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方法論記事

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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DOI:

10.3791/52842

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2015年8月26日

 ,  ,  , 
1Electrical Engineering, Stanford University, 2Applied Physics, Stanford University

この記事について

サマリー

従来の光学操作技術のスケーラビリティと解像度は、回折によって制限されます。回折限界を回避し、間隔の狭いC字型プラズモニック共振器の経路でパターン化された金表面を使用して、チップ上をナノ粒子を光学的に輸送する方法を説明します。

要約

トラップに集束レーザービームを用いる技術と小さな粒子に力を発揮するには、過去数十年にわたりナノスケールの生物学的および物理学の多くの重要な発見を可能にしました。この分野での進展をより容易に分散され、より広く利用可能にすることができたツールを使って、さらに小さなシステムの、大規模でのさらなる研究を誘います。トラップにハード直径半波長よりも粒子が小さくなり、一般に、1つの半分以上互いに接近している粒子とを区別からオペレータを防ぎ、レーザビームの焦点スポットの残念ながら、回折限界の基本法則は、最小サイズ、 -wavelength。これは、多くの密集したナノ粒子の光学的操作を排除し、光学機械システムの分解能を制限します。また、収束ビームを使用して操作が非常にかさばるし、高価になることができ、ビーム形成またはステアリング光学系を必要とします。対処するために、これらの制限は、従来の光トラッピングのシステムのスケーラビリティに私たちの研究室は、チップ全体の粒子を移動させるために、近接場光学系を利用した代替技術を考案しました。代わりに、遠視野でのレーザビームの集束、プラズモン共振器の近接場光は、回折の制限を克服し、より高い解像度で粒子を操作するために必要な局所光強度強化を生み出します。密集した共振器は、コンベヤーベルト状の次に1からの粒子のハンドオフを媒介するために対処することができる強力な光トラップを生成します。ここでは、設計と生産プラズモンC字型共振器を用いてパターニング金表面を使用して、コンベアベルトをし、超解像のナノ粒子の操作と輸送を達成するために、偏光レーザ光とそれを操作する方法する方法について説明します。ナノ光学コンベヤベルトチップは、リソグラフィー技術を用いて製造され、容易にパッケージ化して配布することができます。

概要

シングルナノ粒子の捕獲、尋問や操作はナノテクノロジーの成長に重要です。光ピンセットは、彼らがそのような単一DNA分子4の機械的特性の測定などの画期的な実験を有効にしている分子生物学1-4、5-7化学とナノアセンブリ7-10に実験に特に成功した操作技術となっていると、その光学特性11,12による細胞の選別。これらのフロンティア上の発見があっても小規模なシステムの研究を開き、彼らは新しい事実上有益な製品や技術のエンジニアリングのための方法を作ります。今度は、この傾向はより小さく、より基本的な粒子を操作するための新しい技術の必要性を駆動します。また、外の化学的および生物学的試験をもたらすために、より安く、より小さなパッケージでこれらの機能を実行するには、「ラボオンチップ」デバイスを構築するためのプッシュがあります医療や他の目的13,14のための実験室とフィールドへ。

残念ながら、従来の光トラッピング（COT）は、ナノテクノロジーの増大する要求をすべて満たすことができません。 COTは、光強度と電磁界エネルギーの高い勾配の局所的ピークを作成し、タイトな焦点にレーザー光をもたらすために、高開口数（NA）の対物レンズを使用するメカニズムで動作します。これらのエネルギー密度勾配は、一般に、焦点の中心に向かってそれらを描画する光散乱粒子上に正味の力を及ぼします。小さい粒子を捕捉することは、より高い光パワーやタイトなフォーカスが必要です。しかし、光の集束ビームの焦点の最小サイズを制限し、エネルギー密度勾配に上限を課す回折の原理を、従います。 COTが効率的にトラップ小さなオブジェクトをすることができず、COTのトラブル近接した粒子とを判別、トラッピング解像度を持っています。これは、2つの即時の結果を有します制限は「脂肪指の問題として知られています。さらに、COTで複数の粒子トラップの実装は大幅に光トラッピングシステムのコストと複雑さを増大させるビームステアリング光学素子または空間光変調器、コンポーネントのシステムを必要とします。

