나노 광학 컨베이어 벨트의 제작 및 운영

요약

기존 광학 조작 기술의 확장성과 해상도는 회절에 의해 제한됩니다. 우리는 회절 한계를 우회하고 밀접하게 배치된 C자형 플라즈몬 공진기의 경로로 패턴화된 금 표면을 사용하여 칩을 가로질러 나노 입자를 광학적으로 운반하는 방법을 설명합니다.

초록

작은 입자에 힘을 함정에 초점을 맞춘 레이저 빔을 사용 발휘하는 기술은 지난 몇 년 동안 나노 생물과 물리 과학의 많은 중요한 발견을 가능하게했다. 이 분야에서 진전을보다 쉽게​​ 배포하고 널리 사용할 수 있습니다 도구, 더 작은 시스템의 더 큰 규모의 추가 연구를 초대합니다. 불행히도, 회절의 기본 법칙 트랩하기 어려운 지름이 반 파장보다 작은 입자를 만드는 레이저 빔의 초점 스폿의 최소 크기를 제한하고, 일반적으로 하나의 절반보다 더 가깝게되는 입자 사이에 차별 연산자 방지 -wavelength. 이것은 많은 밀접하게 이격 된 나노 입자의 광학 조작을 배제하고, 광 - 기계 시스템의 해상도를 제한한다. 또한, 집중 빔을 사용하여 조작이 매우 부피가 크고 비용이 많이들 수 있습니다 빔 형성 또는 스티어링 광학 필요합니다. 해결하기 위해종래의 광 트래핑 연구실의 시스템 확장 성에서 제한이 칩을 가로 질러 이동하는 입자를 근접장 광학을 이용하는 대안적인 방법을 고안했다. 대신 원거리에 레이저 빔의 초점을 맞추는, 플라즈몬 공진 근접장 광은 회절의 제한을 극복하고 높은 해상도로 입자를 조작하는 데 필요한 로컬 광 강도 향상을 생성한다. 밀접 간격 공진기는 컨베이어 벨트와 같은 방식으로 다음에 한에서 입자의 핸드 오프를 중재 해결할 수 있습니다 강력한 광학 트랩을 생산하고 있습니다. 여기서는 디자인 플라즈몬 C 형 공진기 및 방법 초해 나노 조작 및 수송을 달성하기 편광 된 레이저 광으로 조작하는 패터닝 금 표면을 이용하여 컨베이어 벨트를 제조하는 방법을 설명한다. 나노 광학 컨베이어 벨트 칩은 리소그래피 기술을 사용하여 제조 및 패키징 쉽게 분산 될 수있다.

서론

캡처, 심문 및 단일 나노 입자의 조작은 나노 기술의 중요성을 성장의이다. 광학 핀셋이 될 수 있도록 단일 DNA 분자 ^(4)과의 기계적 특성의 측정으로 획기적인 실험을 사용하도록 설정 한 분자 생물학 ^{1-4, 5-7} 화학 및 나노 조립 ^7-10에서 실험 특히 성공적인 조작 기술이되었다 그들의 광학 특성 ^11,12 의한 세포의 선별. 이러한 국경에 발견은 더 작은 시스템의 연구를 열어, 그들은 새로운 실질적으로 유익한 제품과 기술의 엔지니어링에 대한 방법을 확인합니다. 차례로, 이러한 경향은 새로운 기술들이 더 작고 기초 입자를 조작 할 필요가 구동한다. 또한, 의견 생화학 시험을 가지고 위해 더 저렴하고 더 작은 패키지에서 이러한 기능을 수행하기 위해 '랩 온어 칩'장치를 구축 할 수있다 푸시실험실, 의료 및 기타 목적으로 ^{13, 14의} 필드에.

불행하게도, 종래의 광 트래핑 (COT)는 나노 기술의 증가하는 요구 사항을 모두 충족 할 수 없습니다. COT 광 강도와 전자계 에너지 구배의 높은 국부 피크를 만드는 단단한 포커스에 레이저 광을 가지고 높은 개구 수 (NA)의 대물 렌즈를 사용하는 메커니즘을 동작한다. 이러한 에너....

