Nous décrivons une procédure pour intercepter optiquement micro-particules dans nanoplasmonic réseau optique.
Un abonnement JoVE est requis pour visualiser ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre période d'essai gratuite.
Article de méthode
Piégeage de Micro particules dans trellis optique Nanoplasmonic
Dans cet article
Résumé
Résumé
La pince optique plasmonique a été développé pour pallier les limites de la diffraction de la pince optique traditionnelle en champ lointain. Plasmoniques trellis optique se compose d’un tableau de nanostructures, qui présentent une variété de piégeage et des comportements de transport. Nous rapportons les procédures expérimentales pour piéger des micro particules dans un réseau optique simple nanoplasmonic carrés. Nous décrivons également la configuration optique et la nanofabrication d’un tableau de nanoplasmonic. Le potentiel optique est créé en éclairant un tableau d’or nanodiscs avec un faisceau gaussien de longueur d’onde de 980 nm et passionnant de résonance plasmonique. Le mouvement des particules est contrôlé par imagerie de fluorescence. Un schéma à supprimer photothermique convection décrit également pour augmenter la puissance optique utilisable pour la récupération optimale. Suppression de la convection est obtenue par refroidissement de l’échantillon à une température basse et en utilisant le coefficient de dilatation thermique proche de zéro d’un milieu d’eau. Les transport de particules uniques et multiples piégeage de particules sont rapportés ici.
Introduction
Le piégeage optique de particules de petite échelle a été initialement développé par Arthur Askin dans les années 1970. Depuis son invention, la technique a été développée comme un outil polyvalent pour les micro - et nanomanipulations1,2. Conventionnel optique piégeage basé sur le champ-mise au point de principe est intrinsèquement limitée par la diffraction dans son confinement spatial, dans lequel la force de piégeage diminue considérablement (suivant un ~undroit de3 pour une particule de rayon un) 3. pour surmonter ces limites de diffraction, les chercheurs ont développé des techniques de piégeage optique en champ proche basés sur champ évanescent optique utilisant des nanostructures métalliques plasmoniques et, en outre, le piégeage des nano objets vers le bas pour molécules protéiques unique a été démontrée4,5,6,7,8,9,10,11. En outre, le réseau optique plasmonique est créé à partir tableaux de nanostructures plasmoniques périodique de conférer le transport à distance des micro - et nanoparticules et plusieurs particules empilement11,12. Un des principaux obstacles pour perturber le piégeage dans un réseau optique sont photothermique convection et s’est efforcé d’élucider ses effets par plusieurs groupes14,15,16,17. En utilisant la fonction de Green, baffoué et coll. ont calculé un profil de température en modélisant chaque nanostructure plasmonique comme un radiateur de point et puis expérimentalement validé leur modèle14. Groupe de toussant a également mesuré la convection induite par plasmon avec particule vélocimétrie par15. L’auteur a également caractérisé transport contigu et convection et démontré une stratégie d’ingénierie pour supprimer photothermique convection16,17.
Nous présentons ici la conception d’un montage optique et une procédure détaillée spécifiquement pour des expériences de piégeage avec treillis optique plasmoniques. Le potentiel optique a été créé en éclairant un tableau d’or nanodiscs avec un faisceau gaussien faiblement concentré. Un régime pour réprimer la convection photothermique en refroidissant l’échantillon à une température basse (~ 4 ° C) pour la récupération optimale est aussi décrire ici17. Aux termes de l’approximation de Boussinesq, une estimation de l’ordre de grandeur de vitesse de convection naturelle u est donnée par u ~L2 gβΔT / v, où L est l’échelle de la longueur de la source de chaleur et Δ T est l’augmentation de la température par rapport à la référence à cause du réchauffement. g et β sont l’accélération gravitationnelle et coefficient de dilatation thermique, respectivement. À des températures proches de 4 ° C, la densité de l’eau milieu montre la dépendance en température anormale et cela se traduit par un coefficient de dilatation thermique proche de zéro et, partant, une convection photothermique ridiculement faible.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Protocole
1. Configuration optique
Remarque : le principe de la configuration optique est illustré à la Figure 1.
