Beschrijven we een procedure voor het optisch overvullen van micro-deeltjes in nanoplasmonic optische lattice.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Overlapping van Micro-deeltjes in Nanoplasmonic optische Lattice
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
De Enterprise optische pincetten is ontwikkeld om te overwinnen van de grenzen van de diffractie van de conventionele verre veld optische pincetten. Enterprise optische rooster bestaat uit een matrix van nanostructuren, die een verscheidenheid van overlapping en vervoer gedrag vertonen. We melden de experimentele procedures voor de overlapping van micro-deeltjes in een eenvoudige vierkante nanoplasmonic optische rooster. Ook beschrijven we de optische setup en de nanofabricage van een nanoplasmonic array. Het optische potentieel is gemaakt door het verlichten van een matrix van gouden nanodiscs met een Gaussiaanse bundel van 980 nm golflengte en spannende plasmon resonantie. De beweging van deeltjes wordt gecontroleerd door fluorescentie imaging. Een regeling om te onderdrukken photothermal convectie wordt ook beschreven om bruikbare optische kracht voor optimale overvulling verhogen. Onderdrukking van convectie wordt bereikt door de koeling van het monster, tot op een lage temperatuur, en met behulp van de coëfficiënt van de bijna-nulemissie thermische uitzetting van een water-medium. Zowel één deeltje vervoer en meerdere deeltje overlapping worden hier gemeld.
Inleiding
De optische overlapping van micro-schaal deeltjes werd oorspronkelijk ontwikkeld door Arthur Askin in de vroege jaren 1970. Sinds zijn uitvinding, is de techniek ontwikkeld als een veelzijdig instrument voor micro- en nanomanipulation1,2. Conventionele optische overvulling op basis van het ver-veld gericht principe is inherent beperkt door de diffractie in zijn ruimtelijke opsluiting, waarin de kracht van de vangst drastisch vermindert (volgende een ~een3 wet voor een deeltje met een straal een) 3. om te overwinnen dergelijke grenzen diffractie, onderzoekers hebben ontwikkeld in de buurt van field optische vangst technieken op basis van het vluchtig optische veld met behulp van Enterprise metalen nanostructuren en, bovendien, de vangst van nanoschaal objecten neer enkele eiwitmolecules geweest aangetoonde4,5,6,7,8,9,10,11. Bovendien is de Enterprise optische rooster bestaat uit matrices van periodieke Enterprise nanostructuren te dragen lange afstand vervoer van micro - en nanodeeltjes en meerdere deeltje stapelen11,12. Een belangrijk obstakel voor het verstoren van de overlapping in een optische rooster is photothermal convectie en inspanningen hebben verricht om te verhelderen van de gevolgen ervan door verschillende groepen14,15,16,17. Greense functie gebruikt, hebben Baffou et al. een temperatuursprofiel berekend door het modelleren van elke Enterprise nanostructuur als een punt kachel en vervolgens experimenteel gevalideerd hun model14. Toussant de groep heeft ook de plasmon-geïnduceerde convectie met deeltje velocimetry15gemeten. Van de auteur groep is ook gekenmerkt in de buurt van veld en convectional vervoer en aangetoond van een technische strategie om te onderdrukken photothermal convectie16,17.
Hier presenteren we het ontwerp van een optische setup en een gedetailleerde procedure speciaal voor overvullen experimenten met Enterprise optische lattice. Het optische potentieel ontstond door de verlichting van een matrix van gouden nanodiscs met een losjes gerichte Gaussiaanse bundel. Een schema om te onderdrukken de convectie photothermal door afkoeling van het monster, tot op een lage temperatuur (~ 4 ° C) voor optimale overvulling is ook beschrijven hier17. Onder de aanpassing van de Boussinesq, een schatting van de orde van grootte voor de natuurlijke convectie snelheid u wordt gegeven door u ~L2 gβΔT / v, waar L de omvang van de lengte van de warmtebron en Δ is T is de temperatuurstijging ten opzichte van de referentie te wijten aan de verwarming. g en β zijn de valversnelling en thermische uitzetting coëfficiënt, respectievelijk. Bij temperaturen in de buurt van 4 ° C, de dichtheid van het medium water vertoont abnormaal temperatuursafhankelijkheid en dit vertaalt zich in een bijna-nulemissie thermische uitzetting coëfficiënt en dus een verwaarloosbaar kleine photothermal convectie.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. optische Setup
Opmerking: het beginsel van de optische setup wordt geïllustreerd in Figuur 1.
