Trapping ottica di nanoparticelle

Sommario

I seguenti dettagli approccio di impostazione di cattura a bassa potenza ottica di dielettrico nanoparticelle con un doppio nanohole in film metallico.

Abstract

Trapping ottica è una tecnica per immobilizzare e manipolare piccoli oggetti in modo delicato con luce, ed è stato ampiamente applicato ad intrappolare e manipolare piccole particelle biologiche. Ashkin e collaboratori in primo luogo dimostrato pinzette ottiche utilizzando un unico fascio focalizzato ^1. La trappola singolo fascio può essere descritto con precisione utilizzando la formulazione perturbativa forza gradiente nel caso di piccole particelle regime Rayleigh ^1. Nel regime perturbativo, la potenza ottica richiesta per intrappolare una bilancia di particelle come la potenza inversa quarto della dimensione delle particelle. Elevate potenze ottiche possono danneggiare particelle dielettriche e causare riscaldamento. Per esempio, intrappolati sfere di lattice di 109 nm di diametro sono stati distrutti da un raggio 15 mW in 25 sec ^1, che ha gravi implicazioni per la materia biologica ^2,3.

Un auto-indotta back-action (SIBA) intrappolamento ottico non sia stato proposto di intrappolare 50 sfere di polistirene nm nelnon-perturbativo regime ^4. In un non-perturbativo regime, anche una piccola particella con contrasto permettività poco allo sfondo può influenzare significativamente il campo elettromagnetico ambiente e indurre una grande forza ottica. Come una particella entra un'apertura illuminata, la trasmissione della luce aumenta notevolmente a causa di caricamento dielettrico. Se la particella tenta di lasciare l'apertura, la trasmissione diminuita causa un cambiamento nella quantità di moto verso l'esterno dal foro e, dalla terza legge di Newton, comporta una forza sulle particelle verso l'interno nel foro, intrappolando la particella. La trasmissione della luce può essere controllata, di conseguenza, la trappola può diventare un sensore. La tecnica di intrappolamento SIBA possono essere ulteriormente migliorate utilizzando un doppio nanohole struttura.

Il doppio nanohole struttura è stata mostrata per dare un forte aumento campo locale ^5,6. Tra le due punte taglienti della doppia nanohole, una piccola particella può provocare un grande cambiamento in ottica transmission, inducendo così una grande forza ottica. Come risultato, le nanoparticelle più piccole possono essere intrappolati, come 12 nm sfere silicato ⁷ e 3,4 nm idrodinamiche raggio di albumina sierica bovina proteine ^​​8. In questo lavoro, la configurazione sperimentale utilizzato per la cattura delle nanoparticelle è delineato. Prima, abbiamo dettaglio l'assemblaggio del trapping configurazione che si basa su un Optical Tweezer Kit Thorlabs. Successivamente, si spiega la procedura nanofabbricazione del doppio nanohole in un film metallico, la fabbricazione della camera microfluidica e la preparazione del campione. Infine, dettaglio la procedura di acquisizione dei dati e fornire risultati tipici per intrappolare 20 nanosfere di polistirene nm.

Protocollo

Il principio della tecnica trapping SIBA è illustrato nella figura 1. Figura 2 è una vista schematica del setup sperimentale.

1. Trapping installazione ottica

Per questa sezione della procedura, fare riferimento al kit di intrappolamento ottico manuale ⁹ o la forza di misura ottica modulo del manuale ¹⁰ per i dettagli su come impostare i kit. Si noti che un fotodiodo valanga (APD) è utilizzato al posto di un rivelatore di posizione quadrante. Per le viti non incluse nel kit intrappolamento ottico, utilizzare quelli della vite e kit hardware (Thorlabs, HW-KIT2). La protezione degli occhi devono essere indossati in ogni momento in cui il laser è acceso. Assicurarsi che il fascio è contenuta all'interno di una zona sicura e accessori riflettenti, quali gioielli, deve essere evitata. Inoltre, protezione da scariche elettrostatiche è consigliabile quando si maneggia diodi laser.

