Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej

6.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56151

⸱

5 września 2017

 , 
1Electrical Engineering, National Tsing Hua University

W tym artykule

Podsumowanie

Opisujemy procedurę optycznego uwięzienia mikrocząsteczek w nanoplazmonicznej sieci optycznej.

Streszczenie

Plazmoniczny pęseta optyczna została opracowana w celu pokonania ograniczeń dyfrakcyjnych konwencjonalnej pęsety optycznej dalekiego zasięgu. Plazmoniczna sieć optyczna składa się z szeregu nanostruktur, które wykazują różnorodne zachowania związane z pułapkowaniem i transportem. Przedstawiamy procedury eksperymentalne mające na celu uwięzienie mikrocząstek w prostej kwadratowej nanoplazmonicznej sieci optycznej. Opisujemy również układ optyczny i nanowytwarzanie macierzy nanoplazmonicznej. Potencjał optyczny powstaje w wyniku oświetlenia układu złotych nanodysków wiązką Gaussa o długości fali 980 nm i wzbudzającym rezonansem plazmonowym. Ruch cząstek jest monitorowany za pomocą obrazowania fluorescencyjnego. Opisano również schemat tłumienia konwekcji fototermicznej w celu zwiększenia użytecznej mocy optycznej w celu optymalnego pułapkowania. Tłumienie konwekcji uzyskuje się poprzez schłodzenie próbki do niskiej temperatury i wykorzystanie prawie zerowego współczynnika rozszerzalności cieplnej medium wodnego. Opisano tu zarówno transport pojedynczych cząstek, jak i wychwytywanie wielu cząstek.

Wprowadzenie

Optyczne pułapkowanie cząstek w mikroskali zostało pierwotnie opracowane przez Arthura Askina na początku lat siedemdziesiątych. Od momentu wynalezienia, technika ta jest rozwijana jako wszechstronne narzędzie do mikro- i nanomanipulacji1,2. Konwencjonalne pułapkowanie optyczne oparte na zasadzie ogniskowania w polu dalekim jest z natury ograniczone przez dyfrakcję w jego przestrzennym ograniczeniu, w którym siła pułapkowania dramatycznie spada (zgodnie z prawem ~a3 dla cząstki o promieniu a)3. Aby przezwyciężyć takie ograniczenia dyfrakcyjne, naukowcy opracowali techniki pułapkowania optycznego bliskiego pola oparte na ulotnym polu optycznym przy użyciu plazmonicznych nanostruktur metalicznych, a ponadto zademonstrowano pułapkowanie obiektów w nanoskali do pojedynczych cząsteczek białka4,5,6,7,8,9,10,11. Co więcej, plazmoniczna sieć optyczna jest tworzona z układów okresowych nanostruktur plazmonicznych, aby zapewnić transport mikro- i nanocząstek na duże odległości oraz układanie wielu cząstek11,12. Jedną z głównych przeszkód w zakłócaniu pułapkowania w sieci optycznej jest konwekcja fototermiczna i podjęto wysiłki w celu wyjaśnienia jej skutków przez kilka grup14,15,16,17. Korzystając z funkcji Greena, Baffou i in. obliczyli profil temperatury, modelując każdą plazmoniczną nanostrukturę jako grzałkę punktową, a następnie eksperymentalnie zweryfikowali swój model14. Grupa Toussantina zmierzyła również konwekcję indukowaną plazmonem za pomocą prędkości cząstek15. Grupa autora scharakteryzowała również transport bliskiego pola i konwekcji oraz zademonstrowała strategię inżynieryjną tłumienia konwekcji fototermicznej16,17.

Tutaj prezentujemy projekt układu optycznego oraz szczegółową procedurę specjalnie do eksperymentów z pułapkami z plazmoniczną siecią optyczną. Potencjał optyczny został stworzony poprzez oświetlenie układu złotych nanodysków luźno zogniskowaną wiązką Gaussa. Schemat tłumienia konwekcji fototermicznej poprzez schłodzenie próbki do niskiej temperatury (~4 °C) w celu optymalnego pułapkowania jest również opisany tutaj17. W przybliżeniu Boussinesqa oszacowanie rzędu wielkości dla naturalnej prędkości konwekcji u jest określone przez u ~ L2 gβΔT / v, gdzie L jest skalą długości źródła ciepła, a ΔT jest wzrostem temperatury w stosunku do odniesienia spowodowanym ogrzewaniem. g i β to odpowiednio przyspieszenie grawitacyjne i współczynnik rozszerzalności cieplnej. W temperaturach bliskich 4 °C gęstość ośrodka wodnego wykazuje anomalną zależność od temperatury, co przekłada się na bliski zeru współczynnik rozszerzalności cieplnej, a tym samym znikomą konwekcję fototermiczną.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Konfiguracja optyczna

Uwaga: Zasada działania układu optycznego jest zilustrowana na rysunku Rysunek 1.

