. Hell 5 ml av det negative fotoresist på toppen av skiven og spinn frakk i 45 s ved 1500 rpm (Figur 1b); etter spinnavsetning, blir en fotoresist vulst dannet ved den kant av skiven på grunn av den relativt høye viskositeten av fotoresist.
    5. Balansere fotoresist-belagt skive ved planarisering på en utjevning stativ i 5 timer.
    6. Plasser fotoresist-belagt skive på en varm plate i 12 minutter ved 65° C, 35 min ved 95 ° C, og 12 min ved 65 ° C (moderat brenning).
    7. Feste filmen masken på maske holderen, og soft-bakt kjeks på underlaget stadium av aligner. Utsettes for ultrafiolett lys (UV) i 43 s ved 650 mJ / cm 2 for å størkne fotoresisten.
    8. Plassere skiven på den varme platen i 5 minutter ved 65 ° C, 15 min ved 95 ° C og 5 minutter ved 65 ° C (etter eksponering baking).
    9. Dypp platen i fotoresisten fremkaller i 30 min for å fjerne ustørknet fotoresist.
    10. Skyll wafer med isopropylalkohol (IPA) og tørk med N2 gass for å fjerne den gjenværende IPA.
  2. Produksjon av PDMS microchannel
    1. Behandle overflaten av skiven og fotoresisten formen i 1 minutt ved en effekt på 200 W ved bruk av en atmosfærisk plasma maskin 25; gassen strømmer av CH4 og han skal være 6 og 30 SCCM, respektivt. Utføre denne hydrofobe behandling for å lett ta den av POLYDimethylsiloxane (PDMS) mikrokanal fra overflaten av skiven og fotoresist støpeform (figur 1c).
    2. Klargjør PDMS løsning ved å blande PDMS base og herder i et forhold på 10: 1. Omrør blandingen i 2 min.
    3. Plasser skiven inne i en Petri-skål (150 mm x 15 mm) og tilsett 100 ml av PDMS løsning. Fjern bobler som ble opprettet fra røring ved hjelp av et tørkeapparat.
    4. Sett petriskål i ovnen i 2 timer ved 80 ° C for å størkne den PDMS-oppløsning (figur 1 d og h).
    5. Skjær langs konturene av PDMS mikrokanal med et barberblad, og løsne den fra skiven; Den fremstilte PDMS mikrokanal skal ha følgende dimensjoner: 13 mm long, 300 mikrometer brede, og 150 um høy (figur 1 e, f og i).
      MERK: To typer av hull er produsert av et micropuncture å sette enkeltmodusfiber (SMF) kabel og rørene (fjord ennd utløp) på PDMS mikrokanal (figur 1 g). SMF kabelen blir brukt til å sende ut laserstrålen til nanohole freses på gull plate. Røret brukes for å sette inn / trekke partikkelen løsning til / fra mikrokanal PDMS.
    6. Punktering 1,5 mm innløps- og utløpshull ved hver ende av PDMS mikrokanal. Punktere en 0,3-mm SMF kabelen hullet i sentrum av PDMS mikrokanal.

