Se describe un procedimiento para atrapar ópticamente micro-partículas en enrejado óptico nanoplasmonic.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
Captura de partículas Micro en enrejado óptico Nanoplasmonic
En este artículo
Resumen
Resumen
La plasmónica pinzas ópticas ha sido desarrollado para superar los límites de la difracción de las pinzas ópticas convencionales de campo lejano. Plasmónica enrejado óptico consiste en una matriz de nanoestructuras, que exhiben una variedad de captura y transporte de comportamientos. Nos informe los procedimientos experimentales para atrapar micro-partículas en un enrejado óptico simple nanoplasmonic cuadrados. También describimos la configuración óptica y la nanofabricación de una matriz de nanoplasmonic. El potencial óptico se crea mediante la iluminación de una matriz de nanodiscs de oro con un haz gaussiano de longitud de onda de 980 nm y emocionante resonancia de plasmón. El movimiento de las partículas es supervisado por la proyección de imagen de la fluorescencia. También se describe un plan para suprimir la convección fototérmica para aumentar la potencia óptica utilizable para la captura óptima. Supresión de la convección se logra enfriamiento de la muestra a baja temperatura y utilizando el coeficiente de expansión térmica cercano a cero de un medio de agua. Transporte de partículas individuales y múltiples trampas de partículas se divulgan aquí.
Introducción
La captura óptica de partículas a escala micro fue desarrollada originalmente por Arthur Askin en la década de 1970. Desde su invención, la técnica se ha desarrollado como una herramienta versátil para el micro y nanomanipulación1,2. Convencionales óptico captura basándose en el campo lejano enfoque principio intrínsecamente limitada por la difracción en su confinamiento espacial, en donde la fuerza de captura disminuye dramáticamente (siguiente un ~unaley3 para una partícula de radio un) 3. para superar esos límites de difracción, los investigadores han desarrollado técnicas de captura óptica de campo cercano del campo evanescente óptico utilizando nanoestructuras plasmónica de metálico y, además, la captura de nanoescala objetos a las moléculas de proteína solo ha sido demostrada4,5,6,7,8,9,10,11. Por otra parte, la red óptica plasmónica nace de matrices de nanoestructuras plasmónica periódica para transporte de largo alcance de micro - y nanopartículas y múltiples partículas apilamiento11,12. Un obstáculo importante para interrumpir la captura en un enrejado óptico es convección fototérmica y se han hecho esfuerzos para aclarar sus efectos por varios grupos14,15,16,17. Usando la función de Green, Baffou et al. calcular un perfil de temperatura modelando cada nanoestructuras plasmónica como un calentador de punto y luego validado experimentalmente su modelo14. Grupo de Toussant también ha medido la convección inducida por plasmones con partícula velocimetry15. Grupo del autor ha caracterizado transporte cerca campo y convencionales y demuestra una estrategia de ingeniería para suprimir la convección de fototérmica16,17.
Aquí presentamos el diseño de una configuración óptica y un procedimiento detallado específicamente para experimentos de captura con red óptica plasmónica. El potencial óptico fue creado mediante la iluminación de una matriz de nanodiscs de oro con un haz gaussiano enfocado libremente. Un plan para suprimir la convección fototérmica de enfriar la muestra a una temperatura baja (~ 4 ° C) para la captura óptima es también describir aquí17. En aproximación de Boussinesq, da una estimación de orden de la magnitud de la velocidad de convección natural u por u ~L2 gβΔT / v, donde L es la escala de longitud de la fuente de calor y Δ T es el aumento de la temperatura en relación con la referencia debido a la calefacción. g y β son la aceleración de la gravedad y el coeficiente de expansión térmica, respectivamente. En las temperaturas cerca de 4 ° C, la densidad del medio agua exhibe dependencia anómala de la temperatura y esto se traduce en un coeficiente de expansión térmica cercano a cero y, por tanto, una convección fototérmica vanishingly pequeñas.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Protocolo
1. configuración óptica
Nota: el principio de la óptica configuración se ilustra en la figura 1.
Kit de pinzas de- conjunto a la óptica (véase la Tabla de materiales) y el módulo de fluorescencia (véase Tabla de materiales) según sus manuales. Fuente 470 nm azul luz emite luz de diodo (LED) se conectan al módulo fluorescente.
