Poniższe podejście do konfiguracji szczegółowo opisuje pułapkowanie optyczne nanocząstek dielektrycznych o niskiej mocy z wykorzystaniem podwójnego nanootworu w cienkiej warstwie metalu.
Artykuł metodologiczny
Poniższe podejście do konfiguracji szczegółowo opisuje pułapkowanie optyczne nanocząstek dielektrycznych o niskiej mocy z wykorzystaniem podwójnego nanootworu w cienkiej warstwie metalu.
Pułapkowanie optyczne to technika łagodnego unieruchamiania i manipulowania małymi obiektami za pomocą światła, szeroko stosowana w chwytaniu i manipulowaniu małymi cząstkami biologicznymi. Ashkin i współpracownicy po raz pierwszy zaprezentowali pęsetę optyczną z wykorzystaniem pojedynczej skupionej wiązki1. Pułapka z pojedynczą wiązką może być dokładnie opisana za pomocą sformułowania siły gradientu perturbacyjnego w przypadku małych cząstek w reżimie Rayleigha1. W reżimie perturbacyjnym moc optyczna wymagana do uwięzienia cząstki skaluje się odwrotnie proporcjonalnie do czwartej potęgi rozmiaru cząstki. Wysokie moce optyczne mogą uszkodzić cząstki dielektryczne i powodować nagrzewanie. Na przykład uwięzione sfery lateksowe o średnicy 109 nm zostały zniszczone przez wiązkę o mocy 15 mW w ciągu 25 s1, co ma poważne konsekwencje dla materii biologicznej2,3.
Zaproponowano metodę optycznego pułapkowania z samoindukowanym działaniem zwrotnym (SIBA) w celu pułapkowania sfer polistyrenowych o średnicy 50 nm w reżimie nieperturbacyjnym4. W reżimie nieperturbacyjnym nawet mała cząstka o niewielkim kontraście przenikalności elektrycznej względem tła może znacząco wpływać na otaczające pole elektromagnetyczne i indukować dużą siłę optyczną. Gdy cząstka wnika do oświetlonej apertury, transmisja światła gwałtownie rośnie z powodu obciążenia dielektrycznego. Jeśli cząstka próbuje opuścić aperturę, zmniejszona transmisja powoduje zmianę pędu skierowaną na zewnątrz otworu, co zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona skutkuje siłą działającą na cząstkę do wnętrza otworu, pułapkując ją. Transmisję światła można monitorować, dzięki czemu pułapka może pełnić funkcję sensora. Technikę pułapkowania SIBA można dodatkowo udoskonalić, stosując strukturę z podwójnym nanootworem.
Wykazano, że struktura podwójnej nanodziury zapewnia silne lokalne wzmocnienie pola5,6. Pomiędzy dwoma ostrymi wierzchołkami podwójnej nanodziury mała cząstka może spowodować znaczną zmianę transmisji optycznej, indukując tym samym dużą siłę optyczną. W rezultacie możliwe jest uwięzienie mniejszych nanocząstek, takich jak sfery krzemianowe o średnicy 12 nm7 oraz białka albuminy surowicy bydlęcej o promieniu hydrodynamicznym 3,4 nm8. W niniejszej pracy opisano konfigurację eksperymentalną wykorzystywaną do pułapkowania nanocząstek. W pierwszej kolejności szczegółowo omawiamy montaż układu pułapkowania opartego na zestawie pęsety optycznej Thorlabs Optical Tweezer Kit. Następnie wyjaśniamy procedurę nanofabrykacji podwójnej nanodziury w cienkiej warstwie metalu, wykonanie komory mikroprzepływowej oraz przygotowanie próbek. Na koniec szczegółowo opisujemy procedurę akwizycji danych i przedstawiamy typowe wyniki pułapkowania nanokulek polistyrenowych o średnicy 20 nm.
Zasada techniki wychwytywania SIBA została przedstawiona na Rysunku 1. Rysunek 2 przedstawia schemat układu eksperymentalnego.
1. Układ pułapkowania optycznego
W tej części procedury należy zapoznać się z instrukcją obsługi zestawu do pułapkowania optycznego9 lub instrukcją modułu do pomiaru siły optycznej10, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat konfiguracji zestawów. Należy zauważyć, że zamiast kwadratowego detektora pozycji zastosowano fotodiodę lawinową (APD). W przypadku śrub niewchodzących w skład zestawu do pułapkowania optycznego, należy użyć śrub z zestawu śrub i elementów mocujących (Thorlabs, HW-KIT2). Podczas pracy włączonego lasera należy przez cały czas stosować ochronę oczu. Należy upewnić się, że wiązka znajduje się w bezpiecznym obszarze i unikać noszenia odblaskowych akcesoriów, takich jak biżuteria. Zaleca się również stosowanie ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi podczas obsługi diod laserowych.