2. etseprosess av Gold Plate

  1. En alminnelig gull plate med dimensjonene 25 x 6,25 mm 2 (figur 2a).
  2. Fjern eventuelle fremmedlegemer på gull plate med følgende rengjøringsprosedyrer. Ren i følgende rekkefølge ved neddykking i aceton, metanol og avionisert vann i 5 minutter hver.
  3. Skyll gull plate 3 ganger med avionisert vann i 10 s og tørk platen med N2 gass for å fjerne det gjenværende DI-vann.
  4. Plasser gull plate på en varm plate for20 minutter ved 180 ° C for fullstendig å fjerne eventuell gjenværende fuktighet.
  5. Hell 0,5 ml heksametyldisilazan (HMDS) på gullplate og spinner frakk i 40 s ved 3000 rpm.
  6. Hell 0,5 ml positiv fotoresist på toppen av spin-belagte HMDS og sentrifuge frakk i 40 s ved 3000 rpm (figur 2b).
  7. Plasser den fotoresist belagte gull plate på kokeplate i 90 s ved 110 ° C (moderat brenning).
  8. Feste filmen masken på glasskive og plassere den myke bakt gull plate på substratet scenen. Utsettes for UV-lys i 4,5 sekunder ved 64 mJ / cm 2 for å oppløse fotoresisten.
  9. Dypp gull plate i fotoresisten utvikler i 1 min for å fjerne det oppløste fotoresist (figur 2c). Skyll gull plate med DI vann og tørk med N2 gass.
  10. Dypp gull plate i den Au etsemiddel i 45 s ved en etsehastighet på 28 Å / s for å fjerne den eksponerte Au (figur 2d). Skyll gull plate med DI water og tørk med N2 gass.
  11. Dypp gull plate i Ti etsemiddel i 5 s ved en etsehastighet på 25 A / s for å fjerne den eksponerte Ti (figur 2e). Skyll gull plate med DI vann og tørk med N2 gass.
  12. Fjern det gjenværende fotoresist på gullplate ved å dyppe den i aceton, metanol og avionisert vann i 3 minutter hver (figur 2f); fordype platen i skriftlig bestilling.
  13. Skyll gull plate 3 ganger med avionisert vann i 10 s. Tørr med N2 gass for å fjerne den DI-vann.
  14. Plasser gull plate på kokeplate i 3 minutter ved 120 ° C for fullstendig å fjerne fuktighet; den produserte gull-blokken bør være 400 x 150 mikrometer 2 (figur 2 H).
  15. Mølle et 400 nm nanohole ved hjelp av en fokusert stråle ion (FIB) ved midten av gull blokken, som ble fremstilt etter etsing (figurene 2g og i). Lag en 370-nm sirkel mønster å fokusere på gull blflokk med et ion akselererende spenning på 30 kV ved 28 Pa i 3 sek.

3. Montering av Microchip

  1. Behandle de to overflater av PDMS mikrokanal og gull plate i 1 min med O 2 plasmaet for å feste dem sammen med et plasmasystem ved en effekt på 80 W, og et trykk på 825 mTorr 25.
    MERK: Det er spesielt vanskelig å feste dem med presisjon fordi gullet blokk og PDMS microchannel er på mikrometer nivå. Derfor bruker en aligner med et kamera og en manuell scenen.
  2. Fest glasskive som brukes til å feste filmen masken på maske innehaveren av aligner (figur 3a).
  3. Fest O 2-Plasma-behandlede PDMS mikrokanal til glasskive; fordi PDMS er hydrofile, blir det lett å feste til den glasskive uten adhesjon løsning. Fiksere gullet platen på underlaget stadium av aligner (figur 3a).
  4. Finn sentrene av the SMF kabelhullet og gull blokk, som er innrettet på den samme akse, ved hjelp av kameraet på aligner. Løft manuelle trinn til å kombinere de to deler (figurene 3B og C).

4. Forbedring av Microchip Side overflateruheten av PDMS Coating

MERK: gull plate med faste dimensjoner på 400 x 150 mikrometer 2 er forholdsvis vanskelig å skjære ut enn den PDMS materiale. Derfor, for å løsne PDMS mikro fra skiven, er et barberblad som brukes til å skjære ut et større stykke enn gull plate. Etter kombinasjon av de to delene, må de overskytende deler av PDMS i forhold til gull plate så kuttes slik at innsiden av kanalen kan observeres fra siden ved hjelp av et mikroskop (figur 4a). Imidlertid snittflaten, som brukes som et vindu, har en høy overflateruhet og følgelig frembringer overskyet bilder av partiklene som strømmer i kanalen (figur4b). Belegg med PDMS løsning utføres på nytt for å løse dette problemet.

  1. Klargjør PDMS løsning ved å blande PDMS base og herder ved et 10: 1 forhold og omrørt i 2 min.
  2. Hell 2 ml av PDMS løsningen i petriskålen og utføre spinnavsetning i 30 sekunder ved 1000 rpm (figur 4c).
  3. Plasser mikrobrikke overflate som kommer til å bli plassert på mikroskopet på petriskål (figur 4d). Sett petriskål i ovnen i 1 time ved 80 ° C for å størkne den PDMS løsning.
  4. Skjær grensen av mikrochip og PDMS ved hjelp av et barberblad, og deretter løsne den fra petriskålen (figur 4e, f).