- Set up de optische pincetten kit (Zie de Tabel van materialen) en de fluorescentie-module (Zie Tabel van materialen) volgens hun handleidingen. Sluit een 470 nm blue light emitting diode (LED) licht-bron naar de fluorescerende module.
- Vervangen de hoge numerieke diafragma (NB) (NB = 1,25, vergroting 100 x) olie onderdompeling doelstelling door een lange afstand (WD) Microscoop doelstelling (brandpuntsafstand 3.6 mm, WD = 10,6 mm, NB = 0,5).
- Verwijderen van de lens in de lichtbundel uitbreiding sectie van de geassembleerde kit om losse gericht van de laserstraal.
- Beurt op de voeding en de huidige, zodat de laser diode van golflengte 980 nm en gebruik de geladen gekoppeld apparaat (CCD) camera om ervoor te zorgen dat de laserstraal is correct uitgelijnd.
Opmerking: Als de laserstraal goed uitgelijnd is, de CCD-camera zal lezen een Gaussiaanse plek.
2. Nanofabrication
- Marker Fabrication.
Opmerking: Markeringen zal helpen om de positie van de nanoplasmonic matrix tijdens het fabricageprocédé en de daaropvolgende overlapping experiment. Het gedetailleerde proces wordt geïllustreerd in aanvullende figuur 1.- Storting 40 nm indium tin oxide (ITO) film over een dekglaasje aan dikte 0,17 mm met sputteren.
Opmerking: De ITO-film zal helpen kwijting van elektronen tijdens de daaropvolgende e-bundel lithografie. - Spin jas een laag van 8 µm van positieve fotoresist met rotatie snelheid 4000 omwentelingen per minuut en tijd 30 s met een spin-coater.
- Soft het monster bij 90 ° C gedurende 5 minuten bakken en uitlijnen van het monster met de photomask voor marker en blootstellen aan het UV-licht voor 80 monster s in het masker aligner.
- Genieten van het monster in de fotoresist ontwikkelaar voor 130 s.
- Storten een 2 nm laag van chroom en een 40 nm laagje goud op het monster met behulp van thermische verdamping. 18
- genieten van het monster in aceton en plaats deze in een ultrasone reiniger die op 43 kHz en 150 W voor 5 min voor lift af
- Storting 40 nm indium tin oxide (ITO) film over een dekglaasje aan dikte 0,17 mm met sputteren.
- Fabricage van Nanoplasmonic Array
- Spin vacht een laag van e-bundel weerstaan PMMA 120K met Vrille Vaart 5000 rpm voor 30 s op een spin-coater. Het monster bij 160 ° C gedurende 3 minuten op een hete plaat bakken.
- Spin jas een andere laag van e-bundel weerstaan PMMA 960K met Vrille Vaart 5000 rpm voor 30 s op een spin-coater. Het monster bij 160 ° C gedurende 3 minuten op een hete plaat bakken.
- Gebruik e-bundel schrijver bloot van de e-balk te weerstaan met versnelling spanning van 30 kV en dosering 400 C/cm 2.
- Een 40 nm laagje goud storten in een thermische verdamper.
- Geniet van het monster in aceton en plaats deze in een ultrasone reiniger voor 5 min. voor lift af
3. Monster koeling systeem en haar temperatuur kalibratie
Opmerking: het monster koeling scenografie is afgebeeld in aanvullende figuur 2.
- Maken van het driver circuit voor monster koeling
- de weerstanden, junction bipolaire transistoren en macht metaaloxide veld effect transistors op de aangepaste printplaat door het volgen van het circuit diagram in aanvullende figuur 3 plaatsen . Al deze componenten met soldeerbout soldeer.
- Connect draden tussen de haven van de controle van de printplaat en de elektronische control board. Sluit de kabels tussen de uitvoerpoort van de printplaat en thermoelectrical koelelement (TEC). Plaats van het TEC-element in het werkgebied van de steekproef met warmte zinken.
Opmerking: de TEC element heeft een gat in het midden om de laserstraal doorlopen. - Connect draden van de printplaat naar 5 V voeding. De toekomstgerichte infrarood camera gebruikt om de temperatuur te controleren als de thermoelectrical koeling is goed afkoeling te bewaken.
- Kalibratie van de gemeten temperatuur in de toekomstgerichte infrarood camera en weerstand temperatuur detector (OTO) thermometer.