2. Nanofabrykacja
3. Komora mikrofluidyczna
Schemat procesu wytwarzania komory mikrofluidycznej przedstawiono na Rysunku 4.
4. Przygotowanie próbek
5. Pozyskiwanie danych
Typowy ślad akwizycji przedstawiono na Ryc. 5a. Zdarzenie uwięzienia charakteryzuje się nagłym przebiegiem z ostrym zboczem, wykazując wyraźne przełączenie między dwoma poziomami mocy transmisji. Ponieważ cząstki podlegają ruchom Browna, zdarzenia uwięzienia występują losowo. Dla cząstek o rozmiarze 20 nm zmiany transmisji wynikające z uwięzienia wynosiły zazwyczaj około 5-10 %, a czasy uwięzienia około 10-300 s. Typowy czas do wystąpienia zdarzenia uwięzienia dla mocy i stężenia opisanych powyżej wynosi rzędu jednej minuty. Ze względu na zawadę steryczną jednoczesne uwięzienie wielu cząstek jest rzadkie, choć po uwolnieniu cząstki zazwyczaj następuje kolejne zdarzenie uwięzienia. W zależności od jakości wyników w stanie uwięzienia może wystąpić pewien wzrost szumu sygnału. Wzrost ten wynika z ruchów Browna uwięzionej cząstki. W przypadku braku uwięzionej cząstki źródło szumu to nie występuje.
W wynikach mogą pojawić się artefakty, które nie wskazują na zdarzenia uwięzienia. Należy odrzucić wyniki wykazujące dryft, czyli powolne zmiany transmisji w ciągu kilku minut, co pokazano na ryc. 5b. Mogą wystąpić również inne artefakty, takie jak niespójne zmiany transmisji, nadmierny szum lub całkowity brak uwięzienia. Na przykład pęcherzyki powietrza mogą powodować nieciągłe skoki intensywności, jeśli nie zadbano o to, aby komora była wolna od pęcherzyków. Pęcherzyki te reagują inaczej na zdarzenia uwięzienia pod względem zachowania dynamicznego i zmiany intensywności, dzięki czemu są łatwo identyfikowalne. Takie objawy mogą być spowodowane wadliwą strukturą podwójnych nanootworów, zanieczyszczeniami lub wibracjami mechanicznymi. Do rozmieszczenia tego układu wysoce zaleca się ciche miejsce o niskiej aktywności. Pomocne może być również odczekanie kilku minut po ustawieniu lasera i stolika, aby ustabilizowały się one w swojej pozycji.

Rysunek 1. Transmisja optyczna przez aperturę poddługofalową: a) Bez cząsteczki; b) Zwiększona transmisja spowodowana obecnością cząsteczki dielektrycznej; c) W przypadku próby opuszczenia otworu przez cząsteczkę, spadek pędu światła (ΔT) wywoła siłę (F), która przyciągnie cząsteczkę z powrotem do otworu; d) Przesunięcie w stronę czerwieni krzywej transmisji wywołane przez cząsteczkę, prowadzące do zmiany transmisji ΔT.

Rysunek 2. a) Ogólny schemat układu pułapkowania, powiększenie czerwonego okręgu przedstawiono w b); b) Powiększenie ukazujące podwójny nanootwór oraz nanokulki wewnątrz komory z PDMS; c) Obraz SEM struktury podwójnego nanootworu. Stosowane akronimy: LD = dioda laserowa; ODF = filtr gęstości optycznej; HWP = płytka półfalowa; BE = ekspander wiązki; MR = lustro; MO = obiektyw mikroskopowy; OI MO = obiektyw mikroskopowy z imersją olejową; DH = podwójny nanootwór; APD = lawinowy fotodetektor.

Rysunek 3. a) Przykład mapy bitowej wykorzystanej w procesie wytwarzania metodą FIB; b) Obraz SEM podwójnego nanootworu.

Rycina 4. Schemat procesu wytwarzania komory mikroprzepływowej.

Rycina 5. (a) Typowy zapis zdarzeń pułapkowania z wykorzystaniem 20 nm sfer polistyrenowych. (b) Nieprawidłowy zapis wykazujący silny dryft.
