Optische overvullen van nanodeeltjes

Samenvatting

De volgende setup aanpak gegevens low power optische vangen van diëlektrische nanodeeltjes door middel van een dubbel-nanohole in metaal film.

Samenvatting

Optische trapping is een techniek voor het immobiliseren en het manipuleren van kleine voorwerpen op een zachte manier met behulp van licht, en het is op grote schaal toegepast bij het vangen en manipuleren van kleine biologische deeltjes. Ashkin en medewerkers eerst aangetoond optisch pincet met een gefocusseerde bundel ^1. De enkele straal trap nauwkeurig worden beschreven met de formule perturbatieve gradiënt kracht bij kleine deeltjes Rayleigh regime ^1. In de perturbatieve regime, het optische vermogen vereist voor het vangen van een deeltje schalen als de inverse vierde macht van de deeltjesgrootte. Hoge optische bevoegdheden kunnen beschadigen diëlektrische deeltjes en veroorzaken verwarming. Zo werden gevangen latex bolletjes van 109 nm in diameter vernietigd door een 15 mW balk in 25 sec ^1, die ernstige gevolgen voor de biologische materie ^2,3 heeft.

Een zelf-geïnduceerde back-actie (SIBA) optische trapping werd voorgesteld om 50 nm polystyreen bolletjes in de val te lokkenniet-perturbatieve regime ^4. In een niet-perturbatieve regime kan zelfs een kleine deeltjesgrootte met weinig diëlektrische dan de achtergrond beïnvloeden aanzienlijk omringende elektromagnetische veld en veroorzaken een grote optische kracht. Als een deeltje komt een verlicht diafragma, lichttransmissie stijgt dramatisch als gevolg van diëlektrische laden. Als het deeltje probeert verlaten diafragma, verminderde transmissie veroorzaakt een verandering van impuls naar buiten uit het gat en door Third Newton, resulteert in een kracht op het deeltje naar binnen in het gat, het vangen van de deeltjes. De lichttransmissie kunnen worden gevolgd, vandaar dat de val kan een sensor worden. De SIBA traptechniek kan verder worden verbeterd door een dubbele nanohole structuur.

De dubbele nanohole structuur blijkt een sterke lokale veldversterking geven ^5,6. Tussen de twee scherpe uiteinden van de dubbele nanohole kan een klein deeltje veroorzaken een grote verandering in optische transmission, en veroorzaakt daardoor een grote optische kracht. Daardoor kunnen kleinere nanodeeltjes worden opgesloten, zoals 12 nm silicaat gebieden ⁷ en 3,4 nm hydrodynamische straal runderserumalbumine eiwitten ^8. In dit werk wordt de experimentele configuratie voor nanodeeltjes trapping beschreven. Eerst hebben we detail de montage van de vangst setup is gebaseerd op een optische Thorlabs Tweezer Kit. Vervolgens leggen we de nanofabricage procedure van de dubbele nanohole in een metaalfilm, de fabricage van de microfluïdische kamer en de monstervoorbereiding. Ten slotte hebben we detail de data-acquisitie procedure en bieden een typische resultaten voor het vangen 20 nm polystyreen nanosferen.

Protocol

Het principe van de SIBA traptechniek wordt geïllustreerd in figuur 1. Figuur 2 is een schematische weergave van de experimentele opstelling.

1. Optische overvullen instellen

Voor dit deel van de procedure vindt u in de optische trapping kit handleiding ⁹ of de optische kracht meetmodule handleiding ¹⁰ voor meer informatie over het instellen van de kits. Merk op dat een lawine fotodiode (APD) wordt gebruikt in plaats van een kwadrant positiedetector. Voor schroeven niet in de optische trapping kit, gebruiken die in de kolomschroef en hardware kit (Thorlabs, HW-KIT2). Bescherming van de ogen te worden gedragen te allen tijde wanneer de laser is ingeschakeld. Zorg ervoor dat de bundel zich in een veilige omgeving en reflecterende accessoires zoals sieraden, moet worden vermeden. Ook bescherming tegen elektrostatische ontlading is aan te raden bij het hanteren van laserdiodes.