- Plaats van de OTO-thermometer op een lege dekglaasje aan en breng een kleine hoeveelheid van thermische plakken op te zorgen voor goede thermisch contact tussen de OTO-thermometer en dekglaasje aan.
- De instelling van het vermogen van de uitvoer van de elektronische controle-circuit aan TEC element veranderen door het veranderen van het pulserend sproeien van puls breedte modulatie instelling en wachten op 3 min om ervoor te zorgen dat de temperatuur van de stationaire toestand is bereikt. Lees de temperatuur met behulp van de OTO-thermometer.
- Beurt de voorwaartse uitziende infrarood camera en de monitor de temperatuur. Herhaal dit op verschillende uitvoerinstellingen macht te verkrijgen van de kalibratiekromme van temperatuur. Een vertegenwoordiger temperatuur kalibratiekromme wordt weergegeven in aanvullende figuur 4.
Opmerking: Het is cruciaal dat de kalibratie tussen OTO-thermometer en de toekomstgerichte infrarood camera doen omdat de temperatuurmeting van de toekomstgerichte infrarood camera moet nauwkeurig om ervoor te zorgen dat de juiste temperatuur is bereikt.
4. Overvullen van microdeeltjes
- Dilute micro polystyreen deeltjes van diameter 2 µm met gedeïoniseerd water in een microcentrifugetube met de juiste volumeverhouding.
Opmerking: De concentratie van micro-deeltjes kan worden aangepast volgens de doelstelling van het experiment. Terwijl lagere concentratie een monster tijdsinterval tussen één deeltje overlapping gebeurtenissen toelaat, zal hogere concentratie verkorten voor meerdere deeltje overvulling. Voor één deeltje overvulling, is een typische concentratie ~0.05% (m/v). - Zet het monster met nanoplasmonic array in het werkgebied en zet een 470 nm leidde als de fluorescentie lichtbron en stel handmatig de macht om 5 mW voor heldere veld imaging.
- Met de marker vinden de nanoplasmonic matrix, het sluiten van het monster en de CCD-camera gebruiken om ervoor te zorgen de matrix ligt in het centrum van de regio van belang op het computerscherm.
- Afzien 10 µL van de verdunde micro-deeltjes van diameter 2 µm op het monster met een micro pipet.
- Zet het huidige aanbod aan de laserdiode golflengte 980 nm te prikkelen de Enterprise resonantie in de matrix met een macht in de reeks ~ 1 mW tot en met 10 mW.
- Handmatig inschakelen van de stroomvoorziening naar de elektronische control board afkoelen van het monster tot een steady-state temperatuur ~ 4 ° C.
- In de viewer software, klikt u op de " record video " volgorde om het dialoogvenster opname. Klik op de " record " knop voor voorsprong naar de video-opname van 1.5 van de beweging van de micro-deeltjes met een beeldsnelheid van 10 frames per seconde over het monster onder invloed van de laserstraal die met behulp van de CCD-camera. Klik op de " stoppen " knop om de opname te stoppen. Zie Video 1.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Één deeltje trajecten werden geregistreerd door een CCD camera in onze experiment en de beelden werden verwerkt met een aangepast programma om uit te pakken van elk deeltje traject16. Representatieve resultaten zijn weergegeven in Figuur 3 en Video 1 voor micro-bollen met een diameter van 2 µm. meerdere deeltje attributen binnen het optische lattice werden waargenomen. Opeenvolgende beelden gehaald uit een representati...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De hier beschreven procedure schakelt de lezer te overvullen op dagbasis betrouwbaar te reproduceren. Een algemene empirische richtsnoer voor het ontwerpen van een bruikbare optische rooster is het gebruik van een vergelijkbare omvang voor Enterprise nanoarray, interdisc afstand, en gevangen deeltjesgrootte. In vergelijking met een enkele, geïsoleerde Enterprise nanostructuur, vergroot het ontwerp van de optische lattice in combinatie met de optische hoogvermogen geboden door afkoeling van het monster tot ~ 4 ° C gebruik...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Y. T. Y. wil erkennen financiering van de steun van het ministerie van wetenschap en technologie onder grant nummers meest 105-2221-E-007-MY3 en van de nationale Tsing Hua Universiteit onder grant nummers 105N518CE1 en 106N518CE1.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Thermo-elektrisch koelelement | Thorlabs | TEC 1.4-6 | TEC-element voor monsterkoeling |
| RTD-thermometer | Omega Engineering | RTD Thermometer 969C | |
| Vooruitkijkende infraroodcamera | FLIR | FLIR One | IR-camera voor temperatuurbewaking |