光の従来の集束ビームの基本的な制限を回避する1つの方法は、ファーフィールドに伝播するように言った、代わりに近接場光学電磁エネルギーの勾配を利用することです。近接場は、非常にこれらの供給源に局在し、それは、そのエネルギー密度が非常に高い勾配を示すだけでなくことを意味し、指数関数的に離れた電磁界の発生源から減衰します。さらに近いINFRで金と銀のプラズモン作用によって強化された近くに、このようなボウタイ開口、ナ​​ノ柱、およびC形の彫刻などのナノ金属共振器の分野、電磁エネルギーの異常な濃度を示すことが示されています、aredと光の波長。これらの共振器は、高効率と解像度15-22のトラップ非常に小さい粒子に使用されています。この技術は、小さな粒子を捕捉するのに有効であることが証明されているが、それはまた、近接場システムは、遠視野システムまたはマイクロ流体とインターフェースするようにされている場合に必要となる、かなりの範囲に亘って粒子を輸送する能力が制限されることが証明されています。

最近、我々のグループは、この問題に対する解決策を提案しています。共振器は、互いに非常に近接して配置される場合、粒子は、原理的には表面から放出されることなく、次の1つの近接場光トラップから移動することができます。隣接トラップが別々にオン・オフすることができれば搬送方向を決定することができます。各共振器は、そのネイバーとは異なる光の偏光または波長に敏感である、三つ以上のアドレス可能な共振器の線形アレイは、nanopartiを輸送、光コンベヤーベルトとして機能しますチップ上に数ミクロンの距離にわたってクル。

それが所定の位置に粒子を保持することができ、それはまた、パターン化されたトラックに沿って高速で移動したりすることができ、収集または粒子を分散させるだけでなく、として、いわゆる「ナノ光コンベヤーベルト」（NOCB）は、プラズモン共振器の捕獲スキームの中で一意ですミックスし、それらをキューに入れ、さらにはそのような彼らのモビリティ23などの特性により、それらを並べ替えます。これらの機能の全ては、ビームステアリング光学系を必要とせず、照明の偏光又は波長を調節することによって制御されます。近接場光学トラップとして、NOCB捕捉分解能は、従来の集束ビーム光トラップよりも高いので、近接した粒子を区別することができます。それがうまくトラップに光を集中させる金属ナノ構造を使用しているため、それが電力効率であり、そのような高NAの対物レンズなどの高価な光学部品を必要としません。さらに、多くのNOCBsは高い充填デンで、並列に動作することができます同一基板上にsity、および電源の1 Wは1200以上の開口部23を駆動することができます。

我々は最近、スムーズに4.5μmのトラック24に沿って前後にナノ粒子を推進、第一の偏光駆動型NOCBを示しました。この記事では、光学的に、デバイスを設計し、製造するために必要な手順を提示し、それを活性化し、輸送実験を再現します。我々は、この技術が広く利用できるようにするマイクロフルイディクス、遠視野光学、ナノスケールデバイスと実験の間のサイズのギャップを埋めるのに役立ちますことを願っています。

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プロトコル

1.デザインC字型彫刻（CSE）アレイ

  1. アレイパターンを設計します。

figure-protocol-1
コンベアベルトの繰り返し要素の図1. CSEレイアウト。描写。成功したトランスポートは、D、Y = 320nmであり、d はx = 360 nmのを使用して達成されました。彫刻の隣接する対は、オフセット60°の相対的な回転を持っている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