1. Impostare il kit ottico pinzetta (Thorlabs, OTKB / M) e la forza di misurasura modulo (Thorlabs, OTKBFM) come per i loro rispettivi manuali. A base di silicio fotodiodo valanga (APD) (Thorlabs, APD110A) viene utilizzato al posto del modulo di misurazione della forza (Thorlabs, OTKBFM) rivelatore di posizione quadrante.
2. Collegare l'APD ad un oscilloscopio (Tektronics, TDS1012) tramite un cavo coassiale.
3. Aggiungere una semionda piastra (Thorlabs, AHWP05M-980) all'interno del espansore del fascio. La semionda piastra è fissata tra due tubi di lenti (Thorlabs, SM1L03).

2. Nanofabrication

1. Tagliare un oro rivestite vetrino di prova (EMF Corp, Cr / Au) in quattro pezzi identici. Come alternativa ai vetrini disponibili in commercio, abbiamo usato anche un spessore 100 nm con un film di Au nm 2 Ti strato di adesione depositato e-beam deposizione su un vetrino 1 pollice quadrato di vetro ad una temperatura del substrato elevata di 200 ° C per almeno 1 ora. Questo produce una pellicola liscia policristallino.
2. Creare un'immagine bitmap del doppio-nanohole struttura come l'ingresso diil fascio di ioni focalizzati (FIB) del sistema è una bitmap. L'immagine è costituito da due cerchi pieni, 160 nm di diametro con una distanza da centro a centro di 190 nm. Questo modello consente di creare una separazione punta di circa 15 nm. Tra i cerchi, una linea sottile opzionale può essere posizionato per rimuovere qualsiasi residuo di metallo tra le punte. Figura 3a mostra un'immagine bitmap esempio.
3. Realizzare il doppio nanohole struttura utilizzando un FIB (Hitachi, FB-2100) sistema di fresatura. Convertire il bitmap in fase di 2,2 in un modello di fresatura FIB (la zona scura nella bitmap viene lavorato in base al FIB). Utilizzare una tensione agli ioni di accelerazione di 40 kV, un fascio apertura limite di 15 micron di diametro inferiore a 60 ingrandimenti K volte. Mulino 80 passa per ogni doppia nanohole con un tempo di dosaggio 5 psec ad ogni passaggio. Figura 3b mostra una tipica struttura risultante. Ripetere se necessario. Nanoholes più opportuno per consentire errori.
4. Aggiungi marcatori di registrazione, sia utilizzando il FIB e / o he per indicare la posizione approssimativa del doppio nanohole (s).
5. Facoltativamente, prendere un'immagine SEM dei fori di valutare con precisione la qualità struttura e separazione punta.

3. Microfluidic Camera

Un diagramma di flusso del processo per fabbricare la camera microfluidico è mostrato in Figura 4.

1. Versare 10 g di polidimetilsilossano (PDMS) base (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Base elastomero di silicone) e un ulteriore 1 g di catalizzatore (Dow Corning Canada, Sylgard 184 elastomero di silicone agente Catalizzatore) in una tazza usa e getta. Mescolare per qualche minuto.
2. Evacuare miscela in camera da vuoto fino a quando tutte le bolle se ne sono andati.
3. Versare 1,5 g di PDMS in un diametro di 9 centimetri piatto Petri. Spin coat PDMS sul fondo della piastra di Petri a 950 rpm per 65 sec. Figura 4b mostra il risultato. Lo spessore non è critica purché sia ​​sotto 80 pm, la pellicola d'oro è all'interno del microscopio oggettivita fondodistanza di lavoro e di.
4. Delicatamente posto 3-5 # 1.5 coprioggetti (Fisher Scientific, 12-541-B) sul modo tale che non si sovrappongano ed evacuare per 30 minuti, come mostrato in figura 4c PDMS.
5. Se coprioggetti spostato e impilati uno sopra l'altro durante l'evacuazione, delicatamente spostare a vicenda. Bisogna usare cautela da mantenere sotto PDMS coprioggetti sottile e uniforme.
6. Se la manipolazione del coprioggetti è stato richiesto, evacuare piastra di Petri di nuovo per 30 minuti.
7. Rimuovere piastra Petri da camera a vuoto e cuocere sulla piastra calda per 20 minuti a 85 ° C.
8. Utilizzando una lama di rasoio, tagliare una delle copertura scivola poi sollevare delicatamente il vetrino con pinzette punta fine. Un sottile strato di PDMS rimarrà sul vetrino come PDMS è più adesivo allo scorrimento vetro di copertura rispetto al piatto Petri PMMA come in Figura 4e.
9. Tagli un x 3 3 mm nella finestra PDMS con una lama di rasoio come in figura 4F. Questa finestra formerà la camera dove la nsoluzione anoparticle saranno mantenute.

