Le piégeage optique de nanoparticules

Résumé

Les détails qui suivent l'approche de configuration de piégeage faible puissance optique diélectrique des nanoparticules à l'aide d'un double-nanotrou dans le film métallique.

Résumé

Piégeage optique est une technique d'immobilisation et de manipuler de petits objets d'une manière douce en utilisant la lumière, et il a été largement appliquée dans le piégeage et la manipulation de petites particules biologiques. Ashkin et ses collègues d'abord démontré pinces optiques utilisant un seul faisceau concentré ^1. Le piège à faisceau unique peut être décrite avec précision en utilisant la formulation perturbative gradient de force dans le cas de petites particules régime de Rayleigh ^1. Dans le régime perturbatif, la puissance optique nécessaire pour piéger une balance de particules comme la quatrième puissance inverse de la taille des particules. Puissances optiques élevées peuvent endommager les particules diélectriques et provoquer un échauffement. Par exemple, pris au piège des sphères de latex de 109 nm de diamètre ont été détruits par un faisceau de 15 mW en 25 sec ^1, qui a de graves conséquences pour la matière biologique ^2,3.

Une auto-induite back-action (SIBA) piégeage optique a été proposé pour piéger les 50 sphères de polystyrène nm dans lenon-perturbative régime ^4. Dans un régime de non-perturbative, même une petite particule avec un contraste de permittivité peu à l'arrière-plan peuvent influencer de manière significative le champ électromagnétique ambiant et provoquent une grande force optique. En tant que particule pénètre dans une ouverture lumineuse, transmission de la lumière augmente considérablement en raison du chargement diélectrique. Si la particule tente de sortir de l'ouverture, de transmission diminuée provoque un changement de quantité de mouvement vers l'extérieur du trou et, par la troisième loi de Newton, en résulte une force vers l'intérieur sur les particules dans le trou, le piégeage des particules. La transmission de la lumière peut être contrôlée, d'où le piège peut devenir un capteur. La technique de piégeage SIBA peut encore être améliorée en utilisant une structure à double nanotrou.

La structure à double nanotrou a été montré pour donner un fort champ amélioration locale ^5,6. Entre les deux pointes acérées de la double nanotrou, une petite particule peut provoquer un grand changement dans transmissio optiquen, ce qui induit une grande force optique. En conséquence, les petites nanoparticules peuvent être pris au piège, comme les sphères de silicate de 12 nm ⁷ et 3,4 nm de rayon hydrodynamique albumine sérique bovine protéines ^8. Dans ce travail, la configuration expérimentale utilisée pour le piégeage des nanoparticules est décrit. Tout d'abord, nous détaillons l'ensemble de l'installation de piégeage qui est basé sur un kit Thorlabs pince optique. Ensuite, nous expliquons la procédure de nanofabrication de la double nanotrou dans un film métallique, la fabrication de la chambre microfluidique et la préparation des échantillons. Enfin, nous détaillons la procédure d'acquisition de données et de fournir des résultats typiques de piégeage 20 nanosphères de polystyrène nm.

Protocole

Le principe de la technique de piégeage SIBA est illustré à la figure 1. Figure 2 est une vue schématique du dispositif expérimental.

1. Configuration piégeage optique

Pour cette partie de la procédure, reportez-vous au kit de piégeage optique manuel ⁹ ou le module de mesure optique vigueur manuel ¹⁰ pour plus de détails sur la configuration des kits. Notez qu'une photodiode à avalanche (APD) est utilisé à la place d'un détecteur de position quadrant. Pour les vis non inclus dans le kit de piégeage optique, utilisez-les dans le bouchon à vis et un kit de matériel (Thorlabs, HW-KIT2). Protection des yeux devrait être porté en tout temps lorsque le laser est activé. Assurez-vous que le faisceau est contenu dans une zone sûre et accessoires réfléchissants, tels que des bijoux, devrait être évitée. En outre, la protection de décharge électrostatique est recommandé lors de la manipulation des diodes laser.