Kit de pinces- set up l’optique (voir la Table des matières) et le module de fluorescence (voir Table des matières) selon leurs manuels. Connectez une source de nm bleu lumière émettant de la lumière de la diode électroluminescente (del) 470 dans le module fluorescent.
- Remplacer la grande ouverture numérique (NA) (NA = 1,25, grossissement x 100) objectif à immersion d’huile par un travail de longue distance objectif de microscope (WD) (focale 3,6 mm, WD = 10,6 mm, NA = 0,5).
- Retirez la lentille dans la section d’extension de faisceau du kit assemblé pour atteindre lâche de focalisation du faisceau laser. Diode
- tournant sur l’alimentation et le courant pour le laser de longueur d’onde de 980 nm et l’utilisation de l’accusé couplée (CCD) appareil pour s’assurer que le faisceau laser est bien aligné.
Remarque : Si le faisceau laser est bien aligné, la caméra CCD lira une tache gaussienne.
2. Nanofabrication
Fabrication de marqueur- .
NOTE : Marqueurs vont aidera à placer le tableau de nanoplasmonic pendant le processus de fabrication et l’expérimentation ultérieure de piégeage. Le processus détaillé est illustré figure1 supplémentaire.- Film d’oxyde d’étain (ITO) d’indium dépôt 40 nm sur une lamelle d’Epaisseur 0,17 mm bredouillement.
NOTE : Le film de ITO aideront à décharger des électrons durant le processus de lithographie par faisceau électronique ultérieure. - Spin enduire d’une couche de 8 µm de photorésine positive avec essorage vitesse 4000 tr/min et temps 30 s avec une coucheuse spin.
- Doux, cuire au four de l’échantillon à 90 ° C pendant 5 min et aligner l’échantillon avec le photomasque pour marqueur et exposer l’échantillon aux UV pour 80 s dans l’aligneur de masque.
- Tremper l’échantillon dans le développeur de résine photosensible pour 130 s.
- Déposer une couche de 2 nm de chrome et une couche de 40 nm d’or sur l’échantillon à l’aide d’évaporation thermique. 18
- tremper l’échantillon dans de l’acétone et le placer dans un fonctionnement nettoyeur ultrasonique à 43 kHz et 150 W pendant 5 min pour lift off.
- Film d’oxyde d’étain (ITO) d’indium dépôt 40 nm sur une lamelle d’Epaisseur 0,17 mm bredouillement.
- Fabrication de tableau Nanoplasmonic
- manteau une couche de faisceau électronique de Spin résister à PMMA 120K avec vitesse de rotation 5000 tr/min pendant 30 s sur une coucheuse spin. Cuire au four de l’échantillon à 160 ° C pendant 3 min sur une plaque chauffante.
- Spin enduire une autre couche de résistent e-faisceau PMMA 960K avec vitesse de rotation 5000 tr/min pendant 30 s sur une coucheuse spin. Cuire au four de l’échantillon à 160 ° C pendant 3 min sur une plaque chauffante.
- Écrivain e-faisceau utilisation d’exposer le faisceau électronique résistent avec accélération tension 30 kV et dosage 400C/cm 2.
- Déposer une couche de 40 nm d’or dans un évaporateur thermique.
- Faire tremper l’échantillon dans de l’acétone et le placer dans un nettoyeur à ultrasons pendant 5 min pour lift off.
3. Exemple de système de refroidissement et son étalonnage de température
Remarque : l’échantillon scénographie de refroidissement est illustré Figure supplémentaire 2.