1. Stel de optische pincet kit (Thorlabs, OTKB / M) en de kracht maatreurement module (Thorlabs, OTKBFM) als per hun respectievelijke handleidingen. Een op basis van silicium lawine fotodiode (APD) (Thorlabs, APD110A) wordt in plaats van de krachtmeting module (Thorlabs, OTKBFM) gebruikt kwadrant positie detector.
2. Sluit de APD op een oscilloscoop (Tektronics, TDS1012) via een coaxiale kabel.
3. Voeg een halve golf plaat (Thorlabs, AHWP05M-980) in de beam expander. De half-wave plaat is bevestigd tussen twee lens buizen (Thorlabs, SM1L03).

2. Nanofabrication

1. Snijd een goud gecoate objectglaasje (EMF Corp, Cr / Au) in vier identieke stukken. Als alternatief voor de in de handel verkrijgbare slides, hebben we ook een 100 nm dikke Au film met een 2 nm Ti hechtingslaag gedeponeerd door e-beam depositie op een 1 inch vierkante glasplaatje bij verhoogde substraat temperatuur van 200 ° C gedurende minste 1 uur. Dit levert een gladde polykristallijne film.
2. Maak een bitmap-afbeelding van de dubbele nanohole structuur als de input voorde focused ion beam (FIB) systeem is een bitmap. Het beeld bestaat uit twee vaste cirkels, 160 nm in diameter met een hart op hart afstand van 190 nm. Dit sjabloon maakt een tip scheiding van ongeveer 15 nm. Tussen de cirkels kan een optionele dunne lijn te worden geplaatst om eventuele resten metalen te verwijderen tussen de tips. Figuur 3a toont een voorbeeld bitmapafbeelding.
3. Fabriceren van de dubbel-nanohole structuur met behulp van een FIB (Hitachi, FB-2100) freessysteem. Converteer de bitmap in stap 2.2 in een FIB frezen patroon (het donkere gebied in de bitmap wordt gemalen door de FIB). Gebruik een ion versnellingsspanning van 40 kV, een bundel begrenzende opening van 15 micrometer diameter onder 60 K maal vergroting. Molen passeert tachtig per dubbele nanohole met een 5 psec dosis Tijd op elke doorgang. Figuur 3b toont een typische resulterende structuur. Herhaal dit zo nodig. Meerdere nanogaatjes moeten worden gemaakt als mogelijk te maken fouten.
4. Voeg registratie markers, hetzij met de FIB en / of hen om de locatie van de dubbele nanohole (s) geven.
5. Optioneel, neem een ​​SEM-beeld van de gaten om nauwkeurig te evalueren structuur kwaliteit en fooi scheiding.

3. Microfluïdische Kamer

Een stroomschema voor het vervaardigen van de microfluïdische kamer wordt getoond in figuur 4.

