Name: ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 10 s
Description: 学ぶナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用手法。プラズモニック共振器アレイを用いてサブミクロン誘電体粒子を光近接場で精密輸送する革新的なナノ操作技術を習得できます。

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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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<li>Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-optical+Control+of+Microfluidic+Components+using+Form%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">All-optical Control of Microfluidic Components using Form.</a> Nat. Mater. 4 (7), 530-533 (2005).</li>
<li>Juan, M. L., Righini, M., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmon+Nano-optical+Tweezers.+%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Plasmon Nano-optical Tweezers. </a> Nat. Photonics. 5 (6), 349-356 (2011).</li>
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<li>Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parallel+and+Selective+Trapping+in+a+Patterned+Plasmonic+Landscape%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape.</a> Nat. Phys. 3 (7), 477-480 (2007).</li>
<li>Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapping+and+Sensing+10+nm+Metal+Nanoparticles+using+Plasmonic+Dipole+Antennas%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Trapping and Sensing 10 nm Metal Nanoparticles using Plasmonic Dipole Antennas.</a> Nano Lett. 10 (3), 1006-1011 (2010).</li>
<li>Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapping+and+Rotating+Nanoparticles+using+a+Plasmonic+Nano-tweezer+with+an+Integrated+Heat+Sink%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Trapping and Rotating Nanoparticles using a Plasmonic Nano-tweezer with an Integrated Heat Sink.</a> Nat. Commun. 2, 469(2011).</li>
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<li>Chen, K., Lee, A., Hung, C., Huang, J., Yang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transport+and+Trapping+in+Two-Dimensional+Nanoscale+Plasmonic+Optical+Lattice%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Transport and Trapping in Two-Dimensional Nanoscale Plasmonic Optical Lattice.</a> Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).</li>
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<li>Hansen, P., Zheng, Y., Ryan, J., Hesselink, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-Optical+Conveyor+Belt%2C+Part+I%3A+Theory%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Nano-Optical Conveyor Belt, Part I: Theory.</a> Nano Lett. 14, 2965-2970 (2014).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-Optical+Conveyor+Belt%2C+Part+II%3A+Demonstration+of+Handoff+Between+Near-Field+Optical+Traps%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Nano-Optical Conveyor Belt, Part II: Demonstration of Handoff Between Near-Field Optical Traps.</a> Nano Lett. 14, 2971-2976 (2014).</li>
<li>Vogel, N., Zieleniecki, J., Koper, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((As+flat+as+it+gets%3A+Ultrasmooth+Surfaces+from+Template-stripping+Procedures%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">As flat as it gets: Ultrasmooth Surfaces from Template-stripping Procedures.</a> Nanoscale. 4 (13), 3820-3832 (2012).</li>
<li>Zhu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafine+and+Smooth+Full+Metal+Nanostructures+for+Plasmonics%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Ultrafine and Smooth Full Metal Nanostructures for Plasmonics.</a> Adv. Mater. 22 (39), 4345-4349 (2010).</li>
<li>Kaleli, B., et al. Electron Beam Lithography of HSQ and PMMA Resists and Importance of their Properties to Link the Nano World to the Micro World. STW.ICT Conf, , 105-108 (2010).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>HSQ 電子ビームレジスト</td><td>ダウコーニング</td><td>XR-1541-006</td><td></td></tr><tr><td>PMMA</td><td>MicroChem</td><td>950A2 M230002</td><td></td></tr><tr><td>速硬化型光学接着剤</td><td>Norland 光学接着剤</td><td>NOA 81</td><td></td></tr><tr><td>蛍光カルボキシルミクロスフェア</td><td>Bangs Laboratories</td><td>FC02F, FC03F</td><td></td></tr><tr><td>蛍光カルボン酸修飾ミクロスフェア</td><td>モレキュラープローブ</td><td>F-8888</td><td></td></tr><tr><td>クォーツスライド</td><td>SPI サプライ</td>ズ <td>1020-AB</td><td></td></tr><tr><td>倒立型蛍光顕微鏡</td><td>ニコン</td><td>ECLIPSE TE2000-U</td><td></td></tr><tr><td>Nd:YAG レーザー</td><td>Lightwave Electronics</td><td>221-HD-V04</td><td></td></tr><tr><td>sCMOS カメラ</td><td>PCO</td><td>EDGE55</td><td></td></tr><tr><td>CCD カメラ</td><td>Watec</td><td>WAT-120N</td><td></td></tr><tr><td>ゼロオーダー半波長板</td><td>Thorlabs</td><td>WPH05M-1064</td><td></td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T8787</td><td></td></tr><tr><td>蒸留水</td><td>Invitrogen</td><td>10977-023</td><td></td></tr><tr><td>Si Wafer</td><td>Silicon Quest International</td><td>708069</td><td></td></tr><tr><td>光学レンズ</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

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。

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。 <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/52842/52842fig6.jpg" /> CSEのArの図6のSEM像</st...

