ナノ粒子の光トラッピング

サマリー

誘電体の低電力光トラッピング次のセットアップアプローチの詳細は金属膜でダブルナノホールを用いたナノ粒子。

要約

光トラッピングは、光を用いた穏やかな方法で小さな物体を固定化して操作するための技術であり、それは広く小さな生物粒子をトラップすると操作に適用されている。アシュキンと共同研究者は、初のシングル¹集光ビーム^を用いた光ピンセットを実証しました。シングルビームトラップは小さなレイリーレジーム粒子¹の場合の摂動勾配力の製剤を使用して正確に記述することができます。摂動的領域では、光パワーは、粒径の逆四乗と粒子スケールをトラップするために必要。高い光学パワーは誘電体粒子を破損し、発熱を引き起こす可能性があります。例えば、直径109 nmの閉じ込められたラテックス球は生物学的物質^2,3のための重大な意味を持って25秒¹で15 mWのビームによって破壊された。

自己誘導のバックアクション（SIBA）光トラッピングは、50 nmのポリスチレン球をトラップするために提案されました非摂動体制^4。非摂動領域では、背景にはほとんど誘電率のコントラストでさらに小さな粒子は著しく周囲の電磁界に影響を与え、大きな光力を誘発することができる。粒子が照射された開口部に入ると、光伝送は、誘電体の読み込み劇的に増加します。粒子がアパーチャのまましようとすると、減少した伝送は、粒子を捕集する、穴の中に、ニュートンの第三法則により、粒子の内側に上の力で結果を穴から勢いを外側の変化を引き起こすと。光透過率を監視することができる。したがって、トラップがセンサーになることができます。 SIBAトラッピング技術はさらにダブルナノホール構造を用いることで改善することができます。

ダブルナノホール構造は、地元の強い電場増強^5,6を与えることが示されている。ダブルナノホールの2つの鋭い先端の間に、小さな粒子は、光transmissioの大きな変化を引き起こす可能性がありますnは、それによって大きな光力を誘導する。その結果、より小さいナノ粒子は、12nmのケイ酸球⁷と3.4 nmの流体力学半径ウシ血清アルブミンタンパク質⁸として、捕捉することができる。本研究では、ナノ粒子のトラッピングに用いた実験構成が概説されています。まず、詳細Thorlabs光ピンセットキットに基づいているトラッピングセットアップのアセンブリ。次に、我々は、金属膜、マイクロ流体チャンバーの製作と試料調製でダブルナノホールの微細加工手順を説明します。最後に、我々は詳細データの取得手順を、20 nmのポリスチレンナノ微粒子を捕集するための典型的な結果を提供します。

プロトコル

SIBAトラッピング技術の原理を図1に示します。 図2に実験装置の概略図である。

1。光トラッピングセットアップ

手順のこのセクションについては、キットのセットアップの詳細については光トラッピングキットマニュアル⁹または光学式力計測モジュール取扱説明書¹⁰を参照してください。アバランシェフォトダイオード（APD）は象限位置検出器の代わりに使用されることに注意してください。光トラッピングキットに含まれていないネジは、キャップスクリューとハードウェア·キット（Thorlabs、HW-KIT2）のものを使用します。レーザーがオンのときに目の保護具を常に着用する。ビームは安全な領域内に含まれており、そのような宝石のような反射アクセサリーは、避けるべきであることを確認してください。レーザダイオードを取り扱うときにも、静電放電保護が賢明です。

1. 光ピンセットキット（Thorlabs、OTKB / M）と力measを設定するそれぞれの製品の取扱説明書に従ってurementモジュール（Thorlabs、OTKBFM）。シリコンベースのアバランシェフォトダイオード（APD）（Thorlabs、APD110A）は象限位置検出器は、力測定モジュールの（Thorlabs、OTKBFM）の代わりに使用されます。
2. 同軸ケーブルを介してオシロスコープ（Tektronics、TDS1012）にAPDを接続します。
3. ビームエキスパンダー内部半波長板（Thorlabs、AHWP05M-980）を追加します。半波長板が2つのレンズチューブ（Thorlabs、SM1L03）との間で締結されている。