1. Mettre en place le kit de pince optique (Thorlabs, OTKB / M) et le mesu vigueurModule urement (Thorlabs, OTKBFM) selon leurs manuels respectifs. Une photodiode à avalanche à base de silicium (APD) (Thorlabs, APD110A) est utilisé à la place de la force de mesure du module (Thorlabs, OTKBFM) détecteur de position quadrant.
2. Connectez l'APD à un oscilloscope (Tektronics, TDS1012) via un câble coaxial.
3. Ajouter une lame demi-onde (Thorlabs, AHWP05M-980) à l'intérieur de l'expanseur de faisceau. La lame demi-onde est fixée entre deux tubes de lentille (Thorlabs, SM1L03).

2. Nanofabrication

1. Couper une lame d'essai revêtu d'or (EMF Corp, Cr / Au) en quatre morceaux identiques. Comme alternative aux diapositives disponibles dans le commerce, nous avons également utilisé un film de 100 nm d'épaisseur d'une couche Au 2 nm Ti adhésion déposé par e-beam dépôt sur une lame de verre carré de 1 pouce à une température de substrat élevée de 200 ° C pendant au moins au moins 1 heure. Cela produit un film polycristallin lisse.
2. Créer une image bitmap de la structure en double-nanotrou comme entrée pourle faisceau d'ions focalisé (FIB) est un système bitmap. L'image est constituée de deux cercles pleins, 160 nm de diamètre avec une distance centre à centre de 190 nm. Ce modèle crée une séparation pointe d'environ 15 nm. Entre les cercles, une ligne mince en option peut être placé pour enlever tout résidu métallique entre les conseils. Figure 3a montre une image bitmap par exemple.
3. Fabriquer la structure en double nanotrous l'aide d'un FIB (Hitachi, FB-2100) Système de fraisage. Convertir le bitmap à l'étape 2.2 dans un modèle de fraisage FIB (la zone sombre de l'image bitmap se blanchi selon la FIB). Utilisez une tension d'accélération d'ions de 40 kV, un limiteur de faisceau ouverture de 15 um de diamètre sous K 60 fois grossissement. Mill 80 passe pour chaque double-nanotrou avec une dose de 5 microsecondes de temps à chaque passage. Figure 3b montre une structure typique en résulte. Répéter au besoin. Nanotrous multiples doivent être faits pour tenir compte des erreurs.
4. Ajouter des marques d'enregistrement, soit en utilisant le FIB et / ou par het pour indiquer l'emplacement approximatif de la double nanotrous (s).
5. Éventuellement, prendre un cliché MEB des trous d'évaluer avec précision la qualité de la structure et de la séparation pointe.

3. Microfluidique Chambre

Un diagramme de flux de processus de fabrication de la chambre microfluidique est illustré à la figure 4.