1. Giet 10 g polydimethylsiloxaan (PDMS) base (Dow Corning Canada, Sylgard 184 siliconelastomeerfase Base) en nog 1 g hardingsmiddel (Dow Corning Canada, Sylgard 184 siliconelastomeerfase Curing Agent) in een eenmalige beker. Meng gedurende enkele minuten.
2. Evacueer mengsel in vacuümkamer totdat alle luchtbellen zijn verdwenen.
3. Pour 1,5 g PDMS in een 9 cm diameter Petrischaal. Spin laag PDMS onderaan petrischaal bij 950 rpm gedurende 65 sec. Figuur 4b toont het resultaat. De dikte is niet kritisch zolang het onder 80 pm, de gouden film in de onderste microscoop objectiviteitwerkafstand e's.
4. Plaats voorzichtig 3-5 # 1.5 dekglaasjes (Fisher Scientific, 12-541-B) op de PDMS zodanig dat zij elkaar niet overlappen en evacueren gedurende 30 minuten zoals getoond in figuur 4c.
5. Als coverslips verplaatst en gestapeld op de top van elkaar tijdens evacuatie, beweeg ze uit elkaar. Moet voorzichtigheid worden betracht ten aanzien van PDMS te houden onder dekglaasjes dun en uniform.
6. Als manipulatie van dekglaasjes moest opnieuw geëvacueerd petrischaal gedurende 30 minuten.
7. Verwijderen petrischaal van vacuümkamer en koken hete plaat gedurende 20 min bij 85 ° C.
8. Met behulp van een scheermesje, uitgesneden op een van de dekglaasjes dan voorzichtig los te wrikken van de glijbaan met fijne punt pincet. Een dunne laag van PDMS blijft op het dekglaasje zoals PDMS is kleefmiddel het glas dekglaasje dan PMMA petrischaal zoals in figuur 4e.
9. Snijd een 3 x 3 mm venster in het PDMS met een scheermes zoals in figuur 4f. Dit venster vormt de ruimte waarin de nanoparticle oplossing zal worden gehouden.

4. Monstervoorbereiding

1. Fabriceren een microscoopglaasje met een ¾ "gat in het midden met acryl. Dit kan worden bereikt met een lasersnijmachine. Andere materialen kunnen worden gebruikt. Het goud monster wordt geplaatst in het gat.
2. Tape de omtrek van het gat met dubbelzijdige tape. Gebruik een scheermesje om het overtollige tape af te snijden.
3. Plaats microscoopglaasje op de dekglaasje, PDMS naar boven.
4. Verdun de polystyreen nanosphere oplossing (Thermo Scientific, 3020A) 1% w / v en 0,05% w / v met gedeïoniseerd water. Een micropipet worden gebruikt.
5. Voeg een paar druppels van de oplossing in het PDMS-venster. Voeg een druppel op de gouden monster waarin de nanogaatjes zich bevinden.
6. Plaats gouden monster op de top van dekglaasjes zodanig dat de nanogaatjes zich binnen de PDMS-venster. Zorg ervoor dat belletjes zijn niet aanwezig in de kamer. Druk op goud monster tegen dekglaasje en dep de overtollige oplossing.
7. Bij gebruik van een olie-immersie objectief (zoals hier het geval is, maar niet noodzakelijk), een druppeltje olie-immersie aan de andere kant van het dekglaasje, onder het PDMS venster. Let op de locatie van de nanogaatjes.
8. Plaats microscoop dia in diahouder, olie naar beneden, en zet diahouder tot immersie olie in contact komt met de microscoop doelstelling.
9. Ongeveer lijn slide stadium, zodat indicator merken onder de doelstelling.
10. Volg indicator lijnen in de aanloop naar de nanogaatjes. Positie glijbaan zodat indicator merken en andere open gebieden worden gewist van het scherm centrum. Overmatige lichttransmissie kan schade aan de APD.
11. Zet laser. Aangezien de dichroïsche spiegel niet werkte, een plek nabij het centrum van het scherm van de laserstraal weergegeven.
12. Met behulp van de piëzo podium besturingssoftware, een verfijning van de afstemming op alle drie de assen.