4. Preparazione del campione

1. Realizzare un vetrino da microscopio con un ¾ "foro del diametro al centro utilizzando acrilico. Questo può essere realizzato con un taglio laser. Altri materiali possono essere usati pure. Il campione oro verrà posizionato all'interno del foro.
2. Nastro la circonferenza del foro con nastro biadesivo. Utilizzare una lama di rasoio per tagliare nastro in eccesso.
3. Vetrino da microscopio posto al vetrino, PDMS a faccia in su.
4. Diluire la soluzione nanosfere di polistirene (Thermo Scientific, 3020A) da 1% w / v al 0,05% w / v usando acqua deionizzata. Una micropipetta può essere utilizzato.
5. Aggiungere qualche goccia di soluzione nella finestra di PDMS. Aggiungere una goccia sul campione oro dove si trovano le nanoholes.
6. Posto campione di oro in cima coprioggetto tali che le nanoholes sono all'interno della finestra PDMS. Fare bolle sicuro non sono presenti all'interno della camera. Premere campione oro contro coprioggetto e tamponare la soluzione in eccesso.
7. Se si utilizza un obiettivo ad immersione in olio (come nel caso di specie, ma non necessario), aggiungere una goccia di olio di immersione sul lato opposto del vetrino, sotto la finestra PDMS. Prendere nota della posizione dei pattern dalla.
8. Inserire il vetrino da microscopio in supporto diapositive, olio rivolto verso il basso, e quindi supporto diapositive inferiore fino a olio di immersione a contatto con l'obiettivo microscopio.
9. Circa allineare stage della diapositiva in modo tale che i marchi da indicatore sono sotto l'obiettivo.
10. Seguire le linee di indicatore anticipatore fino ai pattern dalla. Posizione diapositiva in modo che segni indicatori o in aree aperte vengono cancellati dal centro dello schermo. Trasmissione della luce eccessiva può danneggiare l'APD.
11. Accendere il laser. Come lo specchio dicroico non è perfetto, un posto vicino al centro dello schermo dal fascio laser dovrebbe apparire.
12. Utilizzando il software di controllo fase piezo, perfezionare ulteriormente l'allineamento su tutti e tre gli assi.