2。ナノファブリケーション

1. 4同一のピースに金コーティングテストスライド（EMF社は、Cr / Au）を切り取ります。市販のスライドに代わるものとして、我々はまた、時のために200℃の高温基板温度で1平方インチスライドガラス上に電子ビーム蒸着法により堆積2nm以下のTi密着層と、厚さ100nmのAu膜を使用していた少なくとも1時間。これは滑らかな多結晶膜を生成します。
2. への入力としてダブルナノホール構造体のビットマップイメージを作成集束イオンビーム（FIB）システムはビットマップです。画像は、2つの黒丸、190nmの中心間距離、中心に直径160nmで構成されています。このテンプレートは、約15nmの先端分離を作成します。サークルの間で、任意の細い線が先端の間の任意の残留金属を除去するために配置することができます。 図3aは、例えばビットマップイメージを示しています。
3. FIB（日立は、FB-2100）ミリング装置を用いたダブルナノホール構造を作製。 FIBミリングパターン（ビットマップ内の暗い領域がFIBによって粉砕される）にステップ2.2でビットマップに変換します。 40 kVの、60 K倍の倍率で15μmの直径の開口を制限するビームのイオン加速電圧を使用しています。ミル80は、各パスで5μsecの投与時間を各ナノホールダブルで通っている。 図3bは、典型的な結果として得られる構造を示しています。必要に応じて繰り返します。エラーを許容するように、複数のナノホールがなされるべきである。
4. どちらFIBおよび/またはHでを使用して、登録のマーカーを追加および（S）ダブルナノホールのおおよその位置を示します。
5. 必要に応じて、正確に構造品質​​と先端の分離を評価するために穴のSEM像を撮る。

3。マイクロ流体商工会議所

マイクロ流体チャンバーを製造するためのプロセスフロー図を図4に示します。

1. 使い捨てカップにポリジメチルシロキサン（PDMS）ベース（ダウコーニングカナダ、シルガード184シリコーンエラストマーベース）の10グラムと硬化剤の追加1グラム（ダウコーニングカナダ、シルガード184シリコーンエラストマー硬化剤）を注ぐ。数分間混ぜる。
2. すべての泡がなくなるまで、真空チャンバー内に混合物を避難させる。
3. 直径9cmシャーレにPDMSの1.5グラムを注ぐ。 65秒図4b 950 rpmでシャーレの底にスピンコートPDMSは結果を示しています。厚さは80μmである下である限り重要ではなく、金膜が底顕微鏡objectiv内にあるeのワーキングディスタンス。
4. 優しく場所3月5日＃1.5 図4cに示すように、彼らは30分間重なり、避難しないように、PDMS上にカバースリップ（フィッシャーサイエンティフィック、12-541-B）。
5. カバースリップの移動や避難時の互いの上に積み重ねた場合は、静かにお互いを離れてそれらを移動します。注意が薄く均一なカバーガラスの下にPDMSを維持するように注意しなければなりません。
6. カバースリップの操作が必要であった場合、30分間再びシャーレを避難。
7. 真空チャンバからペトリ皿を取り外し、85℃で20分間ホットプレート上で調理℃に
8. カミソリの刃を使用して、カバーの1つが優しく細かい先端のピンセットを使用したスライドをこじ開けスリップ切り取る。 PDMSは図4eのように、PMMAのペトリ皿よりもガラスカバースリップに、より接着剤であるとして、PDMSの薄い層がカバースリップ上に滞在します。
9. 図4fのようにカミソリの刃でPDMSにおける3×3 mmの窓を切り取る。このウィンドウには、チャンバーを形成することになるここで、nanoparticle溶液は保持されます。