프로토콜

1. 디자인 C 모양의 조각 (CSE) 배열

1. 배열 패턴을 디자인합니다.

컨베이어 벨트 반복 요소 그림 1. CSE 레이아웃. 묘사. 성공적인 교통 개발 _Y = 320 nm의 D _X = 360 nm의를 사용하여 달성되었다. 조각의 인접 쌍 오프셋 60 ° 상대 회전이있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

1. 평면 기판에 대한 입자의 원하는 경로를 확인합니다.
2. 도 1에 도시 된 바와 같이, CAD 프로그램을 이용하여, 경로를 따라 C 자 형상의 폴리곤 이중 선형 어레이를 생성, 각 쌍의 각각의 다각형은 연속적. 볼록 선체에 대해 ± 90 ° 30 회전 입자 자체 V 때문에olume 대략, 그 핸드 오프 영....

결과

도 7은 최종 장치의 그림이다. 1cm X 1cm의 금 표면의 중심에 거의 직각 도면으로부터 알 수있는 CSE 및 반송 패턴,의 행렬이다. (6)는 최종 디바이스에서 예시 CSE 패턴의 주사 전자 현미경 사진이다도.

길이 나노 광학 컨베이어 벨트는 5㎛ 건너 여행 390 nm의 폴리스티렌 비드의 입자 운동은도 9에 도시되어있다. 곡선은 레이저 편광 각도의 함수로서 입자의 위치를 나타낸다. 프로토콜에서 언급 한 바와 같이, 전송이 성공하지 않거나 근거리 트래핑가 시작하지 않는 경우가있을 수 있습니다. 최선의 조치는 더 나은 상태에있을 수있는 다른 패턴을 시도하는 것입니다.

토론

NOCB는 기존의 초점 빔 기술에 대한 긴 가능한 입자를 수송하는 강력한 트래핑 힘과 능력을 갖춘 플라즈몬 접근의 작은 함정의 크기를 결합합니다. NOCB 고유 시스템의 트래핑 및 전송 특성은 표면 패터닝의 결과가 아닌 조명 빔을 성형하는. 제공된 조명은 충분히 밝고 편광 또는 파장은, 변조 될 수있는 입자가 파지 표면 상에 복잡한 프로토콜을 이동시킬 수있다. 우리는 NOCB도 신속하게 정렬 자신의 이동성 ^(23)에 계 입자 수 있습니다 시뮬레이션을 통해 증명하고있다. 근거리 트랩은 단일 분자 화학에 대한 작은 반응 볼륨을 제공 할 수 있으며, NOCB의 고유 parallelizability는, 설정 수행하고 칩에 포장 및 조명 될 수만큼의 동시 실험을 해체하는 데 사용할 수 있다는 것을 의미합니다 한 번.

, 근접장 O 작업을 NOCB를 얻으려면보유 및 나노 입자를 넘겨 ptical 힘은 다른 입자와 기판 자체 점성 드래그, 종래의 광 트래핑 (조명 빔의.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
HSQ 전자 빔 레지스트	Dow Corning	XR-1541-006
PMMA	MicroChem	950A2 M230002
고속 경화 광학 접착제	Norland Optical Adhesive	NOA 81
형광 카르복실 미세구	Bangs Laboratories	FC02F, FC03F
형광 카르복실레이트 변성 미세구	분자 프로브	F-8888
석영 슬라이드	SPI 공급	1020-AB
도립 형광 현미경	Nikon	ECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG 레이저	광파 전자	221-HD-V04
sCMOS 카메라	PCO	EDGE55
CCD 카메라	Watec	WAT-120N
0차 반파 플레이트	Thorlabs	WPH05M-1064
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T8787
증류수	Invitrogen	10977-023
Si 웨이퍼	실리콘 퀘스트 인터내셔널	708069
광학 렌즈	Thorlabs