5. Acquisizione dei dati

1. Con il help dei segni indicatori, la posizione del posto vicino ad una posizione nanohole noto. I pattern dalla saranno troppo piccoli per essere risolto e dovrebbe apparire solo come macchie.
2. La trasmissione della luce attraverso il campione viene indicato dal livello del segnale sull'oscilloscopio. Allineare ulteriormente il campione da massimizzare la trasmissione della luce. Fare attenzione di marchi indicatori e graffi visibili e non visibili come trasmissione della luce sarà alto in questi settori. Pattern dalla mostra salti improvvisi nella trasmissione della luce, mentre graffi esibire le modifiche più graduali.
3. Utilizzando il waveplate, regolare la polarizzazione della luce per la massima trasmissione della luce come il doppio nanohole struttura è polarizzata.
4. Per minimizzare il rumore, costruire un filtro RC con la basetta, 200 e 100 k resistenza pF e collegarlo dopo l'APD tramite un cavo coassiale. Questi valori possono essere regolati per ottenere le migliori prestazioni, considerando la larghezza di banda di acquisizione dati richiesti.
5. Collegare oscilloscopio e dati acquisition modulo (Omega, USB-4711A) per il filtro RC con cavi coassiali e adattatore T.
6. Campionare la tensione APD utilizzando il modulo di acquisizione dati per il tempo desiderato. Tempi di acquisizione sono in genere in centinaia di secondi. In questo caso, un pacchetto software personalizzato è stato utilizzato per l'acquisizione dati. La tensione viene campionato a 2000 volte al secondo.
7. Utilizzando Matlab, filtrare i dati acquisiti utilizzando un Savitzky-Golay filtro e tracciare è in funzione del tempo su un grafico.

Risultati

Una traccia di acquisizione tipico è illustrato nella figura 5a. Un evento di cattura è tipicamente improvviso, con un bordo tagliente, che mostra un interruttore evidente tra i livelli di trasmissione di due alimentatori. Poiché le particelle sono soggette a moto browniano, gli eventi di cattura si verifica in modo casuale. Per 20 particelle nm, i cambiamenti di trasmissione di cattura sono stati in genere intorno al 5-10% e tempi di cattura, circa 10-300 sec. Il tempo tipico di realizzare un evento di cattura per l'alimentazione e la concentrazione di cui sopra è dell'ordine di un minuto. A causa dell'impedimento sterico è raro vedere intrappolamento delle particelle multiple simultaneamente, anche se una volta una particella viene rilasciato, viene tipicamente seguita da un successivo evento di cattura. A seconda della qualità dei risultati, ci può essere un aumento nel rumore di segnale nello stato intrappolato. Questo aumento di rumore viene dal moto browniano delle particelle intrappolate. Senza la particella intrappolata, questa sorgente di rumore non è presente.

_content "> Alcuni artefatti possono comparire nei risultati che non sono indicativi di eventi di cattura. risultati mostrano alla deriva, lenti cambiamenti nella trasmissione per un periodo di minuti, come mostrato nella figura 5b, deve essere eliminata. Altri artefatti possono anche essere presenti tali come variazioni di trasmissione incoerenti, i rumori eccessivi o non cattura a tutti., ad esempio, le bolle possono causare salti di intensità discontinua se non si prendono precauzioni per garantire che la camera è priva di bolle. Queste bolle rispondono in maniera diversa agli eventi di cattura in termini di dinamica cambiamento del comportamento e l'intensità, e in modo che siano facilmente identificabili. Tali sintomi possono essere causati da una cattiva doppio nanohole struttura, contaminanti o vibrazioni meccaniche. Situato in posizione tranquilla, a bassa attività impostazione è altamente raccomandato di mettere questa configurazione. Inoltre, permettendo laser e fase per risolvere alcuni minuti dopo l'allineamento può aiutare pure.

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Figura 1 apertura di trasmissione ottica Subwavelength: a) Senza particelle, b) la trasmissione maggiore resa, grazie particelle dielettrico, c) Se i tentativi di particelle di lasciare, la diminuzione della quantità di moto della luce (AT) causerà una forza (F) sulla particella per. tirare indietro nel foro; d) Red-spostamento della curva di trasmissione causato dalla particella, portando alla variazione AT trasmissione.

. Figura 2 a), schema generale di schiacciamento di installazione, ampliamento del cerchio rosso è indicato in b) b) l'allargamento e il doppio nanohole, e le nanosfere all'interno della camera di PDMS, c) Immagine SEM del doppio-nanohole struttura. Acronimi utilizzati: LD = diodo laser; ODF = densità ottica del filtro; HWP = semionda piastra; BE = beam expander; MR = specchio; MO = obiettivo microscopio; OI MO = olio immermicroscopio obiettivo sione; DH = doppio nanohole; APD = valanga fotorivelatore.