5. Laser Kobling til Sett SMF kabelen til Microchip

NB: For det plasmonic pinsetten system, er en optisk fiber hendelse laser med en bølgelengde 1064 nm benyttes. SMF kabelen blir brukt fordi diameteren av incident laser (5 mm) er også enorm for å avgi laserstråle ved nanohole freses på gullblokken (400 x 150 mikrometer 2) i det mikrochipen. Den kappediameter av SMF kabelen er 125 pm. Således må den innfallende laser og SMF kabelen skal kobles.

  1. Koble et 40X objektiv til mikroskopobjektivfestet på SMF kobleren. Fest SMF kabelen på fiberklemmen på SMF kobleren. Juster den innfallende laserstråle for å fylle inn bak åpningen av objektivlinsen.
  2. Fokusere laserstrålen til kjernen av SMF kabelen ved omstilling av tre-akse manuelle trinn er forsynt på den SMF kobleren.
  3. Motsatte ende av den SMF kabelen inn i SMF kabelen hullet av mikrochip. Mål lasereffekt forut for innføringen ved kanten av fiberkabelen, fordi den faste fiberkabel ved mikrobrikke ikke kan tas av.
  4. Forsegl SMF kabelen hullet ved hjelp av epoksylim for å blokkere lekkasje av det strømmende partikkel løsning fra spalten mellom SMF husetle hull (300 um), og kledning av SMF kabelen (125 pm); enden av fiberkabelen innført bør ikke gå inn mikrokanal for å unngå fluidstrømmen. justere manuelt fiberkabelen ved hjelp av visuell tilbakemelding, slik at det er vinkelrett på gull blokken som er vert for nanohole.

6. Plasmonic Overlapping av enkel Fluorescent Polystyrene Partikkel i Micro

  1. Fest sprøyten, som er fylt med partikkel løsning, for å sprøyte en mikropumpe. Sett dekselet glass på prøven stadium av fluorescerende mikroskop. Koble rørene til innløp / utløpshullene på mikrobrikken. Plasser PDMS-belagt microchip overflate på toppen av dekselet glass.
  2. Plasser mikrobrikke vinkelrett på 60X nedsenking i vann objektivlinsen ved å observere det indre av kanalen med kamera montert på det fluorescerende mikroskop. Bruk gjennomsiktig tape for å feste microchip på plass. Koble innløpsrøret av mikrochip med sprøyten neEdle.
  3. Sett partikkel løsning til mikrobrikken ved å regulere miniatyrpumpe ved 20 um / s. I dette øyeblikk, bekrefter at den fluorescerende partikler kan observeres også i kanalen når lysrørene er slått på.
  4. Vent inntil partikkel oppløsningen kommer ut fra utløpet av mikrochip. Sette hastigheten til 3,4 mikrometer / s.
  5. Snu laserkilden anordningen slik at den avgir laser inn i nanohole; det fluorescerende partikkel vil bli fanget ved kanten av nanohole.
  6. Rampe fluidhastigheten i trinn på 0,4 um / s ved styring av miniatyrpumpe inntil de fangede partikler unnslipper. Måle fluidhastighet når de fangede partikler unnslippe. Oppnå maksimal fangst kraft for hver laserintensiteten ved hjelp av den målte fluidhastighet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Fremstillingsprosessen av PDMS mikro og nanohole gullplate er vist i figurene 1 og 2. Fremgangsmåten for å kombinere de to deler og selve mikrobrikke er vist i figur 3. PDMS ble skåret for å vise innsiden av kanalen fra den side av mikrochip. Det var imidlertid vanskelig å observere at partiklene som strømmer i kanalen på grunn av overflateujevnheter av skjæringsplanet. Derfor introduserte vi PDMS belegget metode for å løse dette problemet, som vist i figur 4.

Vi har observert 5-um, som strømmer polystyrenpartiklene i den mikrobrikke for å bekrefte effekten av PDMS belegget. Figur 5 viser selve fremstille mikrobrikke og partikler observert i mikrobrikke ved bruk av mikroskop. Figur 5a og c er det før og etter appearaNCE av microchip. Figur 5b og d er det forstørrede overflater av hver. Figur 5e viser uklare partikler strømmer, mens Figur 5f viser at kantene av partiklene er særlig tydelig, og at bevegelsene kan overvåkes. Som ovenfor, er det PDMS belegg av mikrochip overflate vesentlig for overvåkningen av fangede partikler.