  1. 平面基板全体の粒子の所望の経路を決定します。
  2. 図1に示すように、CADプログラムを使用して、経路に沿ってC字形状のポリゴンの二重線形アレイを生成し、各ペアの各ポリゴンが連続して、粒子自身のVから。その凸包約30±90°回転olumeおおよそそのハンドオフ範囲22を決定し 、連続したペアを分離する1以下の粒子径を残していない、とのペアでのポリゴン中心間のこの距離のこれ以上の90％以上にしておきます。
    注：参考までに、以前の研究では、390ナノメートルのポリスチレン球の直径と上記のようなCSEのアレイに沿った輸送のために最も適していることが示されています。 200 nmと小さいビーズはないが確実に操作することができます。しかし、500ナノメートルよりも大きなビーズは、集束照明ビームからの強い競合力を感じます。
  1. マクスウェル方程式を解くための数値的方法を使用して配列パターンに沿ってハンドオフ力を確認してください。本明細書に記載された手順は、市販のソフトウェアによって実現さCOMSOL有限要素法（FEM）に関係するが、それは他の数値の方法および実施のために、この方法を適合させることが可能です。
    1. 平面パターンの寸法と内線を収容して数値的方法ジオメトリを描きますパターン面と平面上の600 nm以下の少なくとも200ナノメートルを終了します。平面の下、基板と流体室を表現する平面上の領域を表すためにドメインが含まれています。彫刻の内部を表現するために、3Dドメインを作成し、下向きに基板に平面状のC字状のパターンは150nmを押し出します。所望の形状を有する粒子のドメインをご紹介します。
      1. 粒子の上部とシミュレーションボリュームの天井との間のスペースの少なくとも200ナノメートルがあることを確認し、必要に応じてシミュレーションエクステントを調整します。外側の放射線を吸収するために、シミュレーションの開境界に完全にマッチした層を厚さが少なくとも500ナノメートルを追加します。
    2. 水のそれらへのインタフェース上にドメインの電磁材料特性を設定し、水素シルセスキオキサン（HSQ）、及びGOLのものと残りの材料の材料特性のものと、C字型の彫刻の内部の材料特性D。ポリスチレンまたは任意の他の材料のものに、粒子の材料特性を設定します。簡単にするために、リニア電磁材料モデルを使用しています。
      注：サンプルの完全な3D形状を図2に示されているこの場合、デカルト±xにおけるPML材料ドメイン、Y、±、および+ Z境界がフィールドは無限に伝播することを意味し吸収します。 PMLの厚さは5×100ナノメートル= 500 nmの5倍に等しい最大の四面体メッシュ要素のサイズ、であると定義されます。
    3. 金のために3.57i -誘電ɛrと透磁率μrが手元に数値ソルバーの入力を要求される場合は、HSQのための1.96、水の1.77、および-52.15の比誘電率を使用しています。誘電率と透磁率以外の電磁材料特性が必要な場合は、標準的な電磁アイデンティティに応じて必要な入力を導出するために、これらの値を使用し、1にすべての相対透過度を設定します。適切な符号Oを使用F数値ソルバーの複雑な時間ハーモニック符号規則に従って金の虚部は、（ - 私はTω）大会には、EXP（+ EXP下iωt）大会と正（下の負でなければなりません）。

figure-protocol-2
商業有限要素法ソフトウェアCOMSOLにおける数値シミュレーションジオメトリの図2.シミュレーションジオメトリ。例。二つのコンベアベルト期間は、dは、Y = 320nmであり、d はx = 360 nmおよび500 nmの直径の球でシミュレートされます。網掛け材料領域は、a）のHSQ、B）ポリスチレン、c）の金、及びd）水である。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

  1. 適応四面体mのシミュレーションボリュームを離散化ESH。大量に大きくない100nm以下にメッシュ要素の最大サイズを制限します。さらに、重要な構造上の精度を高めるために彫刻表面の球表面に30 nmおよび30 nmのメッシュ要素の最大サイズを制限します。約1.4の中程度のメッシュの成長速度は、これらの領域内のメッシュ要素の品質を維持するために使用されるべきであり、最小メッシュサイズは、予測不可能な適応メッシュの動作を制限するためにボリュームで定義することができます。
  2. 光励起のために、彫刻や粒子が存在しなかったかのように垂直に入射し、平面金基板から反射1,064ナノメートルの自由空間波長と背景高調平面波を定義します。平面波の反射と透過係数を計算するために垂直の入射角で評価フレネルの式を使用してください。電界がC字型彫刻の稜線と整列されるように、この波の偏光を選択してください。平面波の強度を正規化1ミリワット/μm2です。
  3. 表面からわずか数ナノメートルの粒子の高度を一定に保持しながら、パスの一方の端から他方に粒子位置パラメータを掃引、シミュレーションのバッチ内の散乱電磁界を求めます。大きい高度がスムーズなトラップポテンシャルを予測しながら、5 nmと低高度では、非常に強力なトラップポテンシャルを予測する傾向があります。実際には、ブラウン運動は、実際の粒子は、表面上の高度の多様性を探求することを保証します。
    注意：計算資源と時間は、数値システムのサイズ、数値法、およびコンピュータのハードウェアに応じて変化します。
  4. 偏光角が180°を法取られているように繰り返して、他の二つの偏光の異なるC形状の向きのそれぞれに合わせ偏光のために1.2.5と1.2.6を繰り返します。
  5. 3つのバッチ内の各シミュレーションでは、マックスウェル・ミンコフスキー応力の流れを統合することにより、粒子の正味の力を計算します粒子を完全に包囲するが、任意の材料界面と交差しない表面を通して。
  6. 各偏光について、 図3に示すように、粒子は、各バッチで、次のパスを超える負の正味光学力の経路積分を行うことにより、光学力に対して行われた仕事を計算します。