- Faire le circuit pilote pour échantillon de refroidissement
- Place les résistances, transistors à jonction bipolaire et transistors d’effet de champ électrique d’oxyde métallique sur le circuit personnalisé en suivant le schéma de câblage supplémentaire Figure 3 . Tous ces composants avec fer à souder de soudure.
- Connecter des câbles entre le port de contrôle du circuit imprimé et le tableau de commande électronique. Brancher les fils entre le port de sortie du circuit imprimé et thermoélectrique dissipateur (TEC). Placer l’élément TEC sur la scène de l’échantillon avec chaleur naufrage.
Remarque : élément de la TEC a un trou au Centre pour permettre le faisceau laser de passer par.
Bloc d’alimentation - raccorder les fils du circuit à 5 V. La caméra infrarouge permet de contrôler la température pour vérifier si le refroidissement thermoélectrique correctement refroidit.
- Étalonnage de température mesurée dans la prospective caméra et résistance température détecteur (RTD) thermomètre infrarouge.
- Placer le thermomètre de RDT sur une lamelle de Vierge et appliquez une petite quantité de pâte thermique sur elle pour assurer le bon contact thermique entre le thermomètre RTD et lamelle.
- Changer le réglage de puissance de sortie du circuit de commande électronique en élément de TEC en changeant le cycle du paramètre de pulse width modulation et attendre 3 minutes pour s’assurer que la température de l’état d’équilibre est atteinte. Lire la température avec le thermomètre RTD.
- Tourner la caméra infrarouge regardant vers l’avant et surveiller la température. Répétez cette procédure à différents paramètres de puissance de sortie pour obtenir la courbe d’étalonnage de température. Une courbe d’étalonnage de température représentative est illustrée Figure supplémentaire 4.
Remarque : Il est crucial de faire l’étalonnage entre thermomètre de RDT et la caméra infrarouge vers l’avenir parce que la lecture de la température de la caméra infrarouge doit être précise afin d’assurer la bonne température est atteinte.
4. Piégeage de microparticules
- diluer micro particules de polystyrène de µm de diamètre 2 dans l’eau déionisée dans un microcentrifugetube avec rapport de volume suffisant.
Remarque : La concentration de microparticules peut être ajustée selon l’objectif de l’expérience. Alors que la plus faible concentration permet un intervalle de temps d’échantillon entre les événements de piégeage de particules uniques, une concentration plus élevée raccourcira le temps de piégeage de particules multiples. Pour la récupération d’une seule particule, une concentration typique est ~0.05% (p/v). - Mettre l’échantillon avec tableau nanoplasmonic sur la scène et allumez un 470 nm LED comme source lumineuse fluorescence et définir manuellement la puissance de 5 mW pour l’imagerie champ lumineux.
- Utilisez le marqueur pour localiser le tableau nanoplasmonic, aligner l’échantillon et la caméra CCD pour s’assurer que le tableau est au centre de la région d’intérêt sur l’écran d’ordinateur.
- Distribuer 10 µL des dilués micro particules de diamètre 2 µm sur l’échantillon avec une pipette micro.
- Allumez l’alimentation en courant de la diode laser de longueur d’onde de 980 nm pour exciter la résonance plasmonique du tableau avec une puissance dans la gamme ~ 1 mW à 10 mW.
- Activer manuellement l’alimentation de l’électronique de contrôle des stupéfiants pour refroidir l’échantillon à un état d’équilibre température ~ 4 ° C.