5. Data Acquisition

1. Met de help van de indicator merken, de positie van de plek dicht bij een bekende nanohole locatie. De nanogaatjes te klein zal zijn op te lossen en mag alleen verschijnen als vlekken.
2. De lichttransmissie door het monster wordt door het signaalniveau op de oscilloscoop. Verdere aanpassing van de steekproef om lichttransmissie te maximaliseren. Wees voorzichtig met indicator merken en zichtbare en niet-zichtbare krassen als lichttransmissie zal hoog zijn in deze gebieden. Nanogaatjes toont plotselinge sprongen in de lichttransmissie, terwijl krassen vertonen meer geleidelijke veranderingen.
3. Met behulp van de golfplaat, past u de polarisatie van het licht voor de hoogste lichttransmissie als de dubbele-nanohole structuur is gepolariseerd.
4. Om ruis te verminderen, bouwen aan een RC-filter met het breadboard, 200 kOhm weerstand en 100 pF condensator en sluit deze na de APD via een coaxiale kabel. Deze waarden kunnen worden aangepast voor de beste prestaties, rekening houdend met de bandbreedte van de benodigde data-acquisitie.
5. Sluit oscilloscoop en gegevens acquisbankwezen in module (Omega, USB-4711A) om de RC-filter met coaxiale kabels en T-adapter.
6. Proef de APD de spanning met behulp van de data-acquisitie module voor de gewenste tijd. Zoektijden zijn meestal in de honderden seconden. In dit geval werd een aangepaste software voor data-acquisitie. De spanning wordt bemonsterd bij 2000 maal per seconde.
7. Met behulp van Matlab, filteren de verkregen gegevens met behulp van een Savitzky-Golay filter en plotten het tegen de tijd in een grafiek.

Resultaten

Een typische overname trace is getoond in figuur 5a. Een trapping evenement is karakteristiek plotseling, met een scherpe rand, met een duidelijke schakelaar tussen twee zendvermogen niveaus. Als deeltjes zijn onderhevig aan Brownse beweging, zal het vangen van gebeurtenissen willekeurige plaatsen. Voor 20 nm deeltjes, de transmissie verandert van trapping waren meestal rond de 5-10% en de vangst tijden, rond 10 tot 300 sec. De typische tijd om een ​​vangst event voor de kracht en concentratie bovengenoemde bereiken in de orde van een minuut. Door sterische hindering is ongebruikelijk om meerdere deeltjes trapping tegelijkertijd zien, maar zodra een deeltje wordt vrijgegeven, wordt meestal gevolgd door een opeenvolgende trapping event. Afhankelijk van de kwaliteit van de resultaten, kan er een verhoging van ruis in het opgesloten toestand. Dit geluid stijging is afkomstig van de Brownse beweging van de gevangen deeltjes. Zonder de gevangen deeltjes, deze ruisbron niet.

_content "> Sommige artefacten kunnen worden weergegeven in de resultaten die geen indicatie zijn trapping gebeurtenissen. resultaten geeft drifting, langzame veranderingen in de transmissie over een periode van minuten zoals getoond in figuur 5b moet worden weggegooid. andere artefacten kunnen ook aanwezig zijn zoals als inconsistent transmissie veranderingen, veel ruis of geen trapping op alle. bijvoorbeeld bellen kan leiden tot discontinue intensiteit springt als men niet oppast om ervoor te zorgen dat de kamer is bubble-vrij. Deze belletjes zullen anders reageren op de trapping gebeurtenissen in termen van dynamische gedrag en intensiteit veranderen, en dus zijn ze gemakkelijk te identificeren. Dergelijke symptomen kunnen worden veroorzaakt door een slechte dubbel-nanohole structuur, verontreinigingen of mechanische trillingen. Een rustige, lage-activiteit instelling wordt sterk aanbevolen om deze opstelling te plaatsen. Ook, waardoor laser en podium om een ​​paar minuten af ​​te wikkelen na het uitlijnen kan ook helpen.

s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/>
Figuur 1 Subwavelength opening optische transmissie: a) Zonder deeltje; b) verhoogde transmissie door diëlektrische deeltjes c) Indien deeltje pogingen verlaten, de daling van licht momentum (AT) een kracht (F) op het deeltje veroorzaken. trekken terug in het gat, d) Red-verschuiving van de transmissie curve veroorzaakt door de deeltjes, waardoor de wijziging in de transmissie AT.

. Figuur 2 a) Algemene schema van trapping opstelling wordt de uitbreiding van rode cirkel getoond in b), b) Uitbreiding met de dubbele nanohole en nanosferen in de kamer PDMS c) SEM beeld van de dubbele nanohole structuur. Gebruikte acroniemen: LD = laserdiode; ODF = extinctie filter; HWP = half-wave plaat; BE = beam expander; MR = spiegel; MO = microscoop objectief; OI MO = olie immersie microscoop objectief; DH = dubbele nanohole; APD = lawine fotodetector.