| lichtemitterende diode lichtbron | Touchbright | Lichtbron voor verlichting voor fluorescentiebeeldvorming | |
| Objectief met lange werkafstand | Olympus | LMPLFLN | Voor het belichten van het monster en beeldvorming |
| Optisch val-kit | Thorlabs | OTKB/M | |
| Dekglas | dikte 0,17 mm | ||
| Scannende elektronenmicroscoop | Hitachi | SEM-Hitachi S3400N | |
| Elektronenbundeldoofpot | DEBEN | PCD beam blanker | de doofpot wordt toegevoegd aan de scannende elektronenmicroscoop |
| Thermische verdamper | SYSKEY Technology | ||
| Maskeraligner | Karl Suss | MJB 3 | Voor markeringsfabricage |
| Elektronenbundel weerstand | Sigma Alrich | PMMA 120K | Voor e-beam lithografie |
| Elektronenbundel weerstand | Sigma Alrich | PMMA 960K | Voor e-beam lithografie |
| Fluorescerende gelabelde polystyreen microsferen | Polyscience | 2 um diameter | |
| Bipolare transistor | Mouser | 2N3904 | hoeveelheid 2 voor TEC-drivercircuit |
| Bipolare transistor | Mouser | 2N3906 | hoeveelheid 2 voor TEC-drivercircuit |
| MOSFET-vermogenstransistor | Mouser | IRF5305 | hoeveelheid 2 voor TEC-drivercircuit |
| MOSFET-vermogenstransistor | Mouser | IRF131ON | hoeveelheid 2 voor TEC-drivercircuit |
| 10 kOhm weerstand | Mouser | hoeveelheid 6 voor TEC-drivercircuit | |
| 910 Ohm weerstand | Mouser | hoeveelheid 2 voor TEC-drivercircuit | |
| Fotoresist | Microchemicals | AZ4620 | Voor markeringsfabricage |
| Aceton | Sigma Alrich | Voor markeringsfabricage | |
| Fluorescentiemodule voor de OTKB/M, metrische schroefdraad | Thorlabs | OTKB-FL/M | |
| Fluorescentiefilterset | Thorlabs | MDF-FITC | Voor Fluorescein Isothiocyanaat (FITC) |
| Ultrasoon reinigingsapparaat | Delta | DC150H | Voor de lift off-stap |
Referenties
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).
- Grier, D. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 21-27 (2003).
- Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. Radiation on trapping forces with optical tweezers. Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).
- Kawata, S., Tani, T. Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide. Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).
- Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. Optical Manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides. Nature. 457, 71-75 (2009).
- Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. Optical manipulation with planar silicon microring resonators. Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).
- Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators. Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).
- Lin, S., Crozier, K. Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles. Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., R, Plasmonic nano optical tweezers. Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).
- Huang, J. S., Yang, Y. -T. The origin and future of plasmonic optical tweezer. Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of single protein. Nano Lett. 12, 402-406 (2012).
- Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. -T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., Stein, B., Canguier-Durand, A., Devaux, E., Genet, C., Ebbesen, T. W. Brownian motion in a designer force field: Dynamical effects of negative refraction on nanoparticles. Nano Lett. 12, 4329-4332 (2012).
- Baffou, G., Berto, P., Urena, E. B., Quidant, R., Monnert, S. J., Polleux, J., Righeault, H. Photoinduced heating of nanoparticle arrays. ACS Nano. 8, 6478-6488 (2013).
- Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. Understanding and controlling plasmon-induced convection. Nat. Commun. 5, (2014).
- Yang, T. P., Yossifon, G., Yang, Y. -T. Characterization of the near-field and convectional transport behavior of micro and nano particles in nanoscale plasmonic optical lattice. Biomicrofluidics. 10, 034102(2016).
- Chen, Y. -C., Yossifon, G., Yang, Y. -T. Supression of phtothermal convection of micro particles in two dimensional nanoplamonic optical lattice. Appl. Phys. Lett. 109, 201111(2016).
- Smith, D. Thin film deposition: principles and practice. , McGraw-Hill Education. New York, New York. (1995).
- Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres. Sci. Rep. 2, 966(2012).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas. Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 2011 (11), 3763-3767 (2011).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
