나노 입자의 광학 트래핑

요약

유전체의 저전력 광학 트래핑 다음 설치 방법 세부 금속 필름에 두 번 nanohole를 사용하여 나노 입자.

초록

광학 트래핑은 빛을 사용하여 부드러운 방법으로 작은 물체를 immobilizing하고 조작하기위한 기술이며, 그것은 널리 작은 생물 입자를 포집 및 조작에 적용되었습니다. Ashkin 및 동료는 먼저 하나의 초점 빔 ^1을 사용 광학 핀셋을 보여 주었다. 단일 빔 트랩이 작은 레일 레이 정권 입자 ^1의 경우에 섭동 그라디언트 힘 제제를 사용하여 정확하게 설명 할 수 있습니다. 섭동 정권에서 광 전력은 입자 크기의 역 넷째 힘 입자 비늘을 수집 필요합니다. 높은 광학 힘은 유전체 입자를 손상 난방을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 직경이 109 nm의 덫 라텍스 분야는 생물학적 문제 ^2,3에 심각한 영향을 미칠 수있는 25 제 ^{1 항에} 15 MW 빔에 의해 파괴되었다.

자기 유도 백업 작업 (SIBA) 광학 트래핑은 50 나노 미터 폴리스티렌 분야를 추적하기는 제안 된비 섭동 정권 ^4. 비 섭동 정권에서 배경에 작은 유전율 대비 심지어 작은 입자가 크게 주변 전자기 필드에 영향을 미치는와 대형 광학 힘을 유도 할 수 있습니다. 입자가 조명 구멍을 입력으로 빛을 전송 때문에 유전체 로딩 중 크게 증가합니다. 입자는 조리개를 남겨하려고하면 감소 전송 입자를 막고, 구멍, 뉴턴의 제 3 법칙에 의해 입자 안쪽에 힘의 결과를 홀에서 운동량 바깥쪽으로의 변경을 초래합니다. 빛 전송 모니터링 할 수 있습니다, 따라서, 트랩은 센서 될 수 있습니다. SIBA 트래핑 기술은 더 더블 nanohole 구조를 사용하여 향상시킬 수 있습니다.

이중 nanohole 구조는 강력한 지역 필드 강화에게 ^5,6를 제공 보여왔다. 더블 nanohole의 두 날카로운 팁 사이에, 작은 입자는 광학 transmissio에 큰 변화를 일으킬 수 있습니다N,이를 통해 대형 광학 힘을 유도. 그 결과, 작은 나노 입자는 같은 12 nm의 규산 분야 ⁷ 3.4 나노 유체 역학적 반경 소 혈청 알부민 단백질 ^8로, 덫을 할 수 있습니다. 이 작품에서 nanoparticle 트래핑에 사용 된 실험 구성이 설명되어 있습니다. 첫째, 우리 세부 Thorlabs 광학 트위터 키트를 기반으로 트래핑 설정의 조립. 다음, 우리는 금속 필름, 마이크로 유체 챔버의 제조 및 샘플 준비에 더블 nanohole의 nanofabrication 절차를 설명합니다. 마지막으로, 우리는 세부 데이터 수집 절차를하고 20 나노 미터 폴리스티렌 nanospheres을 수집하는 전형적인 결과를 제공합니다.

프로토콜

SIBA 트래핑 기술의 원리는 그림 1에 도시된다. 그림 2는 실험 설정의 개략도이다.

1. 광학 트래핑 설정

절차의이 섹션은 키트를 설정에 대한 자세한 내용은 광학 트래핑 키트에 수동 ⁹ 광학 힘 측정 모듈 매뉴얼 ⁽¹⁰⁾ 참조하십시오. 애벌랜치 포토 다이오드 (APD)이 구역 위치 검출기 대신 사용합니다. 광학 트래핑 키트에 포함되지 않은 나사의 경우, 캡 나사 및 하드웨어 키트 (Thorlabs, HW-KIT2)에있는 사람들을 사용합니다. 레이저가 켜져있을 때 눈 보호는 항상 착용해야합니다. 빔이 안전한 지역 및 보석과 같은 반사 액세서리,에 포함되어 있는지 확인 피해야한다. 레이저 다이오드를 취급 할 때 또한 정전기 방전 보호 좋습니다.