Figuur 3 a) Voorbeeld bitmap figuur in de FIB fabricage;. B) een SEM beeld van een dubbele nanohole.

Figuur 4. Processchema voor het fabriceren van de microfluïdische kamer.

Figuur 5. (A) Typische overname van trapping evenementen met 20 nm polystyreen bolletjes. (B) Een slechte aankoop met acute drifting.

Discussie

De huidige opstelling is effectief trapping mogelijkheden vanwege de structuur van de nanohole. Dit nanohole vallen ~ 10 nm-schaal diëlektrische deeltjes bij lage optische intensiteiten. Andere nieuwe optische vallen omvatten optische dipoolantennes ^11, whispering-gallery-mode optische golfgeleiders resonators ^12,13 en ^14, maar ze werken meestal in de perturbatieve regime, die wordt begrensd door de inverse vierde orde schaling van het gewenste optische vermogen versus deeltjesgrootte grootte, in tegenstelling tot de SIBA en dubbelklik nanohole val. Alternatieve opening vormen zijn ook voorgesteld voor het vangen, zoals een rechthoekige plasmon nanogaatje ^15. Andere gunstige eigenschappen getoond door de dubbele nanohole trap omvatten deeltjesgrootte-selectief gedrag ^7, een trapping locatie (met multi-deeltjes trapping beperken) en het gemak van fabricage ^16. Als alternatief voor een FIB kunnen dubbele nanogaatjes worden vervaardigd met een colloïdale lithografiey ^6.

Vangst van biologische materialen van grote polariseerbaarheid en grootte heeft opgenomen bacteriën ^3, levende cellen ^17,2,18 de tabak mozaïek virus ³ en manipulatie en strekken van DNA strengen vastgemaakt aan de uiteinden voorzien grote diëlektrische deeltjes ^19, maar direct trapping kleinere biologische monsters zonder tethering blijft uitdagend. Dit trapping configuratie is in staat om het vangen kleine diëlektrische deeltjes bij een lage lichtintensiteit dan klassieke pincet en de ronde nanohole, waardoor kleine biologische deeltjes worden aangehouden voor langere tijd zonder schade of tethering. Ook de trapping gebeurtenissen vertonen een hoge signaal-ruisverhouding waardoor deze te laten werken als een gevoelige sensor en de kleinste biologische deeltjes zoals virussen en eiwitten te detecteren. In feite 20 nm polystyreen bolletjes hebben een brekingsindex van 1,59 vergelijkbaar met de kleinste deeltjes biologischzoals virussen. Deze methode kan een betrouwbare en volwassen techniek voor immobilisatie en manipulatie van nanodeeltjes, waaronder biologische deeltjes worden.