  1. Skonfiguruj zestaw pęsety optycznej (patrz tabela materiałów) i moduł fluorescencyjny (patrz tabela materiałów) zgodnie z ich instrukcją. Podłącz źródło światła z diodą elektroluminescencyjną (LED) o długości fali 470 nm do modułu fluorescencyjnego.
  2. Zastąp obiektyw immersyjny z dużą aperturą numeryczną (NA) (NA= 1.25, powiększenie 100x) obiektywem mikroskopowym o dużej odległości roboczej (WD) (ogniskowa 3.6 mm, WD=10.6 mm, NA=0.5).
  3. Zdejmij soczewkę w sekcji rozszerzania wiązki zmontowanego zestawu, aby uzyskać luźne ogniskowanie wiązki laserowej.
  4. Włącz zasilanie i prąd diody laserowej o długości fali 980 nm i użyj kamery z naładowanym sprzężonym urządzeniem (CCD), aby upewnić się, że wiązka laserowa jest prawidłowo wyrównana.
    UWAGA: Jeśli wiązka laserowa jest dobrze wyrównana, kamera CCD odczyta plamkę Gaussa.

2. Nanofabrykacja

  1. Produkcja markerów.
    UWAGA: Markery pomogą ustawić matrycę nanoplazmoniczną podczas procesu wytwarzania i późniejszego eksperymentu z pułapką. Szczegółowy proces przedstawiono na rysunku uzupełniającym 1.
    1. Nałóż warstwę z tlenku indu i cyny (ITO) 40 nm na szkiełko nakrywkowe o grubości 0,17 mm z napylaniem.
      UWAGA: Folia ITO pomoże rozładować elektrony podczas późniejszego procesu litografii wiązką elektronów.
    2. Wirować warstwę dodatniego fotorezystu o grubości 8 μm z prędkością wirowania 4000 obr./min i czasem 30 s za pomocą powlekarki wirowej.
    3. Delikatnie piecz próbkę w temperaturze 90 °C przez 5 minut i wyrównaj próbkę z fotomaską jako markerem i wystawiaj próbkę na działanie światła UV przez 80 sekund w nakładce maski.
    4. Namocz próbkę w wywoływaczu fotorezystu na 130 s.
    5. Osadzać warstwę chromu o długości 2 nm i warstwę złota o długości 40 nm na próbce za pomocą odparowania termicznego. 18
    6. Zanurzyć próbkę w acetonie i umieścić ją w myjce ultradźwiękowej działającej z częstotliwością 43 kHz i 150 W na 5 minut w celu odlotu.
  2. Wytwarzanie macierzy nanoplazmonicznej
    1. Wirowanie warstwy PMMA 120K o odporności na wiązkę elektronów z prędkością wirowania 5000 obr./min przez 30 s na powlekarce wirowej. Piecz próbkę w temperaturze 160 °C przez 3 minuty na gorącym talerzu.
    2. Wiruj kolejną warstwę rezystancji wiązki elektronów PMMA 960K z prędkością wirowania 5000 obr./min przez 30 s na powlekarce wirowej. Piecz próbkę w temperaturze 160 °C przez 3 minuty na gorącym talerzu.
    3. Za pomocą programu e-beam writer należy naświetlić rezystancję wiązki elektronicznej o napięciu przyspieszenia 30 kV i dozowaniu 400 C/cm2.
    4. Umieść warstwę złota o długości 40 nm w parowniku termicznym.
    5. Namocz próbkę w acetonie i umieść ją w myjce ultradźwiękowej na 5 minut w celu odlotu.

3. System chłodzenia próbki i jego kalibracja temperatury

UWAGA: Projekt etapu chłodzenia próbki jest pokazany na rysunku uzupełniającym 2.