4。試料調製

1. アクリルを使用して中央に¾ "直径の穴を顕微鏡スライドを作製し、これをレーザーカッターで達成することができる。他の材料も同様に使用することができます。金サンプルは穴の内部に配置されます。
2. テープ、両面テープで穴の周囲を。過剰なテープをカットするカミソリの刃を使用しています。
3. カバースリップの上に置いて、顕微鏡スライド、PDMSは表向き。
4. 1％w / vのからw / vの脱イオン水を使用して0.05​​％にポリスチレンナノ粒子溶液（サーモサイエンティフィック、3020A）を希釈します。マイクロピペットを使用することができます。
5. PDMSのウィンドウ内の溶液を数滴を追加します。ナノホールが配置されている金の試料上にドロップを追加します。
6. ナノホールはPDMSのウィンドウ内にあるようなカバースリップの上に金のサンプルを入れます。気泡がチャンバ内に存在しないことを確認してください。カバースリップとDAB余分な溶液に対して金のサンプルを押してください。
7. 油浸対物レンズ（必要な場合は、ここですが、そうでないとして）を使用している場合は、PDMSのウィンドウの下に、カバーガラスの反対側に液浸オイルのドロップを追加。ナノホールの場所をメモしておいてください。
8. 液浸油は、顕微鏡の対物レンズと接触するまでスライドホルダー、下向きにオイルしてから、下部のスライドホルダーに顕微鏡スライドを挿入します。
9. 大体インジケーターマークが目的の下にあるようなスライドステージの位置を合わせます。
10. ナノホールに至るまでの表示ラインに従ってください。インジケータ·マークやその他のオープンエリアが画面中央からクリアされるような位置にスライド。過度の光透過率は、APDを損傷することがあります。
11. レーザーをオンにします。ダイクロイックミラーは完璧ではないように、レーザービームから画面の中心付近のスポットが表示されるはずです。
12. ピエゾステージ制御ソフトウェアを使用し、さらに、すべての3つの軸でアライメントを微調整。

5。データ収集

1. HELとインジケーターマークの電話、位置既知のナノホール場所の近くにスポットを。ナノホールは、解決するには小さすぎるであろうとスポットとしてのみ表示されます。
2. 試料を通る光の透過をオシロスコープの信号レベルによって示されます。光透過率を最大にするように、さらに、試料の位置を合わせます。インジケーターマークと光伝送は、これらの分野で高いだろうとして、可視と不可視の傷のように注意してください。傷がより緩やかな変化を示しながら、ナノホールは、光透過率の突然のジャンプが表示されます。
3. ダブルナノホール構造が偏光しているように波長板を使用し、最高の光伝送用の光の偏光を調整します。
4. 、ノイズを最小限に抑えるため、ブレッドボード、200kΩの抵抗と100pFのコンデンサでRCフィルタを構築し、同軸ケーブルを介して、APDの後にそれを接続します。これらの値は、必要なデータ取得の帯域幅を考慮し、最適なパフォーマンスを得るために調整することができます。
5. オシロスコープやデータアキを接続する同軸ケーブルとTアダプタ付RCフィルタにitionモジュール（オメガ、USB-4711A）。
6. 所望の時間データ集録モジュールを使用してAPDの電圧をサンプリングする。取得時間は秒の何百もののが一般的です。この場合、カスタムソフトウェアパッケージは、データ取得のために使用された。電圧は、毎秒2000回でサンプリングされます。
7. MATLABを使っては、Savitzky-Golayフィルタを使用して取得したデータをフィルタリングして、グラフ上の時間に対してプロットします。

結果

典型的な買収·トレースを図5aに示されています。トラップイベントは、2つの送信電力レベルとの間に明確なスイッチを示す、鋭いエッジで、特徴的に突然です。粒子がブラウン運動の対象になると、トラップイベントがランダムに発生します。 20 nmの粒子では、トラップからの送信の変更は10から300秒の周りに、5〜10％と捕獲回程度一般的になりました。上記のパワーと濃度のトラッピングイベントを達成するための典型的な時間は1分程度である。粒子が放出されれば、それは一般的に、後続のトラップイベントが続いているが、立体障害のために、それは、同時に複数の粒子捕捉を見ることはまれである。結果の質に応じて、トラップされた状態の信号ノイズのいくつかの増加があるかもしれません。このノイズの増加は、トラップされた粒子のブラウン運動から来ている。トラップされた粒子がなければ、このノイズ源が存在していません。