- Reemplazar la alta apertura numérica (NA) (NA = 1.25, aumento 100 x) objetivo de microscopio (WD) de la distancia del objetivo de inmersión de aceite por un trabajo largo (longitud focal 3.6mm, WD = 10,6 mm, NA = 0.5).
- Quitar la lente en la sección de expansión de la viga del kit montado para conseguir sueltos enfocar el rayo láser.
- Vuelta en la alimentación y la corriente para el laser de diodo de longitud de onda 980 nm y uso la cargada junto cámara de dispositivo (CCD) para asegurarse de que el rayo láser esté correctamente alineado.
Nota: Si el rayo láser está bien alineado, la cámara mostrará un punto gaussiano.
2. Nanofabricación
- marcador fabricación.
Nota: Los marcadores ayudarán a colocar la matriz de nanoplasmonic durante el proceso de la fabricación y posterior captura experimento. El proceso detallado se ilustra en la figura 1 complementaria.- Película de óxido de estaño (ITO) de indio depósito 40 nm en un cubreobjetos de espesor 0,17 mm con farfulla.
Nota: La película de ITO ayuda descarga electrones durante el proceso de litografía subsecuente la viga e. - Vuelta capa una capa de 8 μm de photoresist positivo con giro velocidad 4000 rpm y tiempo 30 s con un recubridor spin.
- Suave cuece al horno la muestra a 90 ° C por 5 min y alinee la muestra con el photomask para marcador y exponer la muestra a la luz de 80 UV s en el alineador máscara.
- Tomar la muestra en el revelador del photoresist para 130 s.
- Depositar una capa de 2 nm de cromo y una capa de nm 40 de oro en la muestra usando la evaporación térmica. 18
- tomar la muestra en acetona y colóquelo en un limpiador ultrasónico de funcionamiento 43 kHz y 150 W durante 5 min para lift off
- Película de óxido de estaño (ITO) de indio depósito 40 nm en un cubreobjetos de espesor 0,17 mm con farfulla.
- Fabricación de matriz Nanoplasmonic
- capa de vuelta una capa de la viga e resistir PMMA 120K con velocidad 5000 rpm durante 30 s en un recubridor spin. Cueza al horno la muestra a 160 ° C por 3 min sobre una placa caliente.
- Vuelta capa otra capa de resistir e-beam PMMA 960K con velocidad 5000 rpm durante 30 s en un recubridor spin. Cueza al horno la muestra a 160 ° C por 3 min sobre una placa caliente.
- Escritor de uso e-beam para exponer la viga e resistir con aceleración tensión de 30 kV y dosis 400 C/cm 2.
- Depositar una capa de nm 40 de oro en un evaporador térmico.
- Tomar la muestra en acetona y colóquelo en un limpiador ultrasónico durante 5 minutos para lift off
3. Sistema de enfriamiento y su calibración de la temperatura de la muestra
Nota: la muestra diseño de la etapa de enfriamiento se muestra en la figura 2 complementaria.
- Haciendo el circuito driver para muestra enfriamiento
- resistencias, transistores de ensambladura bipolar los transistores de efecto de campo poder óxido de metal en el circuito personalizado siguiendo el diagrama del circuito en suplementario Figura 3 . Todos estos componentes con soldador de la soldadura.
- Los cables de conexión entre el puerto de control del tablero del circuito y el tablero de control electrónico. Conecte los cables entre el puerto de salida de los circuitos y refrigeración termoeléctrica del elemento (TEC). Coloque el elemento de la TEC en el escenario de la muestra con el hundimiento del calor.
Nota: el TEC tiene un agujero en el centro para permitir que el rayo láser al pasar por. - Conecte los cables de la placa de circuito a 5 V fuente de alimentación. Utilizar la cámara infrarroja de la visión de futuro para controlar la temperatura para comprobar si la refrigeración termoeléctrica es correctamente enfriando.
- Calibración de la temperatura medida en el futuro cámara y resistencia temperatura detector (RTD) termómetro infrarrojo.