1. Verser 10 g de polydiméthylsiloxane (PDMS) de base (Dow Corning Canada, Base de Sylgard 184 Élastomère silicone) et un supplément de 1 g de durcisseur (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Durcisseur silicone élastomère) dans un gobelet jetable. Mélanger pendant quelques minutes.
2. Évacuer le mélange dans la chambre à vide jusqu'à ce que toutes les bulles ont disparu.
3. Verser 1,5 g de PDMS dans un diamètre de 9 cm boîtes de Pétri. Spin couche de PDMS sur le fond de la boîte de Pétri à 950 tours par minute pendant 65 sec. Figure 4b montre le résultat. L'épaisseur n'est pas critique tant qu'elle est inférieure à 80 um, le film d'or se trouve dans la partie inférieure microscope objectivitédistance de travail de e.
4. Le déposer doucement 5.3 # 1.5 lamelles (Fisher Scientific, 12-541-B) sur le de telle sorte qu'ils ne se chevauchent pas et évacuer pendant 30 minutes comme indiqué sur la figure 4c PDMS.
5. Si lamelles déplacé et empilées les unes au-dessus de l'autre pendant l'évacuation, les déplacer doucement l'un l'autre. Des précautions doivent être prises pour maintenir PDMS sous lamelles minces et uniformes.
6. Si la manipulation des lamelles a été requise, évacuer boîte de Pétri à nouveau pendant 30 min.
7. Retirer le plat de Petri de la chambre à vide et cuire sur plaque chauffante pendant 20 min à 85 ° C.
8. En utilisant une lame de rasoir, couper une des le couvercle glisse doucement soulevez la lame avec des pincettes pointe fine. Une fine couche de PDMS va rester sur la lamelle en PDMS est plus adhésif sur la lamelle de verre que le plat de Pétri PMMA comme dans Figure 4e.
9. Découper une fenêtre de 3 x 3 mm dans le PDMS avec une lame de rasoir comme dans la figure 4f. Cette fenêtre se forme dans la chambre où le nanoparticle solution sera conservée.

4. Préparation des échantillons

1. Fabriquer une lame de microscope avec un trou de ¾ "de diamètre au centre de l'acrylique. Ceci peut être accompli avec un laser. D'autres matériaux peuvent être utilisés aussi bien. L'échantillon d'or sera placé à l'intérieur du trou.
2. Tape la circonférence du trou avec du ruban adhésif double face. Utilisez une lame de rasoir pour couper le ruban excès.
3. Lame de microscope place sur la lamelle, PDMS face.
4. Diluer la solution de nanosphères de polystyrène (Thermo Scientific, 3020A) à partir de 1% p / v à 0,05% p / v en utilisant de l'eau désionisée. Une micropipette peuvent être utilisées.
5. Ajouter quelques gouttes de solution dans la fenêtre de PDMS. Ajouter une goutte sur l'échantillon d'or où les nanotrous sont situés.
6. Lieu échantillon d'or sur le dessus de lamelles tels que les nanotrous sont à l'intérieur de la fenêtre PDMS. Assurez-vous que les bulles ne sont pas présents à l'intérieur de la chambre. Appuyez sur l'échantillon d'or contre la lamelle et tamponner l'excès de solution.
7. Si vous utilisez un objectif à immersion d'huile (comme c'est le cas ici, mais pas nécessaire), ajouter une goutte d'huile à immersion sur le côté opposé de la lamelle, sous la fenêtre de PDMS. Prenez note de l'emplacement des nanotrous.
8. Insérer lame de microscope dans le porte-lame, l'huile vers le bas, puis porte-lame inférieure jusqu'à ce que l'huile d'immersion est en contact avec l'objectif de microscope.
9. Aligner approximativement scène de la diapositive telle que les marques indicateurs sont au-dessous de l'objectif.
10. Suivez les lignes de signalisation menant à la nanotrous. Glissière position telle que les marques d'indicateurs et d'autres espaces ouverts sont effacés de l'écran central. Transmission de la lumière excessive peut endommager l'APD.
11. Allumez le laser. Comme le miroir dichroïque n'est pas parfait, un endroit près du centre de l'écran par le faisceau laser doit apparaître.
12. Utilisation du logiciel de commande piézo stade, d'affiner l'alignement sur les trois axes.