  1. Wykonanie obwodu sterownika do chłodzenia próbki
    1. Umieść rezystory, tranzystory bipolarne i tranzystory polowe z tlenkiem metalu mocy na niestandardowej płytce drukowanej, postępując zgodnie ze schematem obwodu na rysunku uzupełniającym 3. wszystkie te elementy za pomocą lutownicy.
    2. Podłącz przewody między portem sterowania płytki drukowanej a elektroniczną płytką sterującą. Podłącz przewody między portem wyjściowym płytki drukowanej a elementem chłodzenia termoelektrycznego (TEC). Umieść element TEC na sample stage z radiatorem.
      UWAGA: Element TEC ma otwór pośrodku, który umożliwia przejście wiązki laserowej.
    3. Podłącz przewody z płytki drukowanej do zasilacza 5 V. Użyj skierowanej do przodu kamery na podczerwień, aby monitorować temperaturę, aby sprawdzić, czy chłodzenie termoelektryczne prawidłowo się ochładza.
  2. Kalibracja mierzonej temperatury w przyszłościowej kamerze termowizyjnej i termometrze rezystancyjnego detektora temperatury (RTD).
    1. Umieść termometr RTD na czystym szkiełku nakrywkowym i nałóż na niego niewielką ilość pasty termicznej, aby zapewnić prawidłowy kontakt termiczny między termometrem RTD a szkiełkiem nakrywkowym.
    2. Zmień ustawienie mocy wyjściowej elektronicznego obwodu sterującego na element TEC, zmieniając cykl pracy ustawienia modulacji szerokości impulsu i odczekaj 3 minuty, aby upewnić się, że osiągnięta została temperatura w stanie ustalonym. Odczytaj temperaturę za pomocą termometru RTD.
    3. Włącz kamerę na podczerwień skierowaną do przodu i monitoruj temperaturę. Powtórz to przy różnych ustawieniach mocy wyjściowej, aby uzyskać krzywą kalibracji temperatury. Reprezentatywną krzywą kalibracji temperatury przedstawiono na rysunku uzupełniającym 4.
      UWAGA: Bardzo ważne jest wykonanie kalibracji między termometrem RTD a kamerą na podczerwień skierowaną do przodu, ponieważ odczyt temperatury kamery na podczerwień skierowanej do przodu musi być dokładny, aby zapewnić osiągnięcie prawidłowej temperatury.