- Coloque el termómetro RTD en un cubreobjetos en blanco y aplique una pequeña cantidad de pasta térmica sobre la misma para asegurar el buen contacto térmico entre el RTD termómetro y cubreobjetos de.
- Cambiar el ajuste de potencia de salida del circuito de control electrónico del elemento TEC cambiando el ciclo de trabajo de programación de modulación de anchura de pulso y esperar 3 minutos para asegurarse de que se alcance la temperatura de estado estacionario. Leer la temperatura con el termómetro RTD.
- Vuelta en la cámara infrarroja mirando hacia adelante y el monitor de la temperatura. Repetir este proceso en varios ajustes de potencia de salida para obtener la curva de calibración de temperatura. En suplementario figura 4 se muestra una curva de calibración de temperatura representante.
Nota: Es fundamental hacer calibración entre termómetro RTD y la cámara infrarroja mira hacia delante porque la lectura de la temperatura de la cámara infrarroja de la visión de futuro debe ser exacta para asegurar la temperatura correcta.
4. Captura de micropartículas
- diluir micro partículas de poliestireno de 2 de diámetro μm en agua desionizada en un microcentrifugetube con proporción de volumen apropiado.
Nota: La concentración de micropartículas se puede ajustar según el objetivo del experimento. Mientras que menor concentración permite un intervalo de tiempo de la muestra entre los eventos de captura de partículas individuales, mayor concentración acortará el tiempo para la captura de partículas múltiples. Para la captura de una partícula, una concentración típica es ~0.05% (w/v). - Coloca la muestra con la matriz de nanoplasmonic en el escenario y girar en un 470 nm LED como la fuente de luz de fluorescencia y ajustar manualmente la potencia de 5 mW para la proyección de imagen de campo brillante.
- Utilice el marcador para ubicar la matriz nanoplasmonic, alinee la muestra y la cámara para asegurarse de que la matriz está en el centro de la región de interés en la pantalla del ordenador.
- Dispensar 10 μl de las diluida micro partículas de diámetro de 2 μm en la muestra con una micro pipeta.
- Encender la corriente para el diodo de láser de longitud de onda 980 nm para excitar la resonancia plasmónica de la matriz con una potencia en el rango de ~ 1 mW a 10 mW.
- Activar manualmente la fuente de alimentación para el tablero de control electrónico para enfriar la muestra a un estado estacionario de temperatura ~ 4 ° C.
- En el software de visualización, haga clic en el " grabar video " secuencia para abrir el cuadro de diálogo de grabación. Haga clic en el " registro " botón para iniciar el grabación 1.5 del movimiento de las partículas micro a una velocidad de 10 fotogramas/s sobre la muestra bajo la influencia de rayo láser mediante la cámara CCD de vídeo. Haga clic en el " dejar de " el botón para detener la grabación. Ver Video 1.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Resultados
Trayectorias de partículas individuales fueron grabadas por una cámara CCD en nuestro experimento y entonces, las imágenes fueron procesadas con un programa personalizado para extraer de la trayectoria de cada partícula16. Resultados representativos se muestran en la figura 3 y 1 Video para micro esferas con un diámetro de 2 μm. se observaron múltiples trampas de partículas dentro de la red óptica. Sucesivas imágenes e...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Discusión
El procedimiento aquí descrito permite al lector a reproducir confiablemente captura sobre una base diaria. Una pauta empírica general para el diseño de un enrejado óptico utilizable es utilizar un tamaño comparable para nanoarray plasmónica, distancia interdisc y atrapado de tamaño de partícula. Comparado con un nanoestructuras plasmónica solo, aislado, el diseño de enrejado óptico junto con la alta energía óptica proporcionada por el enfriamiento de la muestra a ~ 4 ° C utilizado aquí grandemente aumenta la probabilida...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Y. T. Y. agradece a fondos del Ministerio de ciencia y tecnología bajo números de concesión más 105-2221-E-007-MY3 y de la Universidad Nacional Tsing Hua en grant números 105N518CE1 y 106N518CE1.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Elemento de enfriamiento termoeléctrico | Thorlabs | TEC 1.4-6 | Elemento TEC para enfriamiento de muestras |
| Termómetro RTD | Omega Engineering | Termómetro RTD 969C | |
| Cámara infrarroja de visión frontal | FLIR | FLIR Una | cámara IR para el control |