5. Acquisition de données

1. Avec le casquep des marques indicatrices, la position de la tache à proximité d'un emplacement nanotrous connue. Les nanotrous sera trop petite pour être résolu et ne doit apparaître que comme des taches.
2. La transmission de la lumière à travers l'échantillon est indiquée par le niveau du signal sur l'oscilloscope. Poursuivre l'alignement de l'échantillon pour maximiser la transmission de la lumière. Méfiez-vous des marques et des rayures indicateur visibles et non visibles comme la transmission de lumière seront élevés dans ces zones. Nanotrous montrera sauts brusques de transmission de la lumière tout en rayures présenter des changements plus graduels.
3. En utilisant la lame d'onde, ajuster la polarisation de la lumière pour la transmission de lumière plus élevé que la structure à double nanotrous est polarisée.
4. Pour minimiser le bruit, de construire un filtre RC avec la carte de, 200 kW et résistance condensateur 100 pF et connectez-le après l'APD par l'intermédiaire d'un câble coaxial. Ces valeurs peuvent être ajustées pour optimiser les performances, compte tenu de la largeur de bande d'acquisition de données requis.
5. Connecter l'oscilloscope et les données acquisModule ition (Omega, USB-4711A) pour le filtre RC avec des câbles coaxiaux et des adaptateurs T.
6. Goûtez à la tension de la DPA à l'aide du module d'acquisition de données pour la durée souhaitée. Temps d'acquisition sont généralement dans les centaines de secondes. Dans ce cas, un logiciel personnalisé a été utilisé pour l'acquisition de données. La tension est échantillonnée à 2.000 fois par seconde.
7. Matlab, filtrer les données acquises à l'aide d'un filtre Savitzky-Golay et tracer en fonction du temps sur un graphique.

Résultats

Une trace d'acquisition typique est représenté sur la figure 5a. Un événement de piégeage est caractéristique soudain, avec une arête vive, montrant un interrupteur claire entre les deux niveaux de puissance de transmission. Lorsque les particules sont soumises au mouvement brownien, les événements de piégeage se fera au hasard. Pour particules de 20 nm, les changements de transmission de piégeage étaient généralement autour de 5-10% et des temps de piégeage, autour de 10-300 sec. Le temps typique pour atteindre une prise au piège de la puissance et de concentration décrite ci-dessus est de l'ordre d'une minute. En raison de l'encombrement stérique, il est rare de voir piégeage des particules multiples en même temps, mais une fois une particule est libéré, il est généralement suivie d'un événement ultérieur de piégeage. En fonction de la qualité des résultats, il peut y avoir une certaine augmentation du bruit du signal dans l'état piégé. Cette augmentation bruit provient du mouvement brownien des particules piégées. Sans la particule piégée, cette source de bruit n'est pas présent.

_content "> Certains artefacts peuvent apparaître dans les résultats qui ne sont pas indicatifs des événements de piégeage. Résultats montrant la dérive, des changements lents dans la transmission sur une période de quelques minutes, comme indiqué sur la figure 5b, doit être jeté. D'autres objets peuvent également être présents tels que les changements de transmission incohérentes, bruit excessif ou pas du tout piégeage. Par exemple, les bulles peuvent provoquer des sauts d'intensité discontinue si les soins ne sont pas prises pour s'assurer que la chambre est sans bulles. Ces bulles vont réagir différemment aux événements de piégeage en termes de dynamique changement de comportement et de l'intensité, et donc ils sont facilement identifiables. Ces symptômes pourraient être causés par une mauvaise structure de double-nanotrou, les contaminants ou à des vibrations mécaniques. Un calme, faible activité paramètre est fortement recommandé de placer cette configuration. Aussi, ce qui permet au laser et étape pour régler quelques minutes après l'alignement peut aider aussi.

s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/>
Figure 1 la transmission ouverture sub-longueur d'optique: a) Sans particule, b) la transmission accrue grâce à une particule diélectrique; c) Si les tentatives de particules à partir, la diminution de la lumière dynamique (AT) provoquera une force (F) sur la particule de. le tirer en arrière dans le trou, d) rouge de décalage de la courbe de transmission causé par la particule, conduisant à la modification de la transmission AT.

. Figure 2 un schéma) Dans l'ensemble de l'installation de piégeage, l'élargissement du cercle rouge est montré en b); b) Agrandissement montrant la double nanotrou, et les nanosphères l'intérieur de la chambre de PDMS, c) Image MEB de la structure en double-nanotrou. Sigles utilisés: LD = diode laser; ODF = densité optique du filtre; PLR = lame demi-onde; BE = élargisseur de faisceau; MR = miroir; MO = objectif de microscope; OI MO = huile immerobjectif de microscope sion; DH = double-nanotrou; APD = avalanche photodétecteur.