1. 광학 트위터 키트 (Thorlabs, OTKB / M)와 힘 meas를 설정urement 모듈 (Thorlabs, OTKBFM) 각각의 설명서에 따라 있습니다. 실리콘 기반의 애벌랜치 포토 다이오드 (APD) (Thorlabs, APD110A)는 구역 위치 검출기 대신에 힘을 측정 모듈의 (Thorlabs, OTKBFM)의 사용됩니다.
2. 동축 케이블을 통해 오실로스코프 (Tektronics, TDS1012)에 APD를 연결합니다.
3. 빔 확장기 내부 반 파장 판을 (Thorlabs, AHWP05M-980)를 추가합니다. 반 파장 판은 두 렌즈 튜브 (Thorlabs, SM1L03) 사이에 고정되어 있습니다.

2. Nanofabrication

1. 네 동일한 조각으로 금 코팅 테스트 슬라이드를 (EMF 사, CR / 호주) 자른다. 상업적으로 이용 가능한 슬라이드에 대한 대안으로, 우리는 또한에 대해 200 ° C의 높은 기판 온도에서 1 인치 정사각형 유리 슬라이드에 e-빔 증착에 의해 증착 2 nm의 티 부착 층과 100 nm의 두께 끊을 필름을 사용한 적어도 1 시간. 이 부드러운 다결정 필름을 생산하고 있습니다.
2. 에 대한 입력으로 두 번 nanohole 구조의 비트 맵 이미지를 만듭니다집중 이온 빔 (거짓말을) 시스템은 비트 맵입니다. 이미지는 두 고체 원, 190 nm의 중심 거리에 센터 직경이 160 나노 미터로 구성되어 있습니다. 이 템플릿은 약 15 nm의 팁 분리를 만듭니다. 원 사이의 선택 얇은 라인은 팁 사이에있는 잔류 금속을 제거 할 배치 할 수 있습니다. 그림 3A는 예를 들어 비트 맵 이미지를 보여줍니다.
3. 사소한 거짓말 (히타치, FB-2100) 밀링 시스템을 사용하여 두 번 nanohole 구조를 제조. 사소한 거짓말 밀링 패턴 (비트 맵의​​ 어두운 영역은 거짓말을하여 가공됩니다)에 단계 2.2의 비트 맵을 변환합니다. 40 KV, 60 K 시간 배율에서 15 μm 직경의 구멍을 제한 빔의 이온 가속 전압을 사용합니다. 밀 여든는 각 패스에 5 μsec 복용 시간 각을 두 번 nanohole에 전달합니다. 그림 3B는 전형적인 결과 구조를 보여줍니다. 필요에 따라 반복합니다. 오류를 허용하는 등 여러 nanoholes이 이루어져야합니다.
4. 중 거짓말을 및 / 또는 H로를 사용하여 등록 마커를 추가그리고 두 번 nanohole (들)의 대략적인 위치를 나타냅니다.
5. 선택적으로, 정확하게 구조의 품질 및 팁 분리를 평가하는 구멍의 SEM 이미지를보세요.

3. 마이크로 상공 회의소

마이크로 유체 챔버를 제조하기위한 프로세스 흐름 다이어그램은 그림 4에 표시됩니다.