Obecna konfiguracja wykazuje skuteczne zdolności chwytania dzięki strukturze nanootworu. Nanootwór ten chwyta cząstki dielektryczne o skali ~10 nm przy niskich intensywnościach optycznych. Inne nowatorskie pułapki optyczne obejmują optyczne anteny dipolowe11, rezonatory optyczne w trybie szeptającej galerii12,13 oraz falowody14; działają one jednak zazwyczaj w reżimie perturbacyjnym, który jest ograniczony przez odwrotne skalowanie czwartego rzędu wymaganej mocy optycznej w stosunku do rozmiaru cząstki, w przeciwieństwie do SIBA i pułapki z podwójnym nanootworem. Do chwytania zaprezentowano również alternatywne kształty apertur, takie jak prostokątny plazmoniczny nanopor15. Inne korzystne właściwości wykazane przez pułapkę z podwójnym nanootworem to selektywność względem rozmiaru cząstek7, pojedyncza lokalizacja chwytania (aby ograniczyć chwytanie wielu cząstek) oraz łatwość wykonania16. Jako alternatywa dla użycia FIB, podwójne nanootwory mogą być wytwarzane przy użyciu litografii koloidalnej6.
Wychwytywanie materiałów biologicznych o dużej polaryzowalności i rozmiarze obejmowało bakterie3, żywe komórki17,2,18, wirusa mozaiki tytoniu3 oraz manipulację i rozciąganie nici DNA przytwierdzonych na końcach do dużych cząstek dielektrycznych19; jednak bezpośrednie wychwytywanie mniejszych próbek biologicznych bez ich przytwierdzania pozostaje wyzwaniem. Ta konfiguracja pułapki jest zdolna do wychwytywania małych cząstek dielektrycznych przy niższych intensywnościach światła niż konwencjonalne pęsety optyczne i okrągłe nanootwory, co pozwala na utrzymywanie małych cząstek biologicznych przez dłuższy czas bez ich uszkadzania lub przytwierdzania. Ponadto zdarzenia wychwytywania charakteryzują się wysokim stosunkiem sygnału do szumu, co pozwala temu układowi działać jako czuły sensor i wykrywać najmniejsze cząstki biologiczne, takie jak wirusy i białka. W rzeczywistości sfery polistyrenowe o średnicy 20 nm mają współczynnik załamania światła wynoszący 1,59, co jest porównywalne z najmniejszymi cząstkami biologicznymi, takimi jak wirusy. Metoda ta mogłaby stać się niezawodną i dojrzałą techniką immobilizacji i manipulacji nanocząstkami, w tym cząstkami biologicznymi.
Zastosowania tej techniki obejmują integrację z układem mikrofluidycznym. Zamiast pojedynczej komory mikrofluidycznej, do dynamicznej kontroli środowiska wykorzystano by kanał, co byłoby idealne do pomiaru współczynnika załamania światła. Taka konfiguracja zostałaby zaimplementowana w jednym chipie mikrofluidycznym, co prowadziłoby do uzyskania bardziej stabilnego i wytrzymałego układu oraz szybszej analizy substancji rozpuszczonych. Innym rozwiązaniem jest opracowanie schematu detekcji fluorescencyjnej do charakterystyki pojedynczych wirusów znakowanych fluorescencyjnie, półprzewodnikowych kropek kwantowych i zielonych białek fluorescencyjnych. Układ ten ma również potencjał do przekształcenia w biosensor dla pojedynczego wirusa lub białka, co pozwalałoby na analizę bardzo małych próbek. Detekcja pojedynczego białka byłaby pomocna w procesie odkrywania leków21 oraz wykrywania chorób i infekcji22. W celu detekcji sygnałów Ramanowskich cząstek i pojedynczych zdarzeń wiązania można włączyć spektroskopię Ramanowską. Struktura podwójnej nanodziurki umożliwia silne lokalne wzmocnienie pola na krawędziach, co jest odpowiednie dla spektroskopii Ramanowskiej z wzmocnieniem końcówką (TERS)23. Dzięki spektroskopii Ramanowskiej24 możliwa byłaby również wysoce specyficzna, bezznacznikowa metoda charakterystyki materiałów.
Produkcja oraz bezpłatny dostęp do tego artykułu są sponsorowane przez firmę Thorlabs.