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。

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

本実験の総合的な目的は、アドレス可能なプラズモニック共振器の線形アレイ（ナノ光コンベアベルトとしても知られる）の光近接場を用いて、サブミクロンサイズの誘電体粒子を輸送することです。まず、ソフトウェアを用いてコンベアベルトを設計し、所定の経路に沿って確実に輸送できるようにします。次に、電子ビームリソグラフィープロセスとテンプレートストリッピング法を用いて、コンベアベルトを作製します。次に、レーザーを用いてコンベアベルトの端にサンプルをトラップし、ビーム経路にある半波長板を回転させて粒子の輸送を誘導します。その結果、ビーム強度プロファイルを一切変更することなく、偏光角を回転させることで、レーザービームの幅方向に沿った線形輸送が行われることが示されました。この手法の従来の光ピンセットに対する主な利点は、輸送挙動と分解能がビームステアリングではなく、リソグラフィーを用いて作製された構造に依存している点にあります。この技術は、オンチップ生物学的解析およびナノスケール製造に適用可能です。我々がこの手法を考案したのは、シーアパーチャによって生成される光近接場（オプティカル・ニアフィールド）の利用法を検討した時でした。本手順の実演は、当研究室の大学院生であるTiffany Wongが行います。まず、CADプログラムを使用して、直線経路に沿ってC字型ポリゴンの二重線形アレイを作成します。各ペアのポリゴンを、その凸包を中心に30 ± 90度ずつ連続的に回転するように設計します。連続するペア間の距離は粒子径1つ分以下とし、ペア内のポリゴン中心間の距離はこの距離の90%以下にしてください。次に、平面パターンの寸法に適応し、パターンの下方に少なくとも200 nanometers、上方に600 nanometersまで拡張された数値計算手法用のジオメトリを作成します。平面の下側には基板を表すドメインを、平面の上側には流体チャンバーを表すドメインを配置します。平面状のCS形状パターンを基板に向かって150 nanometers押し出し、刻印内部を表す3Dドメインを作成します。次に、任意の形状の粒子ドメインを導入します。この例では、直径400 nanometersの球体を導入します。次に、シミュレーションの開放境界に、厚さ500 nanometers以上の完全整合層（PML）を追加します。外部への放射を吸収するため、インターフェース上の領域の電磁気的材料特性を水に、C-sharp彫刻内部の特性を水素化物に、そして残りの材料の特性を金に設定します。最後に、粒子の材料特性をポリスチレンに設定します。次に離散化を行います。バルク部分における適応テトラヘドラルメッシュのシミュレーション領域を100 nanometers以下に設定します。さらに、メッシュ要素の最大サイズを、球体表面で30 nanom

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

フェムト秒レーザー直接描画が頻繁ポリマーおよびガラス中の3次元（3D）のパターンを作成するために使用されます。しかし、3Dでパターニング金属が課題として残されている。我々は800nm​​を中心としたフェムト秒レーザーを用いた高分子マトリックス内に埋め込まれた銀ナノ構造体の製造方法を説明します。...

3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

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。...

ナノ粒子の光トラッピング

我々は、バックグラウンドガスの存在下でナノ秒パルスレーザー堆積（PLD）法によるナノ構造酸化物薄膜を堆積させるための実験方法を説明します。この方法AlドープZnO（AZO）膜を用いて、ナノツリー林の階層構造にコンパクトから、堆積させることができる。...

パルスレーザー蒸着法によるナノエンジニアリング透明導電性酸化物の作製

nanodetectionにとって望ましくないレーザジッタノイズを除去するように設計された基準干渉計技術は、超高品質係数マイクロキャビティをプロービングするために利用される。アセンブリ、セットアップ、およびデータ取得のための命令は、キャビティ品質係数を特定するための測定処理と並んで設けられている。...

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

パラメトリック光機械励起は、最近、光放射圧力と誘導ブリルアン散乱によって、マイクロ流体光機械共振器で実験的に実証されました。この論文では、これらのマイクロ流体共振器の作製と、オプトメカニカル振動の生成と検証の方法論について説明します。...

作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

表面パターニングのための走査型トンネル顕微鏡の原子計測と選択的原子層堆積および反応性イオンエッチングを組み合わせるためのプロトコルを報告します。多数の大気への曝露と輸送を伴う堅牢なプロセスを使用して、原子計測を備えた3Dナノ構造が作製されます。...

アトミックトレーサブルナノ構造作製

複数のアッセイニーズに対する単純な製造アプローチを調査するために、綿素材で作られた流体吸収チャネルシステムを作成しました。このデバイスは、亜硝酸塩、総タンパク質、およびウロビリノーゲンの臨床尿検査のために、複数の検出プラットフォームを確立し、ラテラルフローベースの生物医学デバイスに一般的に影響を与える汚染の問題を解決するために使用されました。...

コットン分析デバイスを製造します

我々は、フェムト秒レーザー誘起アブレーションを使用して、サブ波長直径のシリカファイバ（光ナノファイバー）の1-Dフォトニック結晶空洞を製造するためのプロトコルを提示します。...

フェムト秒レーザー誘起アブレーションを用いたナノファイバー上の1次元フォトニック結晶共振器の作製

ここでは、グラデーションによるナノパターン板の熱ナノイン...

熱ナノイン プリント技術とヒトの内皮細胞コロニー形成細胞の応答のスクリーニングによるグラデーションによるナノパターンの作製

金ナノロッドのプラズモンを液体の中に閉じ込めし、円偏光の光ピンセットによる kHz...

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

リフトオフフォトリソグラフィ、ナノ深度反応性イオンエッチング、室温プラズマによる音響ナノ流体用の表面音響波作動装置の積層を用いたナノ高位チャネルの作製を実証する単結晶リチウムニオブベートの表面活性化多層結合は、同様にニオブテリチウムを酸化物に結合するのにも同様に有用である。...

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

学ぶナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用手法。プラズモニック共振器アレイを用いてサブミクロン誘電体粒子を光近接場で精密輸送する革新的なナノ操作技術を習得できます。

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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