Figure 3 un chiffre) Exemple bitmap utilisé dans la fabrication FIB;. B) Une image MEB d'un double-nanotrou.

Figure 4. Schéma du processus de fabrication de la chambre microfluidique.

Figure 5. (A) typiques d'acquisition de piéger les événements avec 20 billes de polystyrène nm. (B) Une mauvaise acquisition montrant aiguë dérive.

Discussion

La configuration actuelle a des capacités de piégeage efficaces en raison de la structure de la nanotrou. Ce pièges nanotrous particules diélectriques ~ 10 nm échelle à de faibles intensités optiques. D'autres nouveaux pièges optiques comprennent optiques antennes dipôles ^11, murmure-galerie-mode résonateurs optiques ^12,13 et guides d'ondes ^14; toutefois, ils fonctionnent généralement dans le régime perturbatif, qui est limitée par la mise à l'échelle de quatrième ordre inverse de la puissance optique requise par rapport à particules taille, contrairement à la SIBA et double-nanotrou piège. Formes alternatives d'ouverture ont également été présentés pour le piégeage, comme un rectangle nanopore plasmonique ^15. D'autres qualités favorables indiquées par le double piège-nanotrou comprennent le comportement des particules de taille sélective ^7, un emplacement unique piégeage (pour limiter les multi-particules piégeage) et de la facilité de fabrication ^16. Comme une alternative à l'aide d'un FIB, double-nanotrous peuvent être fabriqués en utilisant une lithographie colloïdaley ^6.

Piégeage de matériels biologiques d'polarisabilité grande taille et a inclus des bactéries ^3, les cellules vivantes, le ^{3 17,2,18} virus de la mosaïque du tabac et à la manipulation et l'étirage des brins d'ADN attachés aux extrémités par de grandes particules diélectriques ^19, mais plus petit de piégeage directe échantillons biologiques sans attache reste difficile. Cette configuration de piégeage est capable de piéger les particules diélectriques à des intensités lumineuses plus faibles que pinces de lumière conventionnelles et la nanotrous circulaire, permettant aux petites particules biologiques qui se tiendra pendant de longues périodes de temps sans dommages ou modem. En outre, les événements de piégeage présentent un rapport signal-sur-bruit permettant cette configuration fonctionne comme un capteur sensible et de détecter les plus petites particules biologiques, tels que les virus et les protéines. En fait, 20 sphères de polystyrène nm ont un indice de réfraction de 1,59 ce qui est comparable aux plus petites particules biologiquestels que les virus. Cette méthode pourrait devenir une technique fiable et mature pour l'immobilisation et la manipulation de nanoparticules, dont les particules biologiques.