1. 일회용 컵에 polydimethylsiloxane (PDMS)베이스 (다우 코닝 캐나다, Sylgard 184 실리콘 엘라스토머베이스)의 10g와 경화 에이전트의 추가 1g (다우 코닝 캐나다, Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 경화 에이전트)를 넣어. 몇 분 동안 섞는다.
2. 모든 거품이 사라지기 전에는 진공 챔버에서 혼합 대피하십시오.
3. 9cm 직경 페트리 접시에 PDMS의 1.5 g을 넣어. 65 초. 그림 4B에 950 rpm으로 페트리 접시의 바닥에 스핀 코트 PDMS는 결과를 보여줍니다. 두께는 80 μm 미만인하는 한 중요하지 않으며 금 영화는 하단의 현미경 objectiv 이내의 거리에 있습니다전자의 작동 거리.
4. 부드럽게 곳 3-5 # 1.5 그림 4C 같이 사람들이 30 분에 중복 피난하지 않는 등의 PDMS로 coverslips (피셔 과학, 12-541-B).
5. coverslips를 이동하고 피난 동안 서로의 상단에 하나를 적층하는 경우, 부드럽게 서로를 그들을 이동합니다. 주의는 얇고 균일 한 coverslips에서 PDMS를 유지하기로 이동해야합니다.
6. coverslips의 조작이 필요 한 경우 30 분에 다시 페트리 접시를 피난한다.
7. 진공 챔버에서 페트리 접시를 제거하고 85 20 분에 핫 플레이트 요리를 ° C.
8. 면도날을 사용하여 커버 중 하나가 부드럽게 잘 팁 핀셋을 사용하여 슬라이드를 내다 미끄러 져 그만. PDMS는 그림 4E 같이 PMMA 페트리 접시보다 유리 커버 슬립에 더 접착제이므로 PDMS의 얇은 층은 coverslip에 남아있을 것입니다.
9. 그림 4 층에서와 같이 면도날로 PDMS의 3 × 3 밀리미터 창 밖으로 잘라. 이 창 챔버를 구성 곳 Nanoparticle 솔루션은 유지됩니다.

4. 샘플 준비

1. 아크릴을 사용하여 중앙에 ¾ "직경 구멍 현미경 슬라이드를 제조.이는 레이저 커터로 수행 할 수 있습니다. 다른 자료도 사용하실 수 있습니다. 골드 샘플은 홀 내부에 배치됩니다.
2. 더블 양면 테이프로 구멍 테이프 둘레. 초과 테이프를 잘라 면도날을 사용합니다.
3. coverslip에에 배치 현미경 슬라이드, PDMS가 마주하고 있습니다.
4. w / V w / v는 탈 이온수를 사용하여 0.05 %에서 1 %에서 폴리스티렌 nanosphere 솔루션을 (열 과학, 3020A) 희석. micropipette 사용할 수 있습니다.
5. PDMS 창에서 솔루션의 몇 방울을 추가합니다. nanoholes이있는 금을 샘플로 드롭을 추가합니다.
6. nanoholes은 PDMS 창에 있다고 같은 coverslips 위에 장소 금 샘플입니다. 확실히 거품이 챔버 내부에 존재하지 않는 확인하십시오. coverslip 및 소량 초과 솔루션에 대해 금 샘플을 누릅니다.
7. 기름 침지 목표를 (사건이 여기로하지만, 필요 없습니다)를 사용하면, PDMS 창 밑에있는 coverslip의 반대편에 집중 기름 한 방울을 추가합니다. nanoholes의 위치를​​ 기록해보세요.
8. 침지 기름은 현미경 대물과의 접촉하게 될 때까지 슬라이드 홀더, 아래 마주 기름, 그리고 낮은 슬라이드 홀더에 현미경 슬라이드를 삽입합니다.
9. 대략 표시 마크는 목표 아래 있다는 등 슬라이드 무대를 맞 춥니 다.
10. nanoholes로 이어지는 표시 라인을 따르십시오. 표시 마크 및 열려있는 다른 영역을 화면 중앙에서 삭제하는 등 위치 슬라이드. 과도한 빛 전송 APD을 손상시킬 수 있습니다.
11. 레이저를 사용합니다. 이색 성 거울은 완벽하지이기 때문에, 레이저 빔에서 화면의 중심에서 가까운 곳이 나타납니다.
12. 압전 단계 제어 소프트웨어를 사용, 더 세 축에 정렬을 수정하십시오.