Wyrażamy wdzięczność firmie Thorlabs za sponsorowanie tej publikacji oraz Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) of Canada za przyznanie grantu Discovery Grant. Dziękujemy Bryce'owi Cyrowi i Douglasowi Rennehanowi za pomoc produkcyjną przy tworzeniu tego artykułu wideo.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Olej immersyjny | Cargille Labs | 16484 | Ilość: 1 |
| Zestaw elastomeru silikonowego Sylgard 184 | Dow Corning Canada | Ilość: 1 Zawiera zarówno bazę PDMS, jak i czynnik sieciujący | |
| Szkiełka testowe pokryte złotem | EMF Corp | Cr/Au | Ilość: 1 Można również zastosować warstwę adhezyjną z Ti |
| Krywki nr 1,5 | Fisher Scientific | 12-541-B | Ilość: 1 |
| System wiązki spolaryzowanych jonów (FIB) | Hitachi | FB-2100 | |
| Przenośny moduł akwizycji danych | Omega Engineering | USB-4711A | Ilość: 1 |
| Stół liniowy | Parker | 4034M | Ilość: 1 |
| Głowica i kontroler diody laserowej | Sacher Lasertechnik Group | TEC 120 | Ilość: 1 Ręcznie strojony system laserowy Littrow |
| Oscyloskop cyfrowy | Tektronics | TDS1012 | Ilość: 1 |
| Wzorzec rozmiaru nanokulek 20 nm | Thermo Scientific | 3020A | Ilość: 1 |
| Mocowanie soczewki 1" | Thorlabs | LMR1 | Ilość: 1 |
| Tuba soczewkowa 0,3" | Thorlabs | SM1L03 | Ilość: 2 |
| Absorpcyjny filtr ND 4,0 | Thorlabs | NE40A | Ilość: 1 |
| Aluminiowy stół optyczny (breadboard) | Thorlabs | MB1824 | Ilość: 1 |
| Fotodioda lawinowa | Thorlabs | APD110A | Ilość: 1 |
| Cyfrowy pomiar mocy optycznej | Thorlabs | PM100 | Ilość: 1 Wycofany z produkcji, można zastąpić innym |
| Moduł pomiaru siły | Thorlabs | OTKBFM | Ilość: 1 |
| Kinematyczne mocowanie lustra | Thorlabs | KM200-E03 | Ilość: 1 Z lustrem jakości laserowej dla bliskiej podczerwieni (Near IR) |
| Sterownik prądu stałego dla diody laserowej | Thorlabs | LD1255R | Ilość: 1 |
| Płyta montażowa LD1255 do stołu optycznego | Thorlabs | LD1255P | Ilość: 1 |
| Zamontowana achromatyczna płytka półfalowa | Thorlabs | AHWP05M-980 | Ilość: 1 690 - 1200 nm |
| Zestaw pęsety optycznej | Thorlabs | OTKB/M | Ilość: 1 Metryczny lub imperialny |
| Podstawa uchwytu słupka | Thorlabs | BA2 | Ilość: 2 |
| Zasilacz | Thorlabs | PS-12DC-US | Ilość: 1 |
| Kabel zasilający | Thorlabs | LD1255-CAB | Ilość: 1 |
| Płyta kątowa | Thorlabs | AP90 | Ilość: 1 |
| Kątowy zacisk słupka | Thorlabs | RA90 | Ilość: 1 |
| Stalowy słup optyczny | Thorlabs | TR3 | Ilość: 1 |
| Zacisk do stołu | Thorlabs | CL1 | Ilość: 2 Wycofany z produkcji, można zastąpić innym |
| Czujnik termiczny | Thorlabs | PM210 | Ilość: 1 Do cyfrowego pomiaru mocy optycznej |
| Kondensator 100 pF | Ilość: 1 Dowolna marka, nieistotne | ||
| Rezystor 200 kOhm | Ilość: 1 Dowolna marka, nieistotne | ||
| Arkusz akrylowy | Wymiary: 3" x 1" Dowolna marka, nieistotne | ||
| Zestaw kabli koncentrycznych, przewodów i złączy | Według potrzeb | ||
| Płytka stykowa (breadboard) | Ilość: 1 Dowolna marka, nieistotne | ||
| Soczewka wklęsła | Ilość: 1 Dowolna marka, nieistotne | ||
| Nożyce diamentowe | Ilość: 1 Dowolna marka, nieistotne | ||
| Taśma dwustronna | Dowolna marka, nieistotne | ||
| Żyletka | Ilość: 1 Dowolna marka, nieistotne | ||
| Pęseta | Ilość: 1 Dowolna marka, z cienkimi końcówkami |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie
Thorlabs