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図3.トラッピング検証。安定したトラップは、活性化状態の光学ポテンシャルをプロットすることにより証明することができます。わずか3カスタム検索エンジンの1周期を簡単にするために分析されます。実際、全体のトラップ深さが十分である（> 10 K のB T）状態ごとに活性化した彫刻で安定捕獲のためのA、BおよびCは、 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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図4は、ハンドオフ確認。ハンドオフは、シーケンス内の古い（明るい赤）の光学ポテンシャルと新（明るい赤）の活性化状態をプロットすることにより証明することができます。わずか3カスタム検索エンジンの1周期を簡単にするために分析されます。 B及びBからCへのハンドオフの間、これらの2つの位置の間の所望の運動方向のポテンシャル障壁を制御するハンドオフの可能性があることを示す、小さい（1 k個のB T）と反対の方向に比べて小さいの両方です。インタートラップ障壁がすべての偏波でかなり残っているので、CからAへのハンドオフは、最も困難である。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

  1. 少なくとも10 kのエネルギー障壁が存在することを各偏光A、B、およびCのためのベリファイ3つのCの各期間における潜在的な最小の両側に高さのB T。潜在的な最小値と障壁を視覚的に識別するために、図3を参照してください 。
    注：このステップは、粒子を安定的に前後にスキップせずに提案コンベアベルト上に捕捉されるかどうかを決定します。電磁波の線形性と線形材料モデルの使用のために、エネルギー障壁が励磁平面波の強度に比例します。
  2. 偏光を連続的に粒子ハンドオフ中のAからBに回転させると1 K B T以下、隣接するAトラップとBのトラップとの間のエネルギー障壁がディップいることを確認します。 BからCへの偏光回転のために繰り返し、CからAに、これらのハンドオフ遷移ポテンシャル極小や障壁を視覚的に識別するために、図4を参照してください 。
    注：粒子が確実に偏光回転中にトラップBにトラップAから転送されます場合は、このステップは、決定されます。粒子簡単に深いポテンシャル井戸に移動するには、高さ1 K B Tの障壁を克服します。
  3. ステップ1.2.10または1.2.11ステップで強すぎる任意のエネルギー障壁のいずれかの不十分なエネルギー障壁がある場合は、設計を調整します。一般的には、エネルギー障壁を高めるC字状の彫刻を分割するスペースを増加させることができます。互いに近くに彫刻を持って、エネルギー障壁を下げるために。一緒にあまりにも接近している彫刻が全体の捕獲効率を低下させ、互いの共振電流を、破壊し得るように、2つの皮膚の深さ（40 nm）のより近いそれらを一緒に持って来ることは避けてください。繰り返しステップ1.2は、光潜在性を再確認します。

2.カスタム検索エンジンのアレイを作製

注意：プロセス図を図5に示す。このプロセスは、参考文献で ​​仕事に触発されています。 25,26。

figure-protocol-5
図5。 CSEプロセス。プロセスフロー図。 100keVのエネルギーを有する電子ビームリソグラフィは、レジストHSQに搬送パターンを露光するために使用されます。 HSQの下に薄いPMMA層は、Si基板からデバイスの最終的なストリップオフ（リリース）を容易にすることを意図している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