- Dans le logiciel de visualisation, cliquez sur le " vidéo record " séquence pour ouvrir la boîte de dialogue enregistrement. Cliquez sur le " dossier " bouton pour lancer la vidéo enregistrement 1,5 de la motion des micro particules à une cadence de 10 images/s sur l’échantillon sous l’influence du faisceau laser à l’aide de la caméra CCD. Cliquez sur le " stop " le bouton pour arrêter l’enregistrement. Voir la vidéo 1.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Résultats
Trajectoires de particules uniques ont été enregistrées par une caméra CCD dans notre expérience, et les images sont ensuite traitées avec un programme personnalisé pour extraire trajectoire16 de chaque particule. Résultats représentatifs sont affichés dans la Figure 3 et 1 vidéo pour micro-sphères d’un diamètre de 2 µm. multiples atours de particules à l’intérieur du réseau optique ont été observés. Images successives...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Discussion
La procédure décrite ici permet au lecteur de façon fiable reproduire piégeage sur une base quotidienne. Règle empirique générale pour concevoir un réseau optique utilisable est d’utiliser une taille comparable pour plasmonique nanoarray, distance interdisc et pris au piège de la taille des particules. Par rapport à une nanostructure plasmonique seule, isolée, la conception de réseau optique en conjonction avec la puissance optique élevée offerte par refroidissement de l’échantillon à ~ 4 ° C utilisé ici grandement augme...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
Y. T. Y. tient à remercier le Fonds de soutien du ministère de la Science et technologie sous numéros de subvention plus 105-2221-E-007-MY3 et de la National Tsing Hua University sous concession numéros 105N518CE1 et 106N518CE1.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Élément de refroidissement thermoélectrique | Thorlabs | TEC 1.4-6 | Élément TEC pour le refroidissement des échantillons |
| Thermomètre RTD | Omega Engineering | Thermomètre RTD 969C | |
| Caméra infrarouge frontale | FLIR ; | FLIR Une | caméra IR pour la surveillance de la température |
| Source lumineuse à diodes électroluminescentes | Touchbright | Source lumineuse pour l’éclairage pour l’imagerie fluorescente | |
| Objectif à longue distance de travail | Olympus | LMPLFLN | Pour l’éclairage de l’échantillon et l’imagerie |
| Kit de piège optique | Thorlabs | OTKB/M | |
| Épaisseur de la lamelle | 0,17 mm | ||
| Microscope électronique à balayage | Hitachi | SEM-Hitachi S3400N | |
| Suppresseur de faisceau d’électrons | DEBEN | Suppresseur de faisceau PCD | l’obturateur est ajouté au microscope électronique à balayage ; |
| Évaporateur thermique | SYSKEY Technology | ||
| Aligneur de masque | Karl Suss | MJB 3 | Pour la fabrication de marqueurs |
| Résistance aux faisceaux d’électrons | Sigma Alrich | PMMA 120K | Pour la lithographie par faisceau d’électrons |
| Résistance aux faisceaux | d’électrons Sigma Alrich | PMMA 960K | Pour la lithographie par faisceau d’électrons |
| Microsphères de polystyrène marquées fluorescentes | Polyscience | quantité de 2 μm de diamètre | |
| Transistor bipolaire | Mouser | 2N3904 | 2 pour circuit de commande TEC |
| Transistor bipolaire | Mouser | 2N3906 | quantité 2 pour circuit de commande TEC |
| Transistor de puissance MOSFET | Mouser | IRF5305 | quantité 2 pour circuit de commande TEC |
| Transistor de puissance MOSFET | Mouser | IRF131ON | quantité 2 pour circuit de commande TEC |
| Quantité de Résistance 10 kOhm | Mouser | 6 pour circuit de commande TEC Résistance Ohm | |
| 910 Ohm | Mouser | 2 pour circuit de commande TEC | |
| Photoresist | Microchemicals | AZ4620 | Pour la fabrication de marqueurs |
| Acétone | Sigma Alrich | Pour la fabrication de marqueurs | |
| Module de fluorescence pour l’OTKB/M, Filetages métriques | Thorlabs | OTKB-FL/ M | |
| Kit de filtres fluorescents | Thorlabs | MDF-FITC | Pour Isothiocyanate de Fluorescéine (FITC) |
| Nettoyeur à ultrasons | Delta | DC150H | Pour l’étape de décollage |
Références
- 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).
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Réimpressions et autorisations