4. Zatrzymywanie mikrocząstek

  1. Rozcieńczyć mikrocząsteczki polistyrenu o średnicy 2 μm w wodzie dejonizowanej w probówce mikrowirówkowej o odpowiednim stosunku objętości.
    UWAGA: Stężenie mikrocząstek można dostosować w zależności od celu eksperymentu. Podczas gdy niższe stężenie pozwala na odstęp czasu próbki między zdarzeniami wychwytywania pojedynczych cząstek, wyższe stężenie skróci czas wychwytywania wielu cząstek. W przypadku wychwytywania pojedynczych cząstek typowe stężenie wynosi ~0,05% (w/v).
  2. Umieść próbkę z matrycą nanoplazmoniczną na stoliku i włącz diodę LED 470 nm jako fluorescencyjne źródło światła i ręcznie ustaw moc na 5 mW w celu obrazowania w jasnym polu.
  3. Użyj markera, aby zlokalizować matrycę nanoplazmoniczną, wyrównaj próbkę i użyj kamery CCD, aby upewnić się, że tablica znajduje się w środku obszaru zainteresowania na ekranie komputera.
  4. Dozować 10 μl rozcieńczonych mikrocząstek o średnicy 2 μm na próbkę za pomocą mikropipety.
  5. Włącz dopływ prądu do diody laserowej o długości fali 980 nm, aby wzbudzić rezonans plazmoniczny matrycy o mocy w zakresie od ~1 mW do 10 mW.
  6. Ręcznie włączyć zasilanie elektronicznej tablicy sterowniczej, aby schłodzić próbkę do temperatury w stanie ustalonym ~4 °C.
  7. W oprogramowaniu przeglądarki kliknij sekwencję "nagraj wideo", aby otworzyć okno dialogowe nagrywania. Kliknij przycisk "nagrywaj", aby rozpocząć nagrywanie wideo 1,5 ruchu mikrocząstek z prędkością 10 klatek/s nad próbką pod wpływem wiązki laserowej za pomocą kamery CCD. Kliknij przycisk "zatrzymaj", aby zatrzymać nagrywanie. Zobacz film 1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W naszym doświadczeniu trajektorie pojedynczych cząstek były rejestrowane za pomocą kamery CCD, a obrazy zostały następnie przetworzone specjalistycznym programem w celu wyodrębnienia trajektorii każdej z cząstek16. Reprezentatywne wyniki przedstawiono na Rysunku 3 oraz w Video 1 dla mikrosfer o średnicach 2 µm. Zaobserwowano uwięzienie wielu cząstek wewnątrz sieci optycznej. Kolejne obrazy wyodrębnione z reprezentatyw...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Opisana tutaj procedura umożliwia czytelnikowi niezawodne odtwarzanie pułapek na co dzień. Ogólną empiryczną wskazówką do zaprojektowania użytecznej sieci optycznej jest użycie porównywalnego rozmiaru dla nanomacierzy plazmonicznej, odległości między dyskami i wielkości uwięzionych cząstek. W porównaniu z pojedynczą, izolowaną nanostrukturą plazmoniczną, konstrukcja sieci optycznej w połączeniu z wysoką mocą optyczną zapewnianą przez schłodzenie próbki do ~4 °C zastosowaną w tym przypadku znacznie zwiększa prawdopodobień...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Y. T. Y. pragnie podziękować za wsparcie finansowe z Ministerstwa Nauki i Technologii w ramach grantów o numerach MOST 105-2221-E-007-MY3 oraz z Narodowego Uniwersytetu Tsing Hua pod numerami grantów 105N518CE1 i 106N518CE1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Termoelektryczny element chłodzącyThorlabsTEC 1.4-6Element TEC do chłodzenia próbki
Termometr RTDOmega EngineeringRTD Termometr 969C
Kamera termowizyjna skierowana do przoduFLIR FLIR OneKamera IR do monitorowania temperatury
Źródło światła z diodą elektroluminescencyjnąTouchbrightŹródło światła do oświetlenia do obrazowania fluorescencyjnego
Obiektyw o dużym zasięgu roboczymOlympusLMPLFLNDo oświetlania próbki i obrazowania
Zestaw pułapek optycznychThorlabsOTKB/M
Grubość szkiełka0,17 mm
Skaningowy mikroskop elektronowyHitachiSEM-Hitachi S3400N
Wygaszacz wiązki elektronówDEBENPCD wygaszacz wiązkijest dodawany do skaningowego mikroskopu elektronowego 
Parownik termicznySYSKEY
Wyrównywacz masekKarl SussMJB 3Do produkcji markerów
Odporność na wiązkę elektronówSigma AlrichPMMA 120KDo litografii wiązką elektroniczną
Odporność na wiązkę elektronówSigma AlrichPMMA 960KDo litografii wiązki elektronicznej
Mikrosfery polistyrenowe znakowane fluorescencjąPolyscienceo średnicy 2 um
Mouser2N3904dla obwodu sterownika TEC ilość 2 dla obwodu sterownika
TEC ilość 2 dla obwodu sterownika TEC
Tranzystor mocy MOSFETilość MouserIRF5305dla obwodu sterownika TEC ilość 2 dla obwodu sterownika
MOSFETMouserIRF131ONobwodu sterownika TEC 2 dla obwodu sterownika TEC
ilość Rezystor 10 kOhmMouser6 dla obwodu sterownika TEC
ilość Rezystor 910 OhmMouser2 dla obwodu sterownika TEC
Mikrochemikalia fotorezystuAZ4620Do produkcji markerów
AcetonSigma AlrichDo produkcji markerów
Moduł fluorescencyjny do OTKB/M, gwinty metryczneThorlabsOTKB-FL/ M
Zestaw filtrów fluorescencyjnychThorlabsMDF-FITCDo izotiocyjanianu fluoresceiny (FITC)
Myjka ultradźwiękowaDeltaDC150HDo stopnia podnoszenia
nakrywkowego Technologia ilość Tranzystor bipolarny ilość dla

Bibliografia

  1. 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).
  2. Grier, D. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 21-27 (2003).
  3. Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. Radiation on trapping forces with optical tweezers. Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).
  4. Kawata, S., Tani, T. Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide. Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).
  5. 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).
  6. Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. Optical manipulation with planar silicon microring resonators. Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).
  7. Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators. Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).
  8. Lin, S., Crozier, K. Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles. Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).
  9. Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., R, Plasmonic nano optical tweezers. Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).
  10. Huang, J. S., Yang, Y. -T. The origin and future of plasmonic optical tweezer. Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).
  11. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of single protein. Nano Lett. 12, 402-406 (2012).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. Understanding and controlling plasmon-induced convection. Nat. Commun. 5, (2014).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Smith, D. Thin film deposition: principles and practice. , McGraw-Hill Education. New York, New York. (1995).
  19. Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres. Sci. Rep. 2, 966(2012).
  20. 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).
  21. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

plazmoniczna sieć optycznamatryca nanoplazmonicznapułapkowanie optycznetłumienie konwekcji fototermicznejzłote nanodyskiobrazowanie fluorescencyjnekamera CCDchłodzenie termoelektrycznetransport mikrocząsteczekwzbudzenie rezonansu plazmonowego
Uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.