  1. きれいな、研磨されたシリコンウェーハを取得し、シリコンリソグラフィプロセスのために装備クリーンルームにそれを持って来ます。
  2. 表面に有機汚染や酸化物を除去するために、シリコンウエハを清掃してください。
    1. 1 H 2 SO 4：10分間、100℃でH 2 O 2溶液 9にウェーハを浸します。施設が必要とするより少ない化学物質が安全かつ容易にウエハ処理を可能にするかもしれませんが、少なくとも1リットルのお風呂は、堅牢なクリーニングを保証します。
    2. wafeを浸し30秒間1 HF溶液：50のR。施設が必要とするより少ない化学物質が安全かつ容易にウエハ処理を可能にするかもしれませんが、少なくとも1リットルのお風呂は、堅牢なクリーニングを保証します。
    3. 徹底的にDI水でウェーハを洗浄し、それをスピン乾燥させます。
  3. スピンコート50nmのPMMA（厚さは重要ではありません）。
    1. 焦がすを30分間150℃でウエハを焼きます。
    2. 40秒間5,000rpmで2％の950k、ポリメチルメタクリレート（PMMA）をスピンコート研磨、清浄なシリコンウエハ。スピンを開始する前に、ウェハの中心にレジスト20〜25滴を着陸、ピペットでPMMAを適用します。
    3. ポストベークPMMAを2分間200℃のホットプレート上のレジスト。
  4. スピンコート150nmのHSQ（次のステップと同じ日）。
    1. HSQネガ上のスピンは1分間900rpmで抵抗します。再びスピンを開始する前に、ウェハの中心にレジスト20〜25滴を着陸、プラスチックピペットでHSQを適用します。
    2. ポストベークHSQはhotpl上のレジスト2分間80°Cで食べました。
  5. 電子ビームリソグラフィ技術を用いたパターン（前のステップと同じ日）を公開し、開発します。プロセスは、参考文献でPMMA / HSQ二層デモに従います。 27。
    1. シルエットの設計は、線量アレイにおける電子ビームパターニングGDSIIフォーマットに変換します。光学顕微鏡下でナノ構造を識別するために、サイズが5μm以上であるアライメントマークや注釈を含めます。線量アレイは800-4,000μC/ cm 2の範囲でなければなりません。
    2. 100 kVの加速電圧での配列と500、PAの電流を生成60μmの開口部を露出するために電子ビームリソグラフィ露光ツールを使用します。電子ビーム露光は、ビーム電流、用量、および近接パターン補正を提供低い加速電圧下でも可能であり、それに応じて調整されます。
    3. 2.2％の水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）デウェハを浸漬することによって露出したHSQを開発90秒間veloperソリューション。静か開発者皿ごとに10秒を目白押しことにより、溶液を攪拌します。開発時間が経過した後は、すぐに60秒間水で表面を洗浄することにより、開発を停止します。
  6. コー​​トマグネトロンスパッタリング法を用いて厚さの銅は1000nmの層に続いて、厚さ200nmの金層、。その金スパッタリング率目標厚さが20％以内に達成されるように較正されたスパッタリングツールを使用してください。スパッタリングレートはツールによって異なります。銅でオーバーシュートがあるとして、金の厚さのオーバーシュートは、許容可能です。
  7. UV硬化性エポキシを用いてパターニングされた基板上に1センチメートル×1センチ背石英プレートを接着。
    1. パターン化されたデバイスの領域をカバーする1センチメートル×1センチメートルの正方形試料の銅側に紫外線硬化型エポキシ樹脂の一滴を広げます。
    2. それは完全にパターン化されたデバイスの領域をカバーしていることを確認して、銅表面に石英/ガラスバックプレートを適用します。
    3. O置きますn個のUV安全ゴーグル。
    4. レベルの表面にバックプレートとウエハを置き、約30分間、UVフラッドランプで上からエポキシ樹脂を照らします。
    5. UVフラッドランプをオフにして、硬化した試料を取り出します。
  8. アセトン浴中にシリコン基板からデバイスを解放します。
    1. 鋭いナイフを使用して、バックプレート石英の周りに滑らかな、閉じたパススコア、カットがシリコンウェハ上の二つの金属層とPMMA層を介してすべての道を貫通するのに十分な深さであることを確認すること。
    2. 6~8時間アセトン浴中に基板を浸します。
    3. 8時間後にデバイスのサンプルがまだ自然シリコンウェハから解放されていない場合は、慎重に薄いくさびまたはナイフを使用して離れたシリコンウェハから（石英バックプレートとの両方の金属層を含む）デバイスを詮索。
    4. 約1分間アセトンで得られた試料をすすぎ、N 2またはきれいな空気でそれを乾燥させます。
    5. そこのar場合金属やバックプレートの周りに残っている接着剤の電子粗いエッジは、慎重にカミソリやラボハサミでそれらを切り落とします。これは、チップのエッジの周りに均一な蒸発を確実にすることによって、トラップ実験中に流体力学を改善します。
    6. 光学実験室への輸送のためのクリーン、防塵容器にサンプルを保管してください。

3.検体試料を準備します

  1. 蛍光ポリスチレンビーズ溶液を調製します。
    1. 水1 mlに適切な量を追加することにより、1×10 9 / ML-1×10 10 / mlにメーカーの濃度からの蛍光ポリスチレンビーズ溶液を希釈します。
    2. 検体試料に界面活性剤の0.05ミリリットル（オクチルフェノールエトキシレート）を追加します。界面活性剤は、任意の表面に付着するために、コロイド状ビーズの傾向を低減し、そしてそれはまた、わずかにホスト流体の粘度を増大させます。