5. 데이터 수집

1. 그러는 함께표시 마크의 P, 위치 알려진 nanohole 위치에 자리가 인근에 있습니다. nanoholes은 해결 될 너무 작아되며 곳으로 만 표시됩니다.
2. 샘플을 통해 빛 전송은 오실로스코프의 신호 레벨로 표시됩니다. 빛 전송을 극대화 할로 추가 샘플을 맞 춥니 다. 표시 마크 및 빛 전송이 분야에서 높은 수로 표시와 비 표시 긁힘에주의하십시오. 흠집이 더 점진적 변화를 전시하면서 Nanoholes은 빛 전송에 갑자기 점프를 표시합니다.
3. 이중 nanohole 구조가 극성이므로 waveplate 사용하여, 높은 빛 전송을 위해 빛 양극화를 조정합니다.
4. , 소음을 최소화 브레드, 200 KΩ 저항과 100 PF 커패시터와 RC 필터를 구축하고 동축 케이블을 통해 APD 후 연결합니다. 이 값은 필수 데이터 수집의 대역폭을 고려하여 최적의 성능을 조정할 수 있습니다.
5. 오실로스코프 및 데이터 acquis를 연결동축 케이블과 T 어댑터 RC 필터에 ition 모듈 (오메가, USB-4711A).
6. 원하는 시간 동안 데이터 수집 모듈을 사용하여 APD의 전압을 드셔보세요. 수집 시간은 초 수백 일반적입니다. 이 경우, 사용자 정의 소프트웨어 패키지는 데이터 수집을 위해 사용되었다. 전압은 초당 2,000 시간에 샘플링합니다.
7. MATLAB을 사용하여 Savitzky - 골 레이 필터를 사용하여 획득 데이터를 필터링하고 그래프에 대 시간을시킵니다.

결과

일반적인 인수 추적은 그림 5A에 표시됩니다. 트래핑 이벤트는 두 전송 전력 레벨 사이의 명확한 스위치를 보여주는 날카로운 가장자리와 함께 특질 상 갑자기입니다. 입자가 브라운 운동에 따라에 따라, 트래핑 이벤트가 무작위로 발생합니다. 20 나노 미터 입자를 들어, 트래핑에서 전송 변경 사항은 10-300 초 주변에 5-10 %와 트래핑 배 주위에 일반적이었다. 위에 설명 된 전력과 집중을위한 트래핑 이벤트를 달성 할 수있는 전형적인 시간은 분의 순서에 있습니다. 입자가 출시되면, 그것은 일반적으로 다음 트래핑 이벤트가 뒤에 있지만 steric 방해로 인해 그것은 동시에 여러 입자 트래핑을 볼 드물지입니다. 결과의 품질에 따라, 갇힌 상태에서 신호 노이즈의 일부 증가가있을 수 있습니다. 이 소음 증가는 덫 입자의 브라운 운동에서 비롯됩니다. 갇혀있는 입자없이,이 잡음 소스가 존재하지 않습니다.

_content "> 일부 유물은 트래핑 이벤트를 나타내는없는 결과에 표시 될 수 있습니다. 그림 5B과 같이 분 동안 전송에 날리는, 느린 변화를 보여주는 결과가 폐기해야합니다. 다른 유물도 존재할 수 있습니다 이러한 치료는 챔버가 거품이 무료로 제공하기 위해 이동하지 않는 경우 일관성 전송 변경, 전혀 과도한 소음 또는 전혀 트래핑가. 예를 들어, 거품이 불연속 강도 점프가 발생할 수 있습니다. 이러한 거품은 동적 측면에서 트래핑 이벤트에 다르게 응답합니다 행동과 강도 변화는, 그래서 그들은 쉽게 확인할 수있다. 이러한 증상이 가난한 더블 nanohole 구조, 오염 물질 또는 기계적 진동에 의해 발생 될 수 있습니다. 조용한 낮은 활동 설정이 높은이 설정을 배치하는 것이 좋습니다. 또한, 레이저 등을 수 정렬 후 몇 분을 해결하기 위해 무대뿐만 아니라 도움이 될 수 있습니다.

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그림 1 Subwavelength 개구 광 전송 :) 입자없이, 유전체 입자로 인해 B) 증가 전송, C) 입자 시도가 떠나야하는 경우, 빛 추진력 (ΔT)에 감소하는 것과 같이 입자의 힘 (F)을하게됩니다. 구멍으로 다시 끌어, d)에 전송 ΔT의 변화로 이어지는, 입자에 의한 전송 곡선의 적목 변화.