Figur 6 viser den 100-nm polystyren-partikkelomgår plasmonic optisk oppfanging av plasmonic pinsetten system. En SMF kabelen med en 0,14 numeriske apertur (NA) ble anvendt. Et rør ble satt inn ved innløpet / utløpet hull av mikrochip-kanalen. Pumpe ble brukt til å sette inn og samle 100 nm fluoriserende polystyren-partikkel løsning. For å understreke det indre utseende av det innfangede partikkelen ved plasmonic fenomen, har de stiplede delene av figur 6a er utvidet som en innsats,

Figur 7 viser på hverandre følgende bilder hvor et 100 nm fluorescerende polystyren partikkel som strømmet i mikrokanal ble fanget og frigjøres ved nanohole ved intensitet på 0,42 mW / um 2. Partiklene tilført med en konstant hastighet på 3,4 um / s i fluid retning, som vist i figur 7a. Etter at laseren var slått på, ble en av partiklene fanget på nanohole, som vist i figur 7b. Tvert imot, en annen partikkel strømmet inn i strømmen, som vist i figur 7c. Deretter ble strømningshastigheten øket inntil innfanget partikkel unnslapp. Figur 7d viser partikkel rømmer fra fellen. På dette tidspunktet kan vi estimere fangst kraft med direkte observasjon ved å måle hastigheten væske når partikkel rømt. Vi har også jobbet i motsatt retning. I stedet for å øke fluidhastigheten, vi gradvis redusert lasereffekten i minskninger på 1 mW og registreres intensiteten når partikkel unnslapp. Denne laseren intensitet er definert som den minimale overlapping laserintensitet, og ble målt til å være 0,24 mW / um 2.

Figur 1
Figur 1. Fremstilling av et slikt PDMS mikrokanal. (A) Fremstilling av Si wafer. (B) fotoresist spinnbelegging av skiven. (C) Fremstille mikro formen ved fotolitografisk prosess. (D) PDMS størkning ved anvendelse av en ovn etter støping PDMS løsning på skiven. (e) PDMS mikro skjæring. (F) PDMS mikro løsgjøring fra skiven. (G) innløp / utløp og SMF kabelhull punktert på PDMS mikrokanalen. (H) Faktisk størknet PDMS på skiven. (I) De faktiske frittliggende PDMS mikrokanal. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Fremstilling av et slikt nanohole på gull platen etter etseprosessen. (A) Avsetning av Au og Ti på glasset. (B) fotoresist spinnavsetning av gull plate. (C) Oppløst fotoresist fjerning etter UV-lyseksponering. (D) Au etsing. (E) Ti etsing. (F) gjenværende fotoresist re frakobling. (G) Nanohole fresing av en fokusert ionestråle på gull blokken. (H) Faktisk fabrikert gull blokken. (I) Den faktiske frest nanohole på gull blokken. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Sammenstilling prosess av mikrochip. (A) Løs PDMS mikrokanal og gull plate på masken holderen og substratet trinn, henholdsvis, som er utstyrt på den aligner. (B) kombinasjon av PDMS mikrokanaldelen og gull plate etter overflatebehandling med O to plasma. (C, d) Sammensatte mikrobrikke etter kombinasjon. (E) fjerning av overskytende mengde av den PDMS mikrokanal.ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Prosess av overflateruhet forbedring av PDMS belegg. (A) fjerne overskytende mengde ved hjelp av et barberblad etter kombinasjon av de to delene. (B) høy overflateruhet av mikrochip etter skjæring. (C) PDMS løsning spinnbelegging i en petriskål. (D) å dyppe den vindusflate av mikrochip inn i spinnbelagt PDMS løsning. (E) PDMS-belagte mikrobrikke løsgjøring fra Petri-skålen. (F) Forbedring av overflateruhet av PDMS belegg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Figur 5. Montert mikrobrikke og observasjon av 5-um polystyrenpartiklene i mikrokanal før og etter PDMS belegg. (A, b) Microchip før PDMS belegg og forstørret visning. (C, d) Microchip etter PDMS belegg og forstørret visning. (E, f) observasjon av partikler i mikrokanalen før og etter PDMS belegg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Designet plasmonic pinsetten system. (A) Skjematisk av plasmonic pinsetten system. (b Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Overlapping og frigjøring av en 100 nm fluoriserende polystyren partikkel i mikrokanal. (A) mikrokanal med en partikkel som strømmer inn i strømmen. (B, c) Fanget partikkel av nanohole forhold til en annen partikkel. (D) Partikkel som unnslapp fra fellen på grunn av den økte fluidkraft. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SMF kabelen ble innsatt i SMF kabelen hullet på mikrobrikke, som vist i den rektangulære dot i figur 6a. På grunn av at SMF kabelen hullet er større enn kabelens diameter, ble epoksylim benyttes for å tette spalten for å blokkere lekkasje av det strømmende partikkel løsning. Før påføring av epoksylim, bør det gull blokken og kabel kant være koaksialt innrettet for hånd ved hjelp av et mikroskop. Selv om det er ideell for kabelen kant satt inn og nanohole å være koaksialt innrettet, kan en liten skjevhet tolereres fordi laserstrålen divergerer når den kommer ut fra enden av 0,14 NA SMF kabelen kant, og strålen virker en mye større region. På grunn av at mikrobrikke var konfigurert til å være vinkelrett på den optiske akse av mikroskopet, kunne vi ikke direkte observere plasseringen av nanohole. Plasseringen av nanohole bare kan indirekte bestemmes ved å observere plasseringen av plasmonically fanget partikkel av nanohole. ENOppløsningen kan tilveiebringes ved å montere et kamera på fiberkabelen, og bruke den til å overvåke gull blokken.