4.光のフォーカスのキャリブレーションコラム

注装置の概略図を図8に参照することができます。

  1. 標本撮像カメラの焦点を調整します。
    1. テストとキャリブレーションのためのパターン化され、予備の、そして平らな反射面を取得します。アライメントマークダミーサンプルはうまく動作します。
    2. 顕微鏡水銀ランプをオンにして、光レベルが安定するまで待ち、その後、ランプのシャッターを開きます。
    3. 顕微鏡の視野にパターニング試験面を配置し、ビューの中心のフィールドにその端を移動します。その後、接眼レンズを通して見て、焦点に端を持って、光が接眼レンズを通して観察するにはあまりにも明るくないことを確認するために、光減衰器を調整します。
    4. パターンが視野の中心に今あるように、顕微鏡ステージを移動し、パターンの鮮明度を最大化するために、フォーカスノブを調整します。
    5. 標本撮像カメラの電源をオンにしての明るさとコントラストを調整します顕微鏡照明レベル。
    6. パターンはカメラの焦点でもあるまで、検体カメラのフォーカスを調整します。パターンは、両者の間に切り替えるとき、任意の焦点調整を加えることなく、両方のカメラのビューでと接眼レンズで焦点にする必要があります。
  2. レーザビーム撮像カメラは、基板上に焦点を合わせることを確実にするために、ビームイメージングカラムを較正します。
    注：これは、近赤外レーザーが既に概ねコリメートされ、顕微鏡イメージング列に整列しているものとします。 IRセンサーカードは、このアライメントを実行するための便利なツールです。このような光学系のすべてが自動的に同じ軸を中心とすることができるようにケージシステムとしてプリアライメント支持体上でシステム全体を構築することをお勧めします。別々のビームおよびイメージング波長に挿入されたダイクロイックミラーが標準装備されていますが、安全のために、レーザー波長の1％以上をリークしないようにしてください。
    1. 部屋内の各研究者がレーザーsafetの上に置いていることを確認してくださいレーザ動作（1,064ナノメートル）の波長で少なくとも10 7の絶滅とYゴーグルレーザービームシャッターが閉じていることを確認してください。
    2. レーザ電源および冷却システムの電源をオンにしますが、シャッタービームを残します。レーザ利得媒体をウォームアップ。
    3. ゴーグルが適切に配置され、シャッターが閉じた確認されると、レーザーをオンにします。レーザー出力が安定したことを、レーザービームの前にブロックを配置し、パワーメータを用いて、レーザ光の出力を測定し、確認するためにシャッターを開け。所定の位置にビーム遮断してください。
    4. レーザ光の損傷レベルから標本撮像カメラを保護するために、ビーム減衰器は、別のビーム撮像カメラに残っているビームエネルギーを指示するために標本撮像カメラと同様に、ダイクロイックミラーの前の場所にいることを確認してください。電力のみ適度な量（10 Mw）が通過するように、また、減衰器または偏光ビームスプリッタを用いたレーザーのパワーを調節します装置へ。
    5. ビームブロックを削除し、ビームが装置を通過し、ビーム撮像カメラの検出器上に落下することができます。
    6. ビーム撮像カメラの電源をオンにし、レーザー光レベルに明るさとコントラストを調整します。
    7. パターン化された反射体の広い領域にレーザ光を照射するようにレーザビームをデフォーカス。
    8. パターンの特徴は、標本撮像カメラの白色光画像と同時に焦点になるまでビーム撮像カメラの焦点を調整し、その視野を標本撮像視野を中心とするようにカメラを翻訳カメラ。白色光画像と光画像との間のオフセット有効焦点レーザーと可視波長の間の光学系の焦点距離不一致を相殺。
  3. ビーム撮像カメラで焦点にレーザーを持参してください。
    1. ビーム撮像カメラで校正フォーカスを使用して、レーザを調整しますビームの焦点は、それがタイトスポットに焦点を当て、それが視野の中心に入るように、ビームの焦点位置を調整するまで。注釈ソフトウェアまたは選択した別の方法を使用して、ビューの標本カメラの分野におけるビームの位置をマーク。
    2. レーザービームシャッターを閉じます。