Figura 3 a) figura bitmap Esempio utilizzati nella fabbricazione FIB;. B) Una immagine SEM di un doppio nanohole.

Figura 4. Schema di processo per fabbricare la camera microfluidica.

Figura 5. (A) acquisizione tipica di cattura eventi con sfere di polistirene 20 nm. (B) Un acquisto che mostra scarsa acuta deriva.

Discussione

La configurazione attuale ha le capacità di cattura efficaci a causa della struttura del nanohole. Questo trappole nanohole ~ 10 nm scala particelle dielettriche a bassa intensità ottici. Altre nuove trappole ottiche includono ottici antenne a dipolo ^11, sussurri-gallery-mode risonatori ottici ^12,13 e guide d'onda ^14; tuttavia, che in genere operano in regime perturbativo, che è limitata dalla scala inversa quarto ordine della potenza richiesta ottica rispetto delle particelle dimensioni, a differenza del SIBA e fare doppio nanohole trappola. Forme alternative di apertura sono stati presentati trapping, ad esempio un rettangolo nanoporo plasmoniche ^15. Altre caratteristiche favorevoli evidenziati dal doppio nanohole trappola includono il comportamento delle particelle dimensionale selettivo ^7, una posizione unica cattura (per limitare più particelle di cattura) e la facilità di fabbricazione ^16. In alternativa all'utilizzo di un FIB, doppi nanoholes può essere fabbricato utilizzando una litografia colloidaley ^6.

La cattura di materiale biologico di polarizzabilità grandi dimensioni e ha incluso i batteri ^3, cellule viventi ^17,2,18, il mosaico del tabacco ³ virus e la manipolazione e l'allungamento dei filamenti di DNA utilizzati attacchi alle estremità con particelle dielettriche grandi ^19; tuttavia, cattura diretta di piccoli campioni biologici senza tethering rimane difficile. Questa configurazione di cattura è in grado di intrappolare particelle dielettrica con intensità di luce inferiori rispetto pinzette luminose tradizionali e la nanohole circolare, permettendo piccole particelle biologiche, che si terrà per lunghi periodi di tempo senza danni o tethering. Inoltre, gli eventi di cattura presentano un alto rapporto segnale-a-rumore questa configurazione consentendo di lavorare come sensore sensibile e rilevare le più piccole particelle biologiche, quali virus e proteine. Infatti, 20 sfere di polistirene nm hanno un indice di rifrazione di 1,59 che è paragonabile alle più piccole particelle biologichequali i virus. Questo metodo potrebbe diventare una tecnica affidabile e maturo per l'immobilizzazione e la manipolazione di nanoparticelle, tra cui le particelle biologiche.