_content ">一部のアーティファクトは、トラップイベントを示すものではありません検索結果に表示される場合があります。 図5bに示すよう分間にわたって伝送で漂流し、緩やかな変化を示す結果は、破棄する必要があります他の人工物が存在していてもよいようなケアがチャンバーは無気泡であることを保証するために取られていない場合は一貫性のない伝送が変更されると、過剰なノイズまたは全くトラッピングは、例えば、気泡が不連続強度ジャンプを生じる可能性があるからです。これらの泡は、動的な面でトラップイベントに応答が異なる挙動と強度の変化、そして、彼らは容易に識別できます。このような症状が乏しいダブルナノホール構造、汚染物質や機械的振動によって発生する可能性があります、静かで低活性の設定が非常にこのセットアップを配置することをお勧めしますまた、可能レーザーと合わせた後、数分を決済するステージも助けることができます。

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図1サブ波長開口部光伝送：）粒子なし;誘電体粒子によってaとb）増加伝送するステップと、c）粒子の試みがままにした場合、光の運動量（ΔT）の減少はへのような粒子に働く力（F）を発生します。穴にそれを引き戻すと、d）伝送ΔTの変化につながる、粒子に起因する伝送曲線のレッドシフト。

図2は 、赤丸の拡大がb）でセットアップを捕捉する）総合的な模式図に示されていること、b）拡大はダブルナノホールを示す、およびPDMSチャンバー内ナノスフェア、ダブルナノホール構造のc）SEM像。使用されている略語：LD =レーザーダイオード; ODF =光学濃度フィルタ; HWP =半波長板、ビームエキスパンダー= BE、MR =ミラー、MO =顕微鏡対物; OI MO =油イメルシオン顕微鏡対物; DH =ダブルナノホール; APD =アバランシェ光検出器。

図3 FIB加工で使用される）例のビットマップ図; ますb）ダブルナノホールのSEM像。

図4マイクロ流体チャンバーを製造するためのプロセス·ダイアグラム。

図5 20nmのポリスチレン球を使用してイベントを捕捉（a）の典型的な買収。 （b）は急性漂流を示す貧しい買収。

ディスカッション

現在の設定はナノホールの構造に起因し効果的な捕捉能力を持つ。低い光強度でこのナノホールトラップ〜10 nmスケール誘電体粒子。他の新規光学トラップは、光学ダイポールアンテナ^11、ウィスパリングギャラリーモード光共振器^12,13と導波路^14を含むが、これらは一般的に、必要な光パワーに対する粒子の逆四次スケーリングによって制限されている摂動政権で動作サイズ、SIBAとダブルナノホールトラップとは異なります。代替開口部の形状は、そのような長方形のプラズモニックナノ細孔¹⁵として、捕獲のために提示されています。ダブルナノホールトラップによって示される他の有利な資質は、粒子サイズ選択行動^7、単一トラップ場所（多粒子捕獲を制限するため）、および製作¹⁶のしやすさを含む。 FIBを使用する代わりに、ダブルナノホールはコロイドリトグラフを用いて作製することができますY ^6。

大きな分極率とサイズの生物学的物質の捕捉菌^3に含まれている、生きている細胞^17,2,18、タバコモザイクウイルス³と操作と大きな誘電体粒子¹⁹が両端でつながれたDNA鎖の伸張であるが、直接のトラッピングは小さいテザリングなしの生体試料は依然として厳しい。このトラップ設定は、小さな生物粒子が損傷またはテザリングせずに長時間保持することができるように、従来の光ピンセットと円形ナノホールより低い光強度で小さな誘電体粒子を捕捉することが可能です。また、トラップイベントは、このセットアップは敏感なセンサーとして機能し、ウイルスやタンパク質などの生物学的最小の粒子を検出することができ、高い信号対雑音比を示す。実際には、20nmのポリスチレン球は、最小の生物学的粒子に匹敵する1.59の屈折率を有することウイルスなど。この方法は、生物学的な粒子を含む、ナノ粒子の固定化と操作のための信頼性の高い成熟した技術になる可能性があります。

