Name: Uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-05T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 20 s
Description: Poznaj metodę uwięzienia mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej z tłumieniem konwekcji fototermalnej. Technika wykorzystuje nanostruktury plazmoniczne i właściwości wody do zwiększenia efektywności pułapkowania.

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

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.

1. Konfiguracja optyczna
Uwaga: Zasada działania układu optycznego jest zilustrowana na rysunku Rysunek 1.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Zdejmij soczewkę w sekcji rozszerzania wiązki zmontowanego zestawu, aby uzyskać luźne ogniskowanie wiązki laserowej.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Nanofabrykacja
<ol>
	<li>Produkcja markerów. 
	UWAGA: Markery pomogą ustawić matrycę nanoplazmoniczną podczas procesu wytwarzania i późniejszego eksperymentu z pułapką. Szczegółowy proces przedstawiono na rysunku uzupełniającym 1.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Wirować warstwę dodatniego fotorezystu o grubości 8 μm z prędkością wirowania 4000 obr./min i czasem 30 s za pomocą powlekarki wirowej.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Namocz próbkę w wywoływaczu fotorezystu na 130 s.</li>
		<li>Osadzać warstwę chromu o długości 2 nm i warstwę złota o długości 40 nm na próbce za pomocą odparowania termicznego. 18</li>
		<li>Zanurzyć próbkę w acetonie i umieścić ją w myjce ultradźwiękowej działającej z częstotliwością 43 kHz i 150 W na 5 minut w celu odlotu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wytwarzanie macierzy nanoplazmonicznej
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Za pomocą programu e-beam writer należy naświetlić rezystancję wiązki elektronicznej o napięciu przyspieszenia 30 kV i dozowaniu 400 C/cm2.</li>
		<li>Umieść warstwę złota o długości 40 nm w parowniku termicznym.</li>
		<li>Namocz próbkę w acetonie i umieść ją w myjce ultradźwiękowej na 5 minut w celu odlotu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. System chłodzenia próbki i jego kalibracja temperatury
UWAGA: Projekt etapu chłodzenia próbki jest pokazany na rysunku uzupełniającym 2.
<ol>
	<li>Wykonanie obwodu sterownika do chłodzenia próbki
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kalibracja mierzonej temperatury w przyszłościowej kamerze termowizyjnej i termometrze rezystancyjnego detektora temperatury (RTD).
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Zatrzymywanie mikrocząstek
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Dozować 10 μl rozcieńczonych mikrocząstek o średnicy 2 μm na próbkę za pomocą mikropipety.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Ręcznie włączyć zasilanie elektronicznej tablicy sterowniczej, aby schłodzić próbkę do temperatury w stanie ustalonym ~4 °C.</li>
	<li>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.</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>Grier, D. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/vsample/nsample/full/nature01935.html">A revolution in optical manipulation.</a> Nature. 424, 21-27 (2003).</li>
<li>Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.109937">Radiation on trapping forces with optical tweezers.</a> Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).</li>
<li>Kawata, S., Tani, T. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19881795">Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide.</a> Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).</li>
<li>Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. <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>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>Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanomanipulation+using+silicon+photonic+crystal+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators.</a> Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).</li>
<li>Lin, S., Crozier, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planar+silicon+microrings+as+wavelength-+multiplexed+optical+traps+for+storing+and+sensing+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles.</a> Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).</li>
<li>Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., R, Plasmonic nano optical tweezers. Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).</li>
<li>Huang, J. S., Yang, Y. -T. <a target="_blank" href="http://www.mdpi.com/2079-4991/5/2/1048">The origin and future of plasmonic optical tweezer.</a> Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).</li>
<li>Pang, Y., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl203719v">Optical trapping of single protein.</a> Nano Lett. 12, 402-406 (2012).</li>
<li>Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. -T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transport+and+trapping+in+two-dimensional+nanoscale+plasmonic+optical+lattice%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice.</a> Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).</li>
<li>Cuche, A., Stein, B., Canguier-Durand, A., Devaux, E., Genet, C., Ebbesen, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brownian+motion+in+a+designer+force+field%3A+Dynamical+effects+of+negative+refraction+on+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Brownian motion in a designer force field: Dynamical effects of negative refraction on nanoparticles.</a> Nano Lett. 12, 4329-4332 (2012).</li>
<li>Baffou, G., Berto, P., Urena, E. B., Quidant, R., Monnert, S. J., Polleux, J., Righeault, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoinduced+heating+of+nanoparticle+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Photoinduced heating of nanoparticle arrays.</a> ACS Nano. 8, 6478-6488 (2013).</li>
<li>Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+and+controlling+plasmon-induced+convection%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Understanding and controlling plasmon-induced convection.</a> Nat. Commun. 5, (2014).</li>
<li>Yang, T. P., Yossifon, G., Yang, Y. -T. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4871010/">Characterization of the near-field and convectional transport behavior of micro and nano particles in nanoscale plasmonic optical lattice.</a> Biomicrofluidics. 10, 034102(2016).</li>
<li>Chen, Y. -C., Yossifon, G., Yang, Y. -T. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4967882?journalCode=apl">Supression of phtothermal convection of micro particles in two dimensional nanoplamonic optical lattice.</a> Appl. Phys. Lett. 109, 201111(2016).</li>
<li>Smith, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSmith%2C+D+%22Thin+film+deposition%3A+principles+and+practice%22">Thin film deposition: principles and practice</a>. , McGraw-Hill Education. New York, New York. (1995).</li>
<li>Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow-dependent+double-nanohole+optical+trapping+of+20+nm+polystyrene+nanospheres%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres.</a> Sci. Rep. 2, 966(2012).</li>
<li>Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapping+and+sensing+10+nm+metal+nanoparticles+using+plasmonic+dipole+antennas%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas.</a> Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).</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. 2011 (11), 3763-3767 (2011).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Termoelektryczny element chłodzący</td><td>Thorlabs</td><td>TEC 1.4-6</td><td>Element TEC do chłodzenia próbki</td></tr><tr><td>Termometr RTD</td><td>Omega Engineering</td><td>RTD Termometr 969C</td><td></td></tr><tr><td>Kamera termowizyjna skierowana do przodu</td><td>FLIR&nbsp;</td><td>FLIR One</td><td>Kamera IR do monitorowania temperatury</td></tr><tr><td>Źródło światła z diodą elektroluminescencyjną</td><td>Touchbright</td><td></td><td>Źródło światła do oświetlenia do obrazowania fluorescencyjnego</td></tr><tr><td>Obiektyw o dużym zasięgu roboczym</td><td>Olympus</td><td>LMPLFLN</td><td>Do oświetlania próbki i obrazowania</td></tr><tr><td>Zestaw pułapek optycznych</td><td>Thorlabs</td><td>OTKB/M</td><td></td></tr><tr><td>Grubość szkiełka</td><td></td><td></td> nakrywkowego <td>0,17 mm</td></tr><tr><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td><td>Hitachi</td><td>SEM-Hitachi S3400N</td