. 그림은 2, 빨간색 원의 확대)은 B의 설정을 수집하는) 전체 회로도 표시됩니다, B) 확대는 더블 nanohole을 표시하고, PDMS 챔버 내부의 nanospheres, 더블 nanohole 구조의 C) SEM 이미지입니다. 사용 약어 : LD = 레이저 다이오드, ODF = 광학 밀도 필터, HWP = 반 파장 판, BE = 빔 확장기, MR = 거울, MO = 현미경 대물, 오이 MO는 = 기름 immer시온의 현미경 대물, DH = 더블 nanohole, APD = 사태 광 검출기.

그림 3 거짓말을 제조에 사용되는) 예 비트 맵 그림,. b)는 이중 nanohole의 SEM 이미지입니다.

그림 4. 마이크로 유체 챔버를 제조를위한 프로세스 다이어그램.

그림 5. 20 나노 미터 폴리스티렌 분야로 이벤트를 트래핑의 (A) 전형적인 인수. (B) 급성 날리는를 보여주는 가난한 획득.

토론

현재 설정은 nanohole의 구조로 인해서 효과적인 트래핑 능력을 갖추고 있습니다. 낮은 광학 농도에서이 nanohole 트랩 ~ 10 나노 미터 규모의 유전체 입자. 필요한 광 전력 대 입자의 역 넷째 주문 스케일링에 의해 제한됩니다 그러나, 그들은 일반적으로 섭동 정권에서 작동; 다른 소설 광학 트랩 광 다이폴 안테나 ^11, 귓속말 - 갤러리 모드 광 resonators ^12,13 및 waveguides ¹⁴ 등 크기, SIBA 두 번 nanohole 트랩 다르다. 대체 조리개 모양은 또한 직사각형 plasmonic nanopore ¹⁵ 트래핑에 대해 발표했습니다. 이중 nanohole 트랩으로 표시 기타 유리한 자질은 입자 크기 선택 행동 ^7, 단일 트래핑 위치 (다중 입자 트래핑을 제한하는)와 제조 ^(16)의 용이성 등이 있습니다. 사소한 거짓말을 사용하여에 대한 대안으로 두 번 nanoholes은 콜로이드 석판을 사용하여 제조 될 수있다Y ^6.

대형 polarizability과 크기의 생물 소재 트래핑은 세포 ^17,2,18, 담배 모자이크 바이러스 ³ 조작 거실과 대형 유전체 입자 ^19과 끝에 묶여 DNA의 가닥의 스트레칭, 박테리아 ³ 포함했다; 작은의하지만, 직접 트래핑 테 더링이없는 생물학적 샘플 도전 남아 있습니다. 이 트래핑 구성은 작은 생물 입자가 손상 또는 테 더링없이 오랜 기간 동안 개최 될 수 있도록 기존의 조명 핀셋과 원형 nanohole보다 낮은 빛의 농도에 작은 유전체 입자를 포집 할 수 있습니다. 또한, 트래핑 이벤트가 이러한 방법의 설치가 민감한 센서로 작동하고 바이러스와 단백질과 같은 작은 생물 입자를 감지 할 수 있도록 높은 신호 대 잡음 비율을 나타냅니다. 사실, 20 나노 미터 폴리스티렌 분야가 가장 작은 생물 입자과 비교 1.59의 굴절률이바이러스 있습니다. 이 방법은 생물 입자를 포함한 나노 입자의 고정 및 조작을위한 안정적이고 성숙한 기술, 역할을 할 수있을 것입니다.