この技術の応用は、マイクロ流体環境への統合が含まれます。代わりに、単一のマイクロ流体チャンバー、チャネルが動的屈折率検出のための理想的な環境を制御するために使用されるであろう。このような設定は、より安定した堅牢なセットアップと溶質の高速分析につながる単一マイクロ流体チップ内に設定されるであろう。別のオプションは、単一の蛍光標識ウイルス、半導体量子ドットおよび緑色蛍光タンパク質の特性評価のための蛍光検出方式の開発である。また、この設定では、非常に小さなサンプルを分析できるようになり、単一のウイルスまたはタンパク質のバイオセンサーへの変更のために可能性を秘めています。創薬²¹と疾患と感染症検出^部22は 、単一のタンパク質検出器の恩恵を受けるだろう。ラマンSPEctroscopyは、粒子と単結合事象のラマン信号の検出のために組み込むことができます。ダブルナノホール構造は、チップ増強ラマン分光法²³に適し、先端に強い局所的な場の拡張を可能にします。材料特性の特異性の高いラベルフリー法もラマン分光法^24を用い^て可能であろう。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
名前	メーカー	シリアルナンバー	注釈
液浸油	Cargille Labs社	16484	数量：1
シルガード184シリコーンエラストマーキット	ダウコーニングカナダ		数量：1 PDMSをベースと硬化剤の両方が含まれています
ゴールドコーティングされた試験スライド	EMFのコープ	のCr / Auの	数量：1 のTi接着層も同様に用いることができる
いいえ1.5カバースリップん	フィッシャー·サイエンティフィック	12から541-B	数量：1
集束イオンビームシステム	日立	FB-2100
ポータブルデータ集録モジュール	オメガエンジニアリング	USB-4711A	Quantity：1
リニアステージ	パーカー	4034M	数量：1
レーザダイオードヘッドとコントローラ	ザッハーLasertechnikグループ	テック120	数量：1 マニュアルチューニング可能リトローレーザーシステム
デジタルオシロスコープ	Tektronics	TDS1012	数量：1
20nmのナノスフェアサイズ規格	サーモサイエンティフィック	3020A	数量：1
1 "レンズマウント	Thorlabs	LMR1	数量：1
0.3 "のレンズチューブ	Thorlabs	SM1L03	数量：2
吸収型NDフィルター4.0	Thorlabs	NE40A	数量：1
アルミBreadboaRD	Thorlabs	MB1824	数量：1
アバランシェフォトダイオード	Thorlabs	APD110A	数量：1
デジタル光パワーメータ	Thorlabs	PM100	数量：1 廃止された、他の人が行います
力測定モジュール	Thorlabs	OTKBFM	数量：1
キネマティックミラーマウント	Thorlabs	KM200-E03	数量：1 近赤外レーザー品質ミラー付き
レーザーダイオード定電流ドライバ	Thorlabs	LD1255R	数量：1
LD1255光学テーブル取り付けプレート	Thorlabs	LD1255P	数量：1
マウントされた色消し半波長板	Thorlabs	AHWP05M-980	数量：1 690 - 1200 nmの
光ピンセットキット	Thorlabs	OTKB /男	数量：1 メートル法またはインペリアル
ホルダーベースを投稿	Thorlabs	BA2	数量：2
電源	Thorlabs	PS-12DC-US	数量：1
電源ケーブル	Thorlabs	LD1255-CAB	数量：1
アングルプレート	Thorlabs	AP90	数量：1
アングルポストクランプ	Thorlabs	RA90	数量：1
ステンレス鋼の光ポスト	Thorlabs	TR3	数量：1
テーブルクランプ	Thorlabs	CL1	数量：2 廃止された、他の人が行います
熱センサー	Thorlabs	PM210	数量：1 デジタル光パワーメータ
100pFのコンデンサ			数量：1 どのブランド、重要ではありません
200 Kオーム抵抗			数量：1 どのブランド、重要ではありません
アクリル板			数量：3 "×1" どのブランド、重要ではありません
同軸ケーブル、ワイヤおよびコネクタの品揃え			必要に応じ
パン切り台			数量：1 どのブランド、重要ではありません
凹レンズ			数量：1 どのブランド、重要ではありません
ダイヤモンドカッター			数量：1 どのブランド、重要ではありません
両面テープ			どのブランド、重要ではありません
かみそりの刃			数量：1 どのブランド、重要ではありません
ピンセット			数量：1 どのブランド、罰金がひっくり返した