Les applications de cette technique comprennent l'intégration dans un environnement microfluidique. Au lieu d'une seule chambre microfluidique, un canal pourrait être utilisé pour contrôler dynamiquement l'environnement, idéal pour la détection de l'indice de réfraction. Une telle configuration serait fixé dans une seule puce microfluidique menant à une configuration plus stable et robuste et une analyse plus rapide des solutés. Une autre option est le développement d'un système de détection par fluorescence pour la caractérisation de simples fluorescence taggés les virus, les points quantiques semi-conducteurs et des protéines fluorescentes vertes. Cette configuration a aussi des possibilités de modification dans un biocapteur pour un virus ou une protéine unique, permettant de très petits échantillons à analyser. La découverte de médicaments ²¹ et la maladie et l'infection de détection ²² serait bénéficier d'un détecteur de protéine unique. Raman spéctroscopy peuvent être incorporés pour la détection de signaux Raman de particules et de simples événements contraignants. La structure à double nanotrou permet de fortes améliorations sur le terrain locaux dans les conseils, adaptés à la pointe améliorée par spectroscopie Raman ^23. Un très spécifique sans étiquette méthode de caractérisation des matériaux serait également possible en utilisant la spectroscopie Raman ^24.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Nom	Fabricant	Numéro de série	Commentaires
Immersion dans l'huile	Labs Cargille	16484	Quantité: 1
Sylgard 184 Kit élastomère silicone	Dow Corning Canada		Quantité: 1 Contient à la fois la base et le durcisseur PDMS
Or diapositives d'essai revêtu	EMF Corp	Cr / Au	Quantité: 1 Une couche d'adhésion Ti peut être utilisée aussi bien
Non 1.5 Lamelles	Fisher Scientific	12 à 541-B	Quantité: 1
Système de faisceau focalisé d'ions-	Hitachi	FB-2100
Portable module d'acquisition de données	Omega Engineering	USB-4711A	Quantity: 1
Platine de translation	Parker	4034M	Quantité: 1
Chef diode laser et le contrôleur	Sacher Lasertechnik Groupe	TEC 120	Quantité: 1 Manuel Tunable Laser System Littrow
Oscilloscope numérique	Tektronics	TDS1012	Quantité: 1
20 nm de Taille NANOSPHERE	Thermo Scientific	3020A	Quantité: 1
1 "Monture	Thorlabs	LMR1	Quantité: 1
0.3 Tube Lens "	Thorlabs	SM1L03	Quantité: 2
D'absorption filtre ND 4,0	Thorlabs	NE40A	Quantité: 1
Aluminium Breadboae	Thorlabs	MB1824	Quantité: 1
Avalanche Photodiode	Thorlabs	APD110A	Quantité: 1
Affichage numérique de la puissance optique	Thorlabs	PM100	Quantité: 1 Obsolètes, d'autres le feront
Mesure des forces Module	Thorlabs	OTKBFM	Quantité: 1
Cinématique Mirror Mount	Thorlabs	KM200-E03	Quantité: 1 Avec Mirroir IR Qualité Près laser
Laser Diode Driver à courant constant	Thorlabs	LD1255R	Quantité: 1
LD1255 plaque de table de montage optique	Thorlabs	LD1255P	Quantité: 1
Gendarmerie achromatique lame demi-onde	Thorlabs	AHWP05M-980	Quantité: 1 690 - 1200 nm
Kit pince optique	Thorlabs	OTKB / M	Quantité: 1 Métrique ou Impérial
Poster Base de support	Thorlabs	BA2	Quantité: 2
Alimentation	Thorlabs	PS-12DC-Unis	Quantité: 1
Câble d'alimentation	Thorlabs	LD1255-CAB	Quantité: 1
Plaque à angle droit	Thorlabs	AP90	Quantité: 1
Right Angle Clamp Message	Thorlabs	RA90	Quantité: 1
Acier inoxydable Message optique	Thorlabs	TR3	Quantité: 1
Table Clamp	Thorlabs	CL1	Quantité: 2 Obsolètes, d'autres le feront
Capteur thermique	Thorlabs	PM210	Quantité: 1 Pour wattmètre optique numérique
Condensateur 100 pF			Quantité: 1 Toute marque, pas critique
200 Résistance KOhm			Quantité: 1 Toute marque, pas critique
Acrylic Sheet			Quantité: 3 "x 1" Toute marque, pas critique
Assortiment de câbles coaxiaux, câbles et connecteurs			Au besoin
Planche à pain			Quantité: 1 Toute marque, pas critique
Lentille concave			Quantité: 1 Toute marque, pas critique
Diamond Cutter			Quantité: 1 Toute marque, pas critique
Ruban double face			Toute marque, pas critique
Lame de rasoir			Quantité: 1 Toute marque, pas critique
Pince à épiler			Quantité: 1 Toute marque, à pointe fine