| Fuente de luz de diodo emisor de luz | Touchbright | Fuente de luz para iluminación para imágenes fluorescentes | |
| Objetivo de larga distancia de trabajo | Olympus | LMPLFLN | Para iluminar la muestra y obtener imágenes |
| Kit de trampa óptica | Thorlabs | OTKB/M | |
| Espesor del deslizamiento | 0,17 mm | ||
| Microscopio electrónico de barrido | Hitachi | SEM-Hitachi S3400N | |
| Cortador de haz de electrones | DEBEN | Cortador de haz PCD | el cortador se añade al microscopio electrónico de barrido |
| Evaporador térmico | SYSKEY Technology | ||
| Alineador de máscaras | Karl Suss | MJB 3 | Para la fabricación de marcadores |
| Resistencia al haz de electrones | Sigma Alrich | PMMA 120K | Para litografía por haz de electrones |
| Resistencia al haz de electrones | Sigma Alrich | PMMA 960K | Para litografía por haz de electrones |
| Microesferas de poliestireno marcadas con fluorescente | Polyscience | ||
| Transistor bipolar | Mouser | 2N3904 | cantidad 2 para el circuito del controlador TEC |
| Transistor bipolar | Mouser | 2N3906 | cantidad 2 para el circuito del controlador TEC |
| Transistor de potencia MOSFET | Mouser | IRF5305 | cantidad 2 para el transistor de potencia MOSFET del circuito del controlador |
| TEC Mouser | IRF131ON | cantidad 2 para el circuito del controlador TEC | |
| Resistencia de 10 kOhm | Mouser | cantidad 6 para el circuito de controlador TEC | |
| Resistencia de 910 Ohm | Mouser | cantidad 2 para circuito de controlador TEC | |
| Microchemicals fotorresistentes | AZ4620 | Para la fabricación de marcadores | |
| Acetona | Sigma Alrich | Para la fabricación de marcadores | |
| Módulo de fluorescencia para el OTKB/M, roscas métricas | Thorlabs | OTKB-FL/ M | |
| Juego de filtros fluorescentes | Thorlabs | MDF-FITC | Para isotiocianato de fluoresceína (FITC) |
| Limpiador ultrasónico | Delta | DC150H | Para el escalón de despegue |
Referencias
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).
- Grier, D. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 21-27 (2003).
- Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. Radiation on trapping forces with optical tweezers. Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).
- Kawata, S., Tani, T. Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide. Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).
- Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. Optical Manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides. Nature. 457, 71-75 (2009).
- Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. Optical manipulation with planar silicon microring resonators. Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).
- Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators. Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).
- Lin, S., Crozier, K. Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles. Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., R, Plasmonic nano optical tweezers. Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).
- Huang, J. S., Yang, Y. -T. The origin and future of plasmonic optical tweezer. Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of single protein. Nano Lett. 12, 402-406 (2012).
- 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, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., Stein, B., Canguier-Durand, A., Devaux, E., Genet, C., Ebbesen, T. W. Brownian motion in a designer force field: Dynamical effects of negative refraction on nanoparticles. Nano Lett. 12, 4329-4332 (2012).
- Baffou, G., Berto, P., Urena, E. B., Quidant, R., Monnert, S. J., Polleux, J., Righeault, H. Photoinduced heating of nanoparticle arrays. ACS Nano. 8, 6478-6488 (2013).
- Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. Understanding and controlling plasmon-induced convection. Nat. Commun. 5, (2014).
- Yang, T. P., Yossifon, G., Yang, Y. -T. Characterization of the near-field and convectional transport behavior of micro and nano particles in nanoscale plasmonic optical lattice. Biomicrofluidics. 10, 034102(2016).
- Chen, Y. -C., Yossifon, G., Yang, Y. -T. Supression of phtothermal convection of micro particles in two dimensional nanoplamonic optical lattice. Appl. Phys. Lett. 109, 201111(2016).
- Smith, D. Thin film deposition: principles and practice. , McGraw-Hill Education. New York, New York. (1995).
- Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres. Sci. Rep. 2, 966(2012).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas. Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 2011 (11), 3763-3767 (2011).
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Reimpresiones y permisos