Applicazioni di questa tecnica includono integrazione in un ambiente microfluidica. Invece di una sola camera microfluidica, un canale potrebbe essere utilizzato per controllare dinamicamente l'ambiente, ideale per il rilevamento di indice di rifrazione. Tale impostazione sarebbe fissato in un unico chip microfluidico portando ad una configurazione più stabile e robusto e veloce analisi di soluti. Un'altra opzione è lo sviluppo di un sistema di rivelazione di fluorescenza per la caratterizzazione dei singoli fluorescente-tagged virus, punti quantici di semiconduttori e proteine ​​fluorescenti verdi. Questa configurazione ha anche un potenziale di trasformazione in un biosensore per un singolo virus o proteine, consentendo piccoli campioni da analizzare. Drug Discovery ²¹ e malattie e infezioni di rilevamento ²² trarrebbero beneficio da un rilevatore di singola proteina. Raman spectroscopy può essere incorporato per il rilevamento di segnali Raman di particelle e singoli eventi di legame. La doppia struttura permette nanohole forti miglioramenti di campo locale sulle punte, appropriati per la punta-enhanced Raman spettroscopia ^23. Un altamente specifica etichetta senza metodo di caratterizzazione materiale sarebbe anche possibile usando spettroscopia Raman ^24.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Nome	Fabbricante	Numero di serie	Commenti
Olio di immersione	Cargille Labs	16484	Quantità: 1
Sylgard 184 Kit di silicone elastomero	Dow Corning Canada		Quantità: 1 Contiene sia di base PDMS e catalizzatore
Oro vetrini rivestiti	EMF Corp	Cr / Au	Quantità: 1 Uno strato di adesione di Ti può essere utilizzato anche
Nessun 1,5 coprioggetto	Fisher Scientific	12-541-B	Quantità: 1
Focused Ion Beam-Sistema	Hitachi	FB-2100
Modulo di acquisizione dati portatile	Omega Engineering	USB-4711A	Quantity: 1
Linear Stage	Parker	4034M	Quantità: 1
Laser Testa di diodi e di controllo	Sacher Lasertechnik Gruppo	TEC 120	Quantità: 1 Manuale di sistema laser sintonizzabile Littrow
Oscilloscopio digitale	Tektronics	TDS1012	Quantità: 1
20 nm Nanosphere Size Standards	Thermo Scientific	3020A	Quantità: 1
1 "Attacco obiettivo	Thorlabs	LMR1	Quantità: 1
0.3 "lente del tubo	Thorlabs	SM1L03	Quantità: 2
Di assorbimento ND 4,0 filtro	Thorlabs	NE40A	Quantità: 1
Alluminio Breadboard	Thorlabs	MB1824	Quantità: 1
Avalanche Fotodiodo	Thorlabs	APD110A	Quantità: 1
Digital Optical Power Meter	Thorlabs	PM100	Quantità: 1 Obsoleti, altri faranno
Forza Modulo di misura	Thorlabs	OTKBFM	Quantità: 1
Cinematica Mirror Mount	Thorlabs	KM200-E03	Quantità: 1 Con dintorni di Quality Specchio IR Laser
Diodo laser driver a corrente costante	Thorlabs	LD1255R	Quantità: 1
LD1255 piano di lavoro ottico di montaggio	Thorlabs	LD1255P	Quantità: 1
Montato acromatico semionda piastra	Thorlabs	AHWP05M-980	Quantità: 1 690 - 1200 nm
Tweezer Kit Ottico	Thorlabs	OTKB / M	Quantità: 1 Metrico o Imperiale
Messaggio Base Holder	Thorlabs	BA2	Quantità: 2
Alimentazione	Thorlabs	PS-12DC-US	Quantità: 1
Cavo di Alimentazione	Thorlabs	LD1255-CAB	Quantità: 1
Angolo piatto destro	Thorlabs	AP90	Quantità: 1
Morsetto ad angolo destro Messaggio	Thorlabs	RA90	Quantità: 1
Acciaio inossidabile Messaggio ottico	Thorlabs	TR3	Quantità: 1
Tabella Morsetto	Thorlabs	CL1	Quantità: 2 Obsoleti, altri faranno
Sensore termico	Thorlabs	PM210	Quantità: 1 Per digitale misuratore di potenza ottica
100 pF condensatore			Quantità: 1 Ogni marchio, non critico
200 Resistenza KOhm			Quantità: 1 Ogni marchio, non critico
Foglio acrilico			Quantità: 3 "x 1" Ogni marchio, non critico
Assortimento di cavi coassiali, cavi e connettori			In base alle esigenze
Breadboard			Quantità: 1 Ogni marchio, non critico
Concave Lens			Quantità: 1 Ogni marchio, non critico
Diamante Cutter			Quantità: 1 Ogni marchio, non critico
Nastro biadesivo			Ogni marchio, non critico
Lametta			Quantità: 1 Ogni marchio, non critico
Pinzetta			Quantità: 1 Ogni marchio, fine punta