Toepassingen van deze techniek zijn integratie in een microfluïdisch omgeving. In plaats van een microfluïdische kamer zou een kanaal worden gebruikt voor de dynamische besturing van het milieu, voor brekingsindex sensing. Een dergelijke setup zou worden vastgesteld in een enkele microfluïdische chip leidt tot een meer stabiele en robuuste installatie en snellere analyse van opgeloste stoffen. Een andere optie is de ontwikkeling van een fluorescentie detectie systeem voor de karakterisering van een fluorescerend-tagged virussen, halfgeleider quantum dots en groene fluorescerende eiwitten. Deze methode heeft ook mogelijkheden voor modificatie in een biosensor voor een virus of eiwit, waardoor zeer kleine monsters te analyseren. Drug discovery ²¹ en ziekten en infecties opsporen ²² zou gebaat zijn bij een enkel eiwit detector. Raman spectroscopy kan worden opgenomen voor detectie van Raman-signalen van deeltjes en enkele bindingsgebeurtenissen. De dubbel-nanohole structuur laat een sterke lokale veld verbeteringen aan de uiteinden, geschikt voor tip-enhanced Raman spectroscopie ^23. Een zeer specifieke label-free methode materiaalkarakterisering zouden ook gebruikt Raman spectroscopie ^24.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Naam	Fabrikant	Volgnummer	Reacties
Immersion Olie	Cargille Labs	16484	Aantal: 1
Sylgard 184 siliconelastomeerfase Kit	Dow Corning Canada		Aantal: 1 Bevat zowel PDMS basis en verharder
Met gouden coating Test dia's	EMF Corp	Cr / Au	Aantal: 1 Een Ti hechtlaag kan ook gebruikt worden
Geen 1,5 Dekglaasjes	Fisher Scientific	12-541 B-	Aantal: 1
Gerichte-Ion Beam System	Hitachi	FB-2100
Portable Data Acquisition Module	Omega Engineering	USB-4711A	Quantity: 1
Lineaire Fase	Parker	4034M	Aantal: 1
Laser Diode Hoofd en Controller	Sacher Lasertechnik Groep	TEC 120	Aantal: 1 Handmatig Afstembare Littrow Laser System
Digital Oscilloscope	Tektronics	TDS1012	Aantal: 1
20 nm NanoSphere Grootte Standards	Thermo Scientific	3020A	Aantal: 1
1 "Lens Mount	Thorlabs	LMR1	Aantal: 1
0,3 "Lens Tube	Thorlabs	SM1L03	Aantal: 2
Absorberende ND 4.0 Filter	Thorlabs	NE40A	Aantal: 1
Aluminium Breadboard	Thorlabs	MB1824	Aantal: 1
Avalanche Fotodiode	Thorlabs	APD110A	Aantal: 1
Digital Optical Power Meter	Thorlabs	PM100	Aantal: 1 Verouderd, anderen zullen doen
Force meetmodule	Thorlabs	OTKBFM	Aantal: 1
Kinematische Mirror Mount	Thorlabs	KM200-E03	Aantal: 1 Met Dichtbij IR Laser Quality Mirror
Laser Diode constante huidige bestuurder	Thorlabs	LD1255R	Aantal: 1
LD1255 Optische Tafel Montageplaat	Thorlabs	LD1255P	Aantal: 1
Gemonteerd Achromatische half-wave plaat	Thorlabs	AHWP05M-980	Aantal: 1 690 - 1200 nm
Optische Tweezer Kit	Thorlabs	OTKB / M	Aantal: 1 Metrisch of Engelse
Bericht Holder Base	Thorlabs	BA2	Aantal: 2
Voeding	Thorlabs	PS-12DC-US	Aantal: 1
Voeding kabel	Thorlabs	LD1255-CAB	Aantal: 1
Right Angle Plate	Thorlabs	AP90	Aantal: 1
Right Angle Bericht Clamp	Thorlabs	RA90	Aantal: 1
Roestvrij staal Optische Bericht	Thorlabs	TR3	Aantal: 1
Tafelklem	Thorlabs	CL1	Aantal: 2 Verouderd, anderen zullen doen
Thermische Sensor	Thorlabs	PM210	Aantal: 1 Voor digitale optische vermogensmeter
100 pF condensator			Aantal: 1 Elk merk, niet kritisch
200 KOhm Resistor			Aantal: 1 Elk merk, niet kritisch
Acryl Blad			Aantal: 3 "x 1" Elk merk, niet kritisch
Assortiment van coaxiale kabels, draden en aansluitingen			Behoefte
Breadboard			Aantal: 1 Elk merk, niet kritisch
Concave Lens			Aantal: 1 Elk merk, niet kritisch
Diamond Cutter			Aantal: 1 Elk merk, niet kritisch
Dubbelzijdig Tape			Elk merk, niet kritisch
Scheermesje			Aantal: 1 Elk merk, niet kritisch
Pincet			Aantal: 1 Elk merk, fijne getipt