De karakteristiske trekk ved mikrobrikke er dens evne til å overvåke partikkelbevegelse nær plasmonic nanohole i sanntid. Bevegelsen av partikkelen følger scenariet som er beskrevet nedenfor. Når væsken strømmer partiklene fremover, enkelte partikler beveger seg mot gull blokken. I noen tilfeller blir en partikkel særlig nær kanten av nanohole på grunn av tiltrekning til nanohole og til slutt blir immobilisert. På dette tidspunkt var den optiske kraft som utøves på partikkeloverskrider fluidkraft. Deretter unnslipper den immobiliserte partikler fra nanohole felgen når fluidhastigheten øker; således blir fluidkraften sterkere enn den optiske styrke. Den maksimale overlapping kraft kan måles fra denne terminal fluidhastighet. Imidlertid kan den konvensjonelle drag-kraften ligning ikke brukes fordi partikkelen er i fysisk kontakt med den ggamle veggen på nanohole. For å vurdere den flate effekten av gull vegg, anvendte vi finite-elementmetoden, som tar hensyn til fluidbevegelse i nærheten av overflaten, og det oppnås fluidkraft.

Vi har innført en ny plasmonic pinsett oppsett som muliggjør overvåking av partikkeldynamikken langs laserstrålens akse. I motsetning til dette har tidligere undersøkelser bare innført partikkelbevegelse i planet vinkelrett på laserstråleakse, slik som med den nanoblock 12, nanodisk 13, 14, 19, 21, nanostick 20, og nanopyramid 18. Videre, i tilfelle av nanohole typer, innfanging kan bare sett ved å overvåke den spredende signal, og ikke ved visuell overvåking 10, 11, 23. Derimot,vi kunne ikke måle nøyaktig partikkel-posisjon på grunn av de begrensede muligheter for nåværende avbildningsteknikker. Avbildnings kvaliteten skal bli ytterligere forbedret for å bekrefte nøyaktig forskyvningsmålinger. Denne teknikken kan brukes i den karakteriseringen og biosensing av et enkelt molekyl.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeid ble støttet av IKT R & D program av MSIP / IITP (R0190-15-2040, Utvikling av et innhold konfigurasjon styringssystem og en simulator for 3D-utskrift ved hjelp av smarte materialer).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Crane, N. B., Onen, O., Carballo, J., Ni, Q., Guldiken, R. Fluidic assembly at the microscale: progress and prospects. Microfluid. Nanofluid. 14 (3), 383-419 (2013).
  2. Yao, B., Luo, G. A., Feng, X., Wang, W., Chen, L. X., Wang, Y. M. A microfluidic device based on gravity and electric force driving for flow cytometry and fluorescence activated cell sorting. Lab Chip. 4 (6), 603-607 (2004).
  3. Zhang, K., et al. On-chip manipulation of continuous picoliter-volume superparamagnetic droplets using a magnetic force. Lab Chip. 9 (20), 2992-2999 (2009).
  4. Park, I. Y., Sung, S. Y., Lee, J. H., Lee, Y. G. Manufacturing micro-scale structures by an optical tweezers system controlled by five finger tips. J. Micromech. Microeng. 17, N82-N89 (2007).
  5. Kim, J. D., Hwang, S. U., Lee, Y. G. Traceable assembly of microparts using optical tweezers. J. Micromech. Microeng. 22, 105003 (2012).
  6. Kim, J. D., Lee, Y. G. Construction and actuation of a microscopic gear assembly formed using optical tweezers. J. Micromech. Microeng. 23, 065010 (2013).
  7. Kim, J. D., Choi, J. H., Lee, Y. G. A measurement of the maximal forces in plasmonic tweezers. Nanotechnology. 26 (42), 425203 (2015).