이 기술의 응용은 마이크로 유체 환경에 통합이 포함되어 있습니다. 대신에 하나의 마이크로 유체 챔버를, 채널은 동적으로 굴절률 감지를위한 이상적인 환경을 제어하는​​ 데 사용됩니다. 이러한 설정은보다 안정적이고 강력한 설정과 용질의 빠른 분석으로 이어지는 하나의 마이크로 유체 칩에서 설정 될 것입니다. 또 다른 방법은 단일 형광 태그 바이러스, 반도체 양자 점과 녹색 형광 단백질의 특성에 대한 형광 검출 방식의 개발입니다. 이 설치는 매우 작은 샘플 분석 할 수 있도록, 하나의 바이러스 나 단백질의 바이오 센서에 변형에 대한 가능성이 있습니다. 마약 발견 ²¹ 질병과 감염 검출 ^(22)는 하나의 단백질 검출기를 높일 수 있습니다. 라만 SPEctroscopy는 입자 및 단일 결합 사건의 라만 신호의 검출을위한 통합 할 수 있습니다. 이중 nanohole 구조는 끝이 강화 라만 분광법 ²³ 적절한 방법으로 강력한 지역 현장 개선을 할 수 있습니다. 재료 특성의 구체적인 라벨이없는 방법은 또한 라만 분광법 ^24를 사용하는 것이 가능해 질 것입니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
이름	제조업 자	일련 번호	코멘트
집중 오일	Cargille 연구소	16,484	수량 : 1
Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 키트	다우 코닝 캐나다		수량 : 1 PDMS 기반과 경화 에이전트를 모두 포함
골드 코팅 테스트 슬라이드	EMF 사	크롬 / 호주	수량 : 1 티 부착 층은 잘으로 사용할 수 있습니다
더 1.5 Coverslips 없습니다	피셔 과학	12-541-B	수량 : 1
중심 이온 빔 시스템	히타치	FB-2100
휴대용 데이터 수집 모듈	오메가 공학	USB-4711A	큐uantity : 1
선형 단계	파커	4034M	수량 : 1
레이저 다이오드 헤드와 컨트롤러	Sacher Lasertechnik 그룹	TEC 120	수량 : 1 수동 조정할 수 Littrow 레이저 시스템
디지털 오실로스코프	Tektronics	TDS1012	수량 : 1
20 나노 미터 Nanosphere 크기 기준	열 과학	3020A	수량 : 1
1 "렌즈 마운트	Thorlabs	LMR1	수량 : 1
0.3 "렌즈 튜브	Thorlabs	SM1L03	수량 : 2
흡수 ND 4.0 필터	Thorlabs	NE40A	수량 : 1
알루미늄 BreadboaRD	Thorlabs	MB1824	수량 : 1
눈사태 포토 다이오드	Thorlabs	APD110A	수량 : 1
디지털 광학 파워 미터	Thorlabs	PM100	수량 : 1 갔고, 다른 사람들은 할 것
힘 측정 모듈	Thorlabs	OTKBFM	수량 : 1
동적 미러 마운트	Thorlabs	KM200-E03	수량 : 1 주변 IR 레이저 품질 거울
레이저 다이오드 정전류 드라이버	Thorlabs	LD1255R	수량 : 1
LD1255 광학 테이블 마운트 플레이트	Thorlabs	LD1255P	수량 : 1
마운트 비 염색성의 하프 웨이브 플레이트	Thorlabs	AHWP05M-980	수량 : 1 690-1200 nm의
광학 트위터 키트	Thorlabs	OTKB / M	수량 : 1 측정 항목 또는 제국
홀더베이스를 게시	Thorlabs	BA2	수량 : 2
전원 공급 장치	Thorlabs	PS-12DC-US	수량 : 1
전원 공급 장치 케이블	Thorlabs	LD1255-CAB	수량 : 1
직각 판	Thorlabs	AP90	수량 : 1
직각 포스트 클램프	Thorlabs	RA90	수량 : 1
스테인리스 광학 포스트	Thorlabs	TR3	수량 : 1
테이블 클램프	Thorlabs	CL1	수량 : 2 갔고, 다른 사람들은 할 것
열 센서	Thorlabs	PM210	수량 : 1 디지털 광학 파워 미터에 대한
100 PF의 콘덴서			수량 : 1 모든 브랜드 중요하지
200 KOhm 저항			수량 : 1 모든 브랜드 중요하지
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