5.トラップと光エネルギーで試料を操作します

注装置の概略図を図8に参照することができます。

  1. 画像蛍光ポリスチレンビーズ。
    1. 顕微鏡の試料ホルダーできれいなカバーガラスとダミー試料とカバースリップを取り付けます。
    2. マイクロピペットの排出端部に先端部を置き、ピペットで希釈された蛍光粒子溶液の2-4μLを抽出します。
    3. ゆっくりとカバーガラス上に溶液を排出します。気泡がある場合は、ゆっくりと溶液の液滴の上にきれいな空気を吹き付けてそれらを削除します。
    4. C言語arefully金表面を下に向けてソリューションのブロブの上にデバイスを配置します。解決策は、デバイスの下全域に広がるはずです。
    5. 共振器アレイチップのエッジが視野の中心付近にあるように、顕微鏡ステージを移動します。チップの端に焦点を確立します。
    6. 共振器パターンが視野の中央付近にあるように、顕微鏡ステージを翻訳。焦点に暗いアライメントマークをもたらすことによってナノ構造に着目し、共振器自体は明るい反射の背景のようにダークスポットとして現れることに注意してください。
    7. 蛍光ビーズ「吸収ピークに対応するもの以外のすべての色ブロック水銀ランプの前に狭帯域通過フィルタを挿入します。
    8. 蛍光ビーズの排出ピークに対応するものよりも、ブロックのすべての色は、他の試料の撮像カメラの前に狭帯域通過フィルタを挿入します。
    9. 目の蛍光画像を持参その個別ランダムなブラウン運動に対するその集団の平均ドリフト速度に注目する焦点にEビーズ、。ビーズ「平均ドリフト速度が10μm未満/秒に減速するまで待ちます。
      注：これにより、チップの縁で蒸発、及びによるチップの体重の下に流体の動沈降力を、試料液中の目に見えて明らか電流（ミクロン/秒の数十以上）があるかもしれません。蒸発は、チップの縁に沿って非対称すぎない場合には、これらの電流は、最終的に、実験を実行するための許容可能なレベルにまで減少します。
  2. トラップへの集光レーザービームポリスチレンビーズを使用してください。
    1. すべての研究者は、適切なレーザー安全ゴーグルを置く、その後、シャッターを閉じたレーザービームを維持しながらレーザーをオンにしていることを確認してください。レーザ出力は10mW未満であることを確認してください。レーザ放射を防ぐ代わりにビームブロックとビーム出力をテストすることによって、レーザパワーが安定したことを確認してください顕微鏡に入るから。
    2. レーザパワーが安定した後、ビームブロックを削除し、ビーム画像内のレーザスポットを注意してください。スポットの焦点が合っていない場合、最小のスポット焦点が達成されるまで、レーザーの焦点を調整します。
    3. 十分な減衰器がビーム検出器の飽和を防止するために、ビーム像の前に配置されていることを保証しながらドリフトビーズは、ビーム焦点に安定し取り込むことができるようになるまで、徐々にレーザ出力を増大させます。顕微鏡ステージをスキャンすると、オフセンターでビーズを捕捉するのを助けることができます。
    4. トラップされたビーズは、標本画像内のレーザ焦点位置を追跡するために、以前なさマークまたはその近くに位置していることを確認します。ビーズの位置とレーザー焦点マークの間に差がある場合、新たなビーズの位置と一致するようにレーザー焦点マークを補正します。
    5. それにフォーカスが十分にあるときビームスポットが直径の半値幅で9ミクロンに拡張されるまで今、ビーム経路に組み込まれたビーム業者を調整します。これを測定しますビーム画像におけるビームスポットの中心を通る直線状の強度断面。
    6. 元の捕捉されたビーズは、この調整中に失われた場合は、別のビーズのためのトラップを検索する移動ステージを使用しています。
      1. ビームスポットを広くする（減少による強度勾配に）光トラップを解除安定している場合は、安定した光トラッピングを達成するために、必要に応じてビームパワーを増加させます。焦点サイズを増加させることが離れて元の位置からのビームの中心が移動した場合、ビーム中心として標本像に捕捉されたビーズの平均位置を再マーク。
  3. 近接場トラップを確立し、C字状の彫刻アレイ上のポリスチレンビーズを操作します。
    1. 背景照明ランプをオンにして、基板パターンは蛍光ビーズの画像の背景に見ることができるようになるまで、その電力を増加させます。
    2. 緩く集束ビームによって捕捉されたビーズでは、顕微鏡ステージtを使用O共振器の配列の端部が捕捉されたビーズの後ろに直接見ることができるように、基板のパターンを移動させます。ビーズのランダムなブラウン運動を大幅に低減なった場合、これは、ビーズが励起共振器の近接場に捕捉されることを意味します。
      注：ビーズはまだ近接場光によってトラップされていない場合は、ビーズの下プラズモン共振器アレイの位置を調整します。この調整は、より良いレーザー光の電流分極と整列される共振器との緊密な接触にビーズをもたらす可能性があります。このプロセスは、近接場トラップを誘導しない場合は、ビーム焦点がわずかに基板平面上にあってもよいです。焦点は、基板の表面に近づくように、この場合には、わずかにレーザー焦点を合わせます。
    3. 小ステージと、レーザ焦点の調整後のビーズが依然としてまだ近接場光によって捕捉されていない場合、起動、基板上の別の配列を発見し、近接場トラッピング処理を繰り返しますステップ5.3.2で。
      注意：製造欠陥が共振器性能の両方の体系的かつランダムな変化を引き起こします。非機能共振器アレイは、製造の結果が完全に特徴付けされるまで一般的であり、再現性があります。
    4. 一度近接場トラップは、レーザースポットの中心が、コンベヤの中心に近いもっと存在することになる。顕微鏡の並進ステージを移動させ、確立されていますこのアクションは、わずかな調整が、この方法で行うことができるように、集束レーザーの中心に沿ってビードを引っ張る傾向があります。ビーズが外れてしまう場合は、運動を減らします。これは、近接場トラップによって許容ビーム変位量です。
    5. 前のステップでわずかにビームを移動した後、レーザビーム経路に配置された半波長板は、直線偏光の角度を回転させるように回転させます。これは、蛍光ビーズの配列と誘導する制御、直線運動ダウンシーケンスに共振器を作動させます。電動式回転ステージ彼ができますLPは、半波長板で、より安定した回転、従って、より安定したビーズの運動を生じさせます。
    6. ビーズの進行状況を追跡し、その位置のデータをキャプチャし、バックグラウンドの照明ランプをオフにして、ビーズの動きのフレームをキャプチャするビデオキャプチャユーティリティを使用します。粒子運動の後処理が提供MATLABスクリプトを使用して達成することができます。