  8. Kim, J. D., Lee, Y. G. Trapping of a single DNA molecule using nanoplasmonic structures for biosensor applications. Biomed. Opt. Express. 5 (8), 2471-2480 (2014).
  9. Quidant, R. Plasmonic tweezers - the strength of surface plasmons. MRS Bull. 37 (8), 739-744 (2012).
  10. Juan, M. L., Gordon, R., Pang, Y., Eftekhari, F., Quidant, R. Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles. Nat. Phys. 5, 915-919 (2009).
  11. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 11 (9), 3763-3767 (2011).
  12. Tanaka, Y., Kaneda, S., Sasaki, K. Nanostructured potential of optical trapping using a plasmonic nanoblock pair. Nano Lett. 13 (5), 2146-2150 (2013).
  13. Kang, J. H., et al. Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas. Nat. Commun. 2, 582 (2011).
  14. Roxworthy, B. J., et al. Application of plasmonic bowtie nanoantenna arrays for optical trapping, stacking, and sorting. Nano Lett. 12 (2), 796-801 (2012).
  15. Shoji, T., Tsuboi, Y. Plasmonic optical tweezers toward molecular manipulation: tailoring plasmonic nanostructure, light source, and resonant trapping. J. Phys. Chem. Lett. 5 (17), 2957-2967 (2014).
  16. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of a single protein. Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).
  17. Tsuboi, Y., et al. Optical trapping of quantum dots based on gap-mode-excitation of localized surface plasmon. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2327-2333 (2010).
  18. Shoji, T., et al. Permanent fixing or reversible trapping and release of DNA micropatterns on a gold nanostructure using continuous-wave or femtosecond-pulsed near-infrared laser light. J. Am. Chem. Soc. 135 (17), 6643-6648 (2013).
  19. Grigrenko, A. N., Roberts, N. W., Dickson, M. R., Zhang, Y. Nanometric optical tweezers based on nanostructured substrates. Nat. Photonics. 2, 365-370 (2008).
  20. Righini, M., et al. Nano-optical trapping of rayleigh particles and escherichia coli bacteria with resonant optical antennas. Nano Lett. 9 (10), 3387-3391 (2009).
  21. Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13 (9), 4118-4122 (2013).
  22. Berthelot, J., et al. Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers. Nat. Nanotechnol. 9 (4), 295-299 (2014).
  23. Chen, C., et al. Enhanced optical trapping and arrangement of nano-objects in a plasmonic nanocavity. Nano Lett. 12 (1), 125-132 (2011).
  24. Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. Trapping and rotating nanoparticles using a plasmonic nano-tweezer with an integrated heat sink. Nat. Commun. 2, 469 (2011).
  25. Byun, D., Cho, S. J., Kim, S. Fabrication of a flexible penetrating microelectrode array for use on curved surfaces of neural tissues. J. Micromech. Microeng. 23, 125010 (2013).

Tags

Engineering plasmonics Plasmonic pinsett optisk fangst optiske styrker MicroFluidics nanohole immobilisering av nanopartikler
Plasmonic fangst og utløsning av nanopartikler i et Monitoring Miljø
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, J. D., Lee, Y. G. Plasmonic… More

Kim, J. D., Lee, Y. G. Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment. J. Vis. Exp. (122), e55258, doi:10.3791/55258 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter