Name: Optyczne wychwytywanie nanocząstek (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-01-15T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 39 s
Description: Poznaj metodę optycznego wychwytywania nanocząstek dielektrycznych o rozmiarze około 20 nm przy użyciu podwójnej nanodziury w metalowej folii. Technika ta umożliwia badanie procesów biofizycznych na poziomie pojedynczych cząsteczek.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

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.

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.
<ol>
	<li>Skonfigurować zestaw pęsety optycznej (Thorlabs, OTKB/M) oraz moduł pomiaru siły (Thorlabs, OTKBFM) zgodnie z odpowiednimi instrukcjami obsługi. Zamiast detektora pozycji kwadratowej w module pomiaru siły (Thorlabs, OTKBFM) zastosowano krzemową fotodiodę lawinową (APD) (Thorlabs, APD110A).</li>
	<li>Podłączyć APD do oscyloskopu (Tektronics, TDS1012) za pomocą kabla koncentrycznego.</li>
	<li>Zamontować płytkę półfalową (Thorlabs, AHWP05M-980) wewnątrz ekspandera wiązki. Płytka półfalowa jest zamocowana pomiędzy dwiema tubami soczewek (Thorlabs, SM1L03).</li>
</ol>
2. Nanofabrykacja
<ol>
	<li>Podziel pokryte złotem szkiełko testowe (EMF Corp, Cr/Au) na cztery identyczne części. Jako alternatywę dla szkiełek dostępnych w handlu zastosowaliśmy również warstwę Au o grubości 100 nm z 2 nm warstwą adhezyjną Ti, naniesioną metodą naparowania wiązką elektronową na kwadratowe szkiełko szklane o boku 1 cala w podwyższonej temperaturze podłoża 200 °C przez co najmniej 1 hr. Pozwala to na uzyskanie gładkiej warstwy polikrystalicznej.</li>
	<li>Stwórz obraz rastrowy struktury podwójnego nanootworu, ponieważ wejściem do systemu skupionej wiązki jonów (FIB) jest obraz rastrowy. Obraz składa się z dwóch pełnych kół o średnicy 160 nm z odległością między środkami wynoszącą 190 nm. Taki szablon pozwala uzyskać rozdzielczość wierzchołków wynoszącą około 15 nm. Pomiędzy kołami można umieścić opcjonalną cienką linię, aby usunąć wszelkie pozostałości metalu między wierzchołkami. Rycina 3a przedstawia przykładowy obraz rastrowy.</li>
	<li>Wykonaj strukturę podwójnego nanootworu za pomocą systemu trawienia FIB (Hitachi, FB-2100). Przekształć obraz rastrowy z kroku 2.2 w wzór trawienia FIB (ciemny obszar na obrazie rastrowym zostaje wytrawiony przez FIB). Użyj napięcia przyspieszającego jony 40 kV oraz apertury ograniczającej wiązkę o średnicy 15 μm przy powiększeniu 60 K razy. Wykonaj osiemdziesiąt przejść dla każdego podwójnego nanootworu z czasem dawkowania 5 μsec na każdym przejściu. Rycina 3b przedstawia typową strukturę wynikową. Powtórz w razie potrzeby. Należy wykonać wiele nanootworów, aby zrekompensować ewentualne błędy.</li>
	<li>Dodaj znaczniki rejestracyjne, używając FIB i/lub ręcznie, aby wskazać przybliżoną lokalizację podwójnego nanootworu lub nanootworów.</li>
	<li>Opcjonalnie wykonaj obraz SEM otworów, aby dokładnie ocenić jakość struktury i rozdzielczość wierzchołków.</li>
</ol>
3. Komora mikrofluidyczna
Schemat procesu wytwarzania komory mikrofluidycznej przedstawiono na Rysunku 4.
<ol>
	<li>Wlać 10 g bazy polidimetylosiloksanu (PDMS) (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Silicone Elastomer Base) oraz dodatkowe 1 g utwardzacza (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Silicone Elastomer Curing Agent) do jednorazowego kubka. Mieszać przez kilka minut.</li>
	<li>Odpowietrzyć mieszaninę w komorze próżniowej, aż do całkowitego usunięcia pęcherzyków powietrza.</li>
	<li>Wlać 1,5 g PDMS do szalki Petriego o średnicy 9 cm. Rozłożyć PDMS na dnie szalki Petriego za pomocą powlekania wirowego przy 950 rpm przez 65 sec. Rysunek 4b przedstawia wynik tego procesu. Grubość nie jest krytyczna, o ile nie przekracza 80 μm; dzięki temu złota warstwa mieści się w zasięgu roboczym dolnego obiektywu mikroskopu.</li>
	<li>Ostrożnie ułożyć 3-5 szkiełek nakrywkowych #1,5 (Fisher Scientific, 12-541-B) na PDMS tak, aby nie nachodziły na siebie, a następnie poddać działaniu próżni przez 30 min, jak pokazano na Rysunku 4c.</li>
	<li>Jeśli szkiełka nakrywkowe przesunęły się i nałożyły na siebie podczas odsysania powietrza, należy je delikatnie rozdzielić. Należy zachować ostrożność, aby warstwa PDMS pod szkiełkami pozostała cienka i jednorodna.</li>
	<li>Jeśli wymagana była manipulacja szkiełkami nakrywkowymi, ponownie poddać szalkę Petriego działaniu próżni przez 30 min.</li>
	<li>Wyjąć szalkę Petriego z komory próżniowej i utwardzać na płycie grzejnej przez 20 min w temperaturze 85 °C.</li>
	<li>Za pomocą żyletki wyciąć jedno ze szkiełek nakrywkowych, a następnie ostrożnie podnieść je pęsetą z cienkimi końcówkami. Cienka warstwa PDMS pozostanie na szkiełku nakrywkowym, ponieważ PDMS wykazuje większą adhezję do szklanego szkiełka nakrywkowego niż do PMMA szalki Petriego, jak pokazano na Rysunku 4e.</li>
	<li>Za pomocą żyletki wyciąć w PDMS okno o wymiarach 3 x 3 mm, jak na Rysunku 4f. Okno to stworzy komorę, w której znajdzie się roztwór nanocząstek.</li>
</ol>
4. Przygotowanie próbek
<ol>
	<li>Wykonaj szkiełko mikroskopowe z otworem o średnicy ¾" w centrum, używając akrylu. Można to osiągnąć za pomocą wycinarki laserowej. Można również użyć innych materiałów. Próbka złota zostanie umieszczona wewnątrz otworu.</li>
	<li>Oklej obwód otworu taśmą dwustronną. Użyj żyletki, aby odciąć nadmiar taśmy.</li>
	<li>Połóż szkiełko mikroskopowe na szkiełku nakrywowym, stroną z PDMS do góry.</li>
	<li>Rozcieńcz roztwór nanokulek polistyrenowych (Thermo Scientific, 3020A) z 1 % w/v do 0,05 % w/v, używając wody dejonizowanej. Można do tego wykorzystać mikropipetę.</li>
	<li>Dodaj kilka kropel roztworu w obszarze PDMS. Dodaj kroplę na próbkę złota w miejscu, w którym znajdują się nanootwory.</li>
	<li>Umieść próbkę złota na szkiełkach nakrywowych w taki sposób, aby nanootwory znajdowały się w obszarze PDMS. Upewnij się, że w komorze nie ma pęcherzyków powietrza. Dociśnij próbkę złota do szkiełka nakrywowego i usuń nadmiar roztworu.</li>
	<li>W przypadku użycia obiektywu imersyjnego (co ma miejsce w tym przypadku, choć nie jest to konieczne), dodaj kroplę oleju imersyjnego po przeciwnej stronie szkiełka nakrywowego, pod obszarem PDMS. Odnotuj położenie nanootworów.</li>
	<li>Wsuń szkiełko mikroskopowe do uchwytu na szkiełka, stroną z olejem do dołu, a następnie opuść uchwyt, aż olej imersyjny zetknie się z obiektywem mikroskopu.</li>
	<li>Wstępnie ustaw stolik mikroskopu tak, aby znaczniki wskaźnikowe znajdowały się pod obiektywem.</li>
	<li>Podążaj za liniami wskaźnikowymi prowadzącymi do nanootworów. Ustaw szkiełko tak, aby znaczniki wskaźnikowe i inne otwarte obszary zniknęły z centrum ekranu. Nadmierna transmisja światła może uszkodzić detektor APD.</li>
	<li>Włącz laser. Ponieważ lustro dichroiczne nie jest idealne, w pobliżu centrum ekranu powinna pojawić się plamka z wiązki lasera.</li>
	<li>Używając oprogramowania do sterowania stolikiem piezoelektrycznym, doprecyzuj ustawienie we wszystkich trzech osiach.</li>
</ol>
5. Pozyskiwanie danych
<ol>
	<li>Pomocą znaczników wskaźnikowych ustaw plamkę w pobliżu znanej lokalizacji nanootworu. Nanootwory będą zbyt małe, aby można było je rozdzielić, i powinny być widoczne jedynie jako kropki.</li>
	<li>Transmisja światła przez próbkę jest wskazywana przez poziom sygnału na oscyloskopie. Dalsze ustawienie próbki powinno zmaksymalizować transmisję światła. Należy uważać na znaczniki wskaźnikowe oraz widoczne i niewidoczne rysy, ponieważ w tych obszarach transmisja światła będzie wysoka. Nanootwory będą powodować nagłe skoki transmisji światła, podczas gdy rysy wykazują bardziej stopniowe zmiany.</li>
	<li>Za pomocą płytki falowej dostosuj polaryzację światła dla uzyskania najwyższej transmisji, ponieważ struktura podwójnego nanootworu jest spolaryzowana.</li>
	<li>Aby zminimalizować szumy, zbuduj filtr RC, wykorzystując płytkę stykową, rezystor 200 KΩ i kondensator 100 pF, a następnie podłącz go za detektorem APD za pomocą kabla koncentrycznego. Wartości te można dostosować w celu uzyskania najlepszej wydajności, biorąc pod uwagę wymaganą szerokość pasma akwizycji danych.</li>
	<li>Podłącz oscyloskop i moduł akwizycji danych (Omega, USB-4711A) do filtra RC za pomocą kabli koncentrycznych i adaptera T.</li>
	<li>Próbkuj napięcie detektora APD za pomocą modułu akwizycji danych przez pożądany czas. Czas akwizycji wynosi zazwyczaj od kilkuset sekund. W tym przypadku do akwizycji danych wykorzystano specjalistyczny pakiet oprogramowania. Próbkowanie napięcia odbywa się z częstotliwością 2 000 razy na sekundę.</li>
	<li>Za pomocą programu Matlab przefiltruj pozyskane dane, stosując filtr Savitzky’ego-Golaya, a następnie przedstaw je na wykresie w funkcji czasu.</li>
</ol>

<ol><li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Opt. Lett. 11, 288-290 (1986).</li>
<li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evidence+for+localized+cell+heating+induced+by+infrared+optical+tweezers%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)">Evidence for localized cell heating induced by infrared optical tweezers.</a> Biophys. J. 68, 2137-2144 (1995).</li>
<li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+and+manipulation+of+viruses+and+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria.</a> Science. 235, 1517-1520 (1987).</li>
<li>Juan, M. L., Gordon, R., Pang, Y., Eftekhari, F., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-induced+back-action+optical+trapping+of+dielectric+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Phys%22%5BJournal%5D)">Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles.</a> Nature Phys. 5, 915-919 (2009).</li>
<li>Jin, E. X., Xu, X. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+optical+near+field+from+a+bowtie+aperture%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Enhanced optical near field from a bowtie aperture.</a> Appl. Phys. Lett. 88, 153110(2006).</li>
<li>Onuta, T. -D., Waegele, M., DuFort, C. C., Schaich, W. L., Dragnea, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+field+enhancement+at+cusps+between+adjacent+nanoapertures%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical field enhancement at cusps between adjacent nanoapertures.</a> Nano Lett. 7, 557-564 (2007).</li>
<li>Pang, Y., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+of+12+nm+dielectric+spheres+using+double-nanoholes+in+a+gold+film%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film.</a> Nano Lett. 11, 3763-3767 (2011).</li>
<li>Pang, Y., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+of+a+single+protein%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical trapping of a single protein.</a> Nano Lett. 12, 402-406 (2012).</li>
<li>Optical trap kit - Manual[Internet]. , ThorLabs. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.thorlabs.com/thorcat/19900/OTKB_M-Manual.pdf">http://www.thorlabs.com/thorcat/19900/OTKB_M-Manual.pdf</a> (2011).</li>
<li>Optical trap kit - The force module [Internet]. , ThorLabs. Available from: 
		
	 <a target="_blank" href="http://www.thorlabs.com/thorcat/19500/OTKBFM-Manual.pdf">http://www.thorlabs.com/thorcat/19500/OTKBFM-Manual.pdf</a> (2011).</li>
<li>Righini, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-optical+trapping+of+rayleigh+particles+and+escherichia+coli+bacteria+with+resonant+optical+antennas%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Nano-optical trapping of rayleigh particles and escherichia coli bacteria with resonant optical antennas.</a> Nano Lett. 9, 3387-3391 (2009).</li>
<li>Arnold, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering+gallery+mode+carousel+-+a+photonic+mechanism+for+enhanced+nanoparticle+detection+in+biosensing%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Whispering gallery mode carousel - a photonic mechanism for enhanced nanoparticle detection in biosensing.</a> Opt. Express. 17, 6230-6238 (2009).</li>
<li>Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+manipulation+with+planar+silicon+microring+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical manipulation with planar silicon microring resonators.</a> Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).</li>
<li>Yang, A. H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+manipulation+of+nanoparticles+and+biomolecules+in+sub-wavelength+slot+waveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides.</a> Nature. 457, 71-75 (2009).</li>
<li>Chen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+optical+trapping+and+arrangement+of+nano-objects+in+a+plasmonic+nanocavity%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Enhanced optical trapping and arrangement of nano-objects in a plasmonic nanocavity.</a> Nano Lett. 12, 125-132 (2012).</li>
<li>Lyer, S., Popov, S., Friberg, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+apexes+on+the+resonance+shift+in+double+hole+nanocavities%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Impact of apexes on the resonance shift in double hole nanocavities.</a> Opt. Express. 18, 193-203 (2010).</li>
<li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Yamane, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+and+manipulation+of+single+cells+using+infrared+laser+beams%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams.</a> Nature. 330, 769-771 (1987).</li>
<li>Liu, Y., Sonek, G. J., Berns, M. W., Tromberg, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physiological+monitoring+of+optically+trapped+cells%3A+Assessing+the+effects+of+confinement+by+1%2C064%C3%A2%E2%82%AC%E2%80%B0nm+laser+tweezers+using+microfluorometry%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)">Physiological monitoring of optically trapped cells: Assessing the effects of confinement by 1,064â€‰nm laser tweezers using microfluorometry.</a> Biophys. J. 71, 2158-2167 (1996).</li>
<li>Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stretching+dna+with+optical+tweezers%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)">Stretching dna with optical tweezers.</a> Biophys. J. 72, 1335-1346 (1997).</li>
<li>Operation manual-apd110x series-avalanche photodiodes [Internet]. , ThorLabs. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.thorlabs.com/thorcat/19500/APD110A-Manual.pdf">http://www.thorlabs.com/thorcat/19500/APD110A-Manual.pdf</a> (2011).</li>
<li>Yu, D., Blankert, B., Viré, J. C., Kauffmann, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biosensors+in+drug+discovery+and+drug+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Lett%22%5BJournal%5D)">Biosensors in drug discovery and drug analysis.</a> Anal. Lett. 38, 1687-1701 (2005).</li>
<li>Luppa, P. B., Sokoll, L. J., Chan, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Immunosensors-principles+and+application+to+clinical+chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Chim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Immunosensors-principles and application to clinical chemistry.</a> Clin. Chim. Acta. 314, 1-26 (2001).</li>
<li>Min, Q., Santos, M. J. L., Girotto, E. M., Brolo, A. G., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Localized+raman+enhanced+from+a+double-hole+nanostructure+in+a+metal+film%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Localized raman enhanced from a double-hole nanostructure in a metal film.</a> J. Phys. Chem. C. 112, 15098-15101 (2008).</li>
<li>Weber-Bargioni, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperspectral+nanoscale+imaging+on+dielectric+substrates+with+coaxial+optical+antenna+scan+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Hyperspectral nanoscale imaging on dielectric substrates with coaxial optical antenna scan probes.</a> Nano Lett. 11, 1201-1207 (2011).</li>
</ol>

Produkcja oraz bezpłatny dostęp do tego artykułu są sponsorowane przez firmę Thorlabs.

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.

<table><tbody><tr><td>Olej immersyjny</td><td>Cargille Labs</td><td>16484</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Zestaw elastomeru silikonowego Sylgard 184</td><td>Dow Corning Canada</td><td></td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Zawiera zarówno bazę PDMS, jak i czynnik sieciujący</td></tr><tr><td>Szkiełka testowe pokryte złotem</td><td>EMF Corp</td><td>Cr/Au</td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Można również zastosować warstwę adhezyjną z Ti</td></tr><tr><td>Krywki nr 1,5</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-541-B</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>System wiązki spolaryzowanych jonów (FIB)</td><td>Hitachi</td><td>FB-2100</td><td></td></tr><tr><td>Przenośny moduł akwizycji danych</td><td>Omega Engineering</td><td>USB-4711A</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Stół liniowy</td><td>Parker</td><td>4034M</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Głowica i kontroler diody laserowej</td><td>Sacher Lasertechnik Group</td><td>TEC 120</td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Ręcznie strojony system laserowy Littrow</td></tr><tr><td>Oscyloskop cyfrowy</td><td>Tektronics</td><td>TDS1012</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Wzorzec rozmiaru nanokulek 20 nm</td><td>Thermo Scientific</td><td>3020A</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Mocowanie soczewki 1"</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>LMR1</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Tuba soczewkowa 0,3"</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>&lt;a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=SM1L03" target="_blank"&gt;SM1L03&lt;/a&gt;</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Absorpcyjny filtr ND 4,0</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>NE40A</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Aluminiowy stół optyczny (breadboard)</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>MB1824</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Fotodioda lawinowa</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>APD110A</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Cyfrowy pomiar mocy optycznej</td><td>Thorlabs</td><td>PM100</td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Wycofany z produkcji, można zastąpić innym</td></tr><tr><td>Moduł pomiaru siły</td><td>Thorlabs</td><td>OTKBFM</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Kinematyczne mocowanie lustra</td><td>Thorlabs</td><td>KM200-E03</td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Z lustrem jakości laserowej dla bliskiej podczerwieni (Near IR)</td></tr><tr><td>Sterownik prądu stałego dla diody laserowej</td><td>Thorlabs</td><td>LD1255R</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Płyta montażowa LD1255 do stołu optycznego</td><td>Thorlabs</td><td>LD1255P</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Zamontowana achromatyczna płytka półfalowa</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-980</td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; 690 - 1200 nm</td></tr><tr><td>Zestaw pęsety optycznej</td><td>Thorlabs</td><td>OTKB/M</td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Metryczny lub imperialny</td></tr><tr><td>Podstawa uchwytu słupka</td><td>Thorlabs</td><td>BA2</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Zasilacz</td><td>Thorlabs</td><td>PS-12DC-US</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Kabel zasilający</td><td>Thorlabs</td><td>LD1255-CAB</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Płyta kątowa</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>AP90</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Kątowy zacisk słupka</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>RA90</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Stalowy słup optyczny</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>TR3</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Zacisk do stołu</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>CL1</td><td>Ilość: 2&lt;br/&gt; Wycofany z produkcji, można zastąpić innym</td></tr><tr><td>Czujnik termiczny</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/" target="_blank"><img src="/img/new_window.png"> Thorlabs</a></td><td>PM210</td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Do cyfrowego pomiaru mocy optycznej</td></tr><tr><td>Kondensator 100 pF</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Dowolna marka, nieistotne</td></tr><tr><td>Rezystor 200 kOhm</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Dowolna marka, nieistotne</td></tr><tr><td>Arkusz akrylowy</td><td></td><td></td><td>Wymiary: 3" x 1"&lt;br/&gt; Dowolna marka, nieistotne</td></tr><tr><td>Zestaw kabli koncentrycznych, przewodów i złączy</td><td></td><td></td><td>Według potrzeb</td></tr><tr><td>Płytka stykowa (breadboard)</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Dowolna marka, nieistotne</td></tr><tr><td>Soczewka wklęsła</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Dowolna marka, nieistotne</td></tr><tr><td>Nożyce diamentowe</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Dowolna marka, nieistotne</td></tr><tr><td>Taśma dwustronna</td><td></td><td></td><td>Dowolna marka, nieistotne</td></tr><tr><td>Żyletka</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Dowolna marka, nieistotne</td></tr><tr><td>Pęseta</td><td></td><td></td><td>Ilość: 1&lt;br/&gt; Dowolna marka, z cienkimi końcówkami</td></tr></tbody></table>

optyczne pułapkowanie nanocząsteczek

Optical Trapping of Nanoparticles

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.

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.
<img alt="Schemat wzbudzenia optycznego pokazujący światło padające, oddziaływanie z cząsteczką i zmianę transmisji." src="/files/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
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.
<img alt="Układ mikroskopii z wzbudzeniem optycznym; soczewki, laser, stolik piezoelektryczny; analiza cząstek w nanoskali." src="/files/ftp_upload/4424/4424fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
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.
<img alt="Ułożenie nanocząstek, obraz z mikroskopu elektronowego; skala 200 nm; analiza wzbudzenia optycznego." src="/files/ftp_upload/4424/4424fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. a) Przykład mapy bitowej wykorzystanej w procesie wytwarzania metodą FIB; b) Obraz SEM podwójnego nanootworu.
<img alt="Schemat procesu odlewania PDMS: powlekanie dna szalki Petriego, szkiełka nakrywki do mikroskopu, etapy utwardzania PDMS." src="/files/ftp_upload/4424/4424fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Schemat procesu wytwarzania komory mikroprzepływowej.
<img alt="Wyniki pułapkowania optycznego; wykres; transmisja optyczna w czasie, prawidłowe pułapkowanie vs. znaczny dryft." src="/files/ftp_upload/4424/4424fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5. (a) Typowy zapis zdarzeń pułapkowania z wykorzystaniem 20 nm sfer polistyrenowych. (b) Nieprawidłowy zapis wykazujący silny dryft.

Poniższe podejście do konfiguracji szczegółowo opisuje pułapkowanie optyczne nanocząstek dielektrycznych o niskiej mocy z wykorzystaniem podwójnego nanootworu w cienkiej warstwie metalu.

Optyczne pułapkowanie nanocząsteczek

Pułapkowanie optyczne to technika łagodnego unieruchamiania i manipulowania małymi obiektami za pomocą światła, która znajduje szerokie zastosowanie w pułapkowaniu...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest stworzenie układu do aperturowego chwytania optycznego w celu uwięzienia cząstek o rozmiarze około 20 nanometrów. W tym celu do istniejącego układu laserowego chwytania optycznego dodaje się detektor, aby umożliwić pomiar. Następnie mierzony roztwór nanocząstek jest dozowany do komory mikroprzepływowej z podwójną pułapką z nanootworami, a komora jest umieszczana w układzie do chwytania optycznego.Gdy cząsteczka wnika do oświetlonego otworu, transmisja światła gwałtownie wzrasta z powodu obciążenia dielektrycznego. Jeśli cząsteczka próbuje opuścić otwór, zmniejszona transmisja powoduje zmianę pędu skierowaną na zewnątrz otworu, co zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona skutkuje siłą wciągającą cząsteczkę z powrotem do otworu, prowadząc do jej uwięzienia. Cząsteczka powoduje przesunięcie krzywej transmisji w stronę czerwieni, co można monitorować.W związku z tym pułapka może pełnić funkcję czujnika. Ostatecznie można uzyskać wyniki wykazujące zdarzenia wychwytywania nanocząstek, w tym rozwijanie się uwięzionych białek, co objawia się zmianami natężenia lasera przechodzącego przez podwójny nanootwór. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak optyczne pułapkowanie siłą gradientową, jest możliwość wychwytywania mniejszych nanocząstek przy niższych natężeniach lasera.Ta metoda może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu biochemii, takie jak: w jaki sposób pojedyncze białka zwijają się i oddziałują ze sobą oraz jak cząsteczki wirusów infekują żywe komórki? Zazwyczaj osoby korzystające z tej metody napotykają trudności ze względu na skomplikowaną integrację podwójnej nanopory z istniejącym systemem pułapkowania laserowego. Układ pułapkowania optycznego oparto na zestawie pęset optycznych firmy Thor Labs, wyposażonym w moduł pomiaru siły.Fotodioda lawinowa jest wykorzystywana do zastąpienia detektora kwadrantowego w module pomiaru siły. Podczas konfiguracji układu pułapki optycznej należy nosić ochronę oczu zawsze, gdy laser jest włączony. Należy upewnić się, że wiązka będzie ograniczona do bezpiecznego obszaru poprzez pracę w zamkniętym pomieszczeniu i maksymalne ograniczenie wiązki w obrębie układu pułapki; należy unikać noszenia odblaskowej biżuterii.Należy założyć rękawiczki lateksowe. Aby zapewnić czystość układu optycznego, przygotuj zestaw do pęsety optycznej oraz moduł pomiaru siły. Zgodnie z instrukcjami producenta, zmontowany zestaw pęsety optycznej posiada konstrukcję odwróconego mikroskopu świetlnego i składa się z następujących elementów: lasera pułapkującego, obiektywu imersyjnego olejowego 100 x, trójosiowego stołu do pozycjonowania próbek oraz kamery CCD.Należy pamiętać, że podczas pracy z diodami laserowymi zaleca się stosowanie ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi. Moduł pomiaru siły umożliwia kalibrację pęsety optycznej przy użyciu detekcji pozycyjnej tylnej płaszczyzny ogniskowej kondensora. Zamiast modułów pomiaru siły stosuje się detektor fotodiodowy lawinowy na bazie krzemu lub fotodiodę PD.Detektor pozycji kwadrantowej zawiera również filtr rezystorowo-kondensatorowy (filtr RC) składający się z rezystora 200 kΩ i kondensatora 100 pF. Jest on wykorzystywany do redukcji szumów wysokoczęstotliwościowych oraz ułatwienia obserwacji zdarzeń pułapkowania na oscyloskopie. Użyj kabla koncentrycznego, aby podłączyć filtr RC za detektorem APD. Następnie za pomocą kabli koncentrycznych i adaptera T podłącz oscyloskop oraz moduł akwizycji danych do filtra RC.System jest teraz gotowy do wprowadzenia próbki. Podwójna nanoapertura składa się z dwóch nano-otworów wykonanych w złotej folii za pomocą skupionej wiązki jonów. Folia ma grubość 100 nanometrów i jest wsparta na szklanym podłożu.Nanootwory nakładają się na siebie, tworząc dwa ostre wierzchołki. Nanocząstki zostaną uwięzione w szczelinie między tymi wierzchołkami przez światło lasera. Pada ono na podwójny nanootwór.W warstwie metalicznej należy również wyfrezować duże elementy pasowania, aby ułatwić lokalizację podwójnego nanootworu w mikroskopie optycznym. Elementy te powinny znajdować się w odległości około 100 mikronów od podwójnego nanootworu. Do jednorazowego kubka wlej 10 g bazy polidimetylosiloksanu (PDMS) oraz 1 g utwardzacza. Mieszaj przez kilka minut.Następnie odgazuj mieszaninę w komorze próżniowej, aż do całkowitego usunięcia pęcherzyków powietrza. Dalej wlej 1,5 g PDMS do czystej płytki Petri o średnicy dziewięciu centymetrów. Naniesiesz PDMS na dno płytki Petri metodą spin coatingu z prędkością 950 RPM przez 65 sekund.Grubość nie jest krytyczna, o ile nie przekracza 80 mikronów. Delikatnie ułóż od trzech do pięciu szkiełek nakrywkowych nr 1,5 na PDMS w taki sposób, aby nie nachodziły na siebie, a następnie poddaj ewakuacji przez 30 minut.Jeśli podczas ewakuacji szkiełkach przykrywkowych przesunęły się i nałożyły na siebie, ostrożnie je rozdziel. Należy upewnić się, że warstwa PDMS pod szkiełkami przykrywkowymi pozostaje cienka i jednorodna. Następnie ponownie poddajy szalkę Petriego próżni przez 30 minut.Wyjmij szalkę Petriego z komory próżniowej i podgrzewaj ją na płycie grzejnej przez 20 minut w temperaturze 85 °C, aby utwardzić PDMS. Po zestaleniu się PDMS użyj żyletki, aby przeciąć materiał wzdłuż krawędzi jednego z szkiełek podstawowych. Następnie, używając pęsety z cienkimi końcówkami lub ostrza, delikatnie podważ szkiełko; cienka warstwa PDMS pozostanie przylegająca do szkiełka podstawowego.Umieść szkiełko nakrywowe z PDMS w nowej płytce Petriego. Następnie, używając żyletki, wytnij w PDMS okno o wymiarach 3 mm na 3 mm. Okno to utworzy komorę, w której będzie przechowywany roztwór nanocząsteczek.Użyj wycinarki laserowej do wykonania akrylowego uchwytu na szkiełka mikroskopowe z otworem o średnicy trzech czwartych cala w centrum. Oklej obwód otworu taśmą dwustronną. Użyj żyletki, aby usunąć nadmiar taśmy.Umieść wykonane szkiełko przedmiotowe na jednej z przygotowanych szkiełek nakrywkowych powlekonych PDMS w taki sposób, aby PDMS znajdował się pomiędzy szkłem a akrylem. Za pomocą mikropipety dodaj kilka kropli 0,05% w/v roztworu nanokulek polistyrenowych do okna z PDMS.Nanieś kroplę na warstwę złota w miejscu, w którym znajdują się nanootwory. Umieść próbkę złota na szkiełkach nakrywkowych tak, aby nanootwory znajdowały się wewnątrz okna z PDMS. Upewnij się, że w komorze nie ma pęcherzyków powietrza.Następnie dociśnij złotą próbkę do szkiełka nakrywki. Usuń nadmiar roztworu za pomocą chusteczki, ponieważ użyty zostanie obiektyw imersyjny. Nałóż kroplę oleju po drugiej stronie szkiełka nakrywki, na obszarze okna PDMS.Zwróć uwagę na położenie nano-otworów. Włóż preparat do uchwytu na preparaty stroną z olejkiem skierowaną w dół, a następnie opuść uchwyt, aż olejek immersyjny zetknie się z obiektywem mikroskopu.Cel: w przybliżeniu ustawić stolik z preparatem tak, aby znaki rejestracyjne wyfrezowane w złotej folii znajdowały się pod obiektywem. Używając oprogramowania do akwizycji obrazu, takiego jak Thorsight, które wchodzi w skład zestawu do pułapkowania, zlokalizować znaki rejestracyjne na złotej folii i podążać wzdłuż linii wskaźnikowych do nanodziurek.Ustaw preparat tak, aby znaczniki wskaźnikowe i inne obszary otwarte znajdowały się poza centrum ekranu. Nadmierna transmisja światła może uszkodzić A PD; włącz laser. Ponieważ lustro dichroiczne nie jest idealne, w pobliżu centrum ekranu powinna pojawić się plamka z wiązki laserowej.Używając oprogramowania do sterowania stolikiem piezoelektrycznym, należy dalej precyzyjnie dostroić wyrównanie na wszystkich trzech osiach. Gdy wyrównanie będzie prawidłowe, zaobserwowane zostanie maksymalne napięcie PD, co będzie wskazywać na najwyższą transmisję przez nanoaperturę.Po skonfigurowaniu systemu i załadowaniu próbki można przystąpić do pozyskiwania danych z pułapkowania optycznego. Pomocą się w znacznikach wskaźnikowych ustaw wiązkę w pobliżu znanej lokalizacji nanootworu. Podwójne nanootwory będą zbyt małe, aby można było je wyraźnie rozdzielić, i będą widoczne na ekranie jako małe kropki.Transmisja światła przez próbkę jest wskazywana przez poziom sygnału na oscyloskopie. Należy dalej ustawiać próbkę tak, aby zmaksymalizować transmisję światła. Należy uważać na oznaczenia wskaźnikowe oraz widoczne i niewidoczne rysy, ponieważ w tych obszarach transmisja światła będzie wysoka; nanootwory będą objawiać się gwałtownymi skokami transmisji światła, w przeciwieństwie do rys.Wprowadzaj bardziej stopniowe zmiany za pomocą płytki falowej. Dostrój polaryzację światła, aby uzyskać najwyższą transmitancję, ponieważ struktura podwójnych nanootworów jest spolaryzowana. W celu pozyskania danych próbkuj napięcie APD za pomocą modułu akwizycji danych przez żądany czas.Czasy akwizycji wynoszą zazwyczaj od kilkudziesięciu do kilkuset sekund. W tym przypadku do akwizycji danych wykorzystano specjalistyczne oprogramowanie, a napięcie próbkowano z częstotliwością 2000 razy na sekundę. Za pomocą programu MATLAB przefiltrowano pozyskane dane przy użyciu filtru KY Gole i naniesiono je na wykres w funkcji czasu, aby wykazać pułapkowanie 20 nanometrowych nanocząstek polistyrenowych; transmisja przez podwójny nanootwór była mierzona w funkcji czasu.Następnie wykreślono transmitancję optyczną za pomocą fotodiody (PD). W czasie zdarzenie uwięzienia ma charakter gwałtowny, z ostrym zboczem wskazującym na wyraźne przełączenie między dwoma poziomami mocy transmitowanej, co pokazano w tym przykładzie; często w stanie uwięzienia następuje wzrost szumu sygnału. Wzrost szumu ten wynika z ruchów brownowskich uwięzionej cząsteczki.Należy zauważyć, że bez uwięzionej cząsteczki źródło szumu to nie występuje. W wynikach mogą pojawić się artefakty, które nie wskazują na zdarzenia uwięzienia. Wyniki wykazujące dryf, widoczny jako powolne zmiany transmisji w okresie kilku minut, tak jak pokazano tutaj, powinny zostać odrzucone. Po zastosowaniu tej procedury można przeprowadzić inne metody, takie jak spektroskopia Ramanowska i fluorescencyjna, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące natury uwięzionej nanocząsteczki po jej rozwinięciu.Technika ta utorowała drogę badaczom do analizy biologicznie istotnych nanocząsteczek na poziomie pojedynczych cząsteczek. Przykładowo, umożliwia wykrywanie wiązania białek oraz badanie infekcji wirusowych, w obu przypadkach na poziomie pojedynczej cząsteczki. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat tego, jak zintegrować podwójną pułapkę optyczną nho z systemem laserowym mikroskopu odwróconego w celu chwytania pojedynczych nanocząsteczek.

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Optyczne uwięzienie nanocząstek

Wykazano, że pęsety plazmoniczne oraz nanostruktury kryształów fotonicznych zapewniają istotną poprawę wydajności i kontroli orientacji w optycznym chwytaniu mikro- i nanocząstek.

Wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do usprawnionej manipulacji mikro- i nanocząsteczkami

System opisany tutaj wykorzystuje tradycyjną pułapkę optyczną, jak również niezależną holograficzną linię pułapek optycznych, zdolną do tworzenia i manipulowania wieloma pułapkami. Pozwala to na tworzenie złożonych układów geometrycznych cząstek załamanych światła, a jednocześnie umożliwia jednoczesne szybkie pomiary aktywności enzymów biologicznych w wysokiej rozdzielczości.

Budowa mikroskopu o wysokiej rozdzielczości z konwencjonalnymi i holograficznymi możliwościami optycznego pułapkowania

Używamy optycznego śledzenia plazmonicznych nanocząstek do badania i charakteryzowania częstotliwości ruchów organizmów wodnych.

Analiza ruchu naupliusa 'Artemia salina' za pomocą optycznego śledzenia nanocząstek plazmonicznych

Skalowalność i rozdzielczość konwencjonalnych technik manipulacji optycznej są ograniczone przez dyfrakcję. Obchodzimy granicę dyfrakcji i opisujemy metodę optycznego transportu nanocząstek przez chip za pomocą złotej powierzchni z wzorem ścieżki blisko rozmieszczonych rezonatorów plazmonicznych w kształcie litery C.

Produkcja i eksploatacja nanooptycznego przenośnika taśmowego

Przedstawiono protokół do wystrzeliwania i stabilnego zatrzymywania wybranych mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu.

Pułapka optyczna obciążenia mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu

Przedstawiono tutaj proces produkcji mikroprocesorów, który wykorzystuje plazmoniczną pęsetę. Mikroczip umożliwia obrazowanie uwięzionej cząstki w celu zmierzenia maksymalnych sił wychwytywania.

Pułapkowanie plazmoniczne i uwalnianie nanocząstek w środowisku monitorowania

Opisujemy procedurę optycznego uwięzienia mikrocząsteczek w nanoplazmonicznej sieci optycznej.

Uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej

Plazmoniczne nanopręty złota mogą być uwięzione w cieczach i obracane z częstotliwością kHz za pomocą pęsety optycznej o polaryzacji kołowej. Wprowadzenie narzędzi do analizy dynamiki Browna i spektroskopii rozpraszania światła prowadzi do powstania potężnego systemu do badań i zastosowań w wielu dziedzinach nauki.

Budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego Gold Nanorod

Obecny protokół opisuje wygodne podejście do integracji optycznego pułapkowania i powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana (SERS) do manipulowania plazmonicznymi nanocząstkami w celu czułego wykrywania molekularnego. Bez środków agregujących, laser pułapkujący gromadzi plazmoniczne nanocząstki w celu wzmocnienia sygnałów SERS docelowych analitów do pomiarów spektroskopowych in situ.

Optyczne pułapkowanie nanocząstek plazmonicznych do charakterystyki spektroskopii Ramana wzmocnionej powierzchniowo in situ

Niniejszy artykuł opisuje metodę eksperymentalną osiągania długotrwałego, stabilnego uwięzienia i precyzyjnego pozycjonowania dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą dynamicznej, łódkowatej pułapki fotoforetycznej. System ten umożliwia kontrolowane manipulowanie, które nadaje się do badań interakcji plazmonowych.

Optyczne uwięzienie dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą pułapki 'łódka' z bezpośrednio rysowanymi ściankami bocznymi

Poznaj metodę optycznego wychwytywania nanocząstek dielektrycznych o rozmiarze około 20 nm przy użyciu podwójnej nanodziury w metalowej folii. Technika ta umożliwia badanie procesów biofizycznych na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Optyczne pułapkowanie nanocząsteczek

Przeglądaj więcej filmów