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結果

図7は 、最終的なデバイスの写真です。 cmで1×1 cmでの中心金表面にわずかに傾斜した図から分かるCSEコンベヤパターンの行列である。 図6に、最終的なデバイス例のCSEのパターンの走査型電子顕微鏡の画像です。

長さのナノ光コンベヤーベルト5μmの上を移動する390ナノメートルのポリスチレンビーズの粒子運動は、 図9に示されている。曲線は、レーザー偏光角の関数としての粒子の位置を示しています。プロトコルで述べたように、輸送が成功しなかったか、近接場トラップが開始しない場合があります。最善の行動は、より良い条件であってもよく、異なるパターンを、試してみることです。

figure-results-1
CSEのArの図6のSEM像

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ディスカッション

NOCBのみ、従来の集束ビーム技術のための長い利用可能な粒子を輸送するために強力なトラップ力と能力を備えたプラズモニックアプローチの小さなトラップサイズを兼ね備えています。 NOCBにユニークな、システムのトラップおよび輸送特性は、表面パターンの結果ではなく、照射ビームを整形します。提供される照明は十分に明るく、その偏光または波長を調節することができる粒子が保持され、表面上に複雑なプロトコルに移動させることができます。我々はNOCBも急速にモビリティ23に基づいて粒子をソートすることができ、そのシミュレーションにより実証しました。近接場トラップは、単一分子の化学的性質のためのような小さな反応容積を提供することができ、およびNOCBの固有の並列化は、それが、セットアップを実行し、チップに詰め、で照明することができる限り多くの同時実験を切断するために使用できることを意味します一回。

NOCB作業を取得するには、近接場O保持し、ナノ粒子をハンドオフptical力が他の粒子と基板自体との粘性抵抗、従来の光トラッピング（照明ビームの力）、熱泳動、および接触力の競合力...

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開示事項

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

著者は、光学イメージングに関する議論をいただいたアリゾナ大学の高島譲教授、高出力レーザーの支援をいただいたカール・ウルバネク氏、ブラウン運動の議論をいただいたマックス・ユエン氏に感謝したいと思います。著者らは、光トラッピング実験に関する有益な議論を提供してくれたハーバード大学のKenneth Crozier教授にさらに感謝の意を表します。資金の一部は、米国国立科学財団(賞番号1028372)によって提供されました。

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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
HSQ 電子ビームレジストダウコーニングXR-1541-006
PMMAMicroChem950A2 M230002
速硬化型光学接着剤Norland 光学接着剤NOA 81
蛍光カルボキシルミクロスフェアBangs LaboratoriesFC02F, FC03F
蛍光カルボン酸修飾ミクロスフェアモレキュラープローブF-8888
クォーツスライドSPI サプライ1020-AB
倒立型蛍光顕微鏡ニコンECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG レーザーLightwave Electronics221-HD-V04
sCMOS カメラPCOEDGE55
CCD カメラWatecWAT-120N
ゼロオーダー半波長板ThorlabsWPH05M-1064
Triton X-100Sigma-AldrichT8787
蒸留水Invitrogen10977-023
Si WaferSilicon Quest International708069
光学レンズThorlabs
ズ

参考文献

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  24. Zheng, Y., et al. Nano-Optical Conveyor Belt, Part II: Demonstration of Handoff Between Near-Field Optical Traps. Nano Lett. 14, 2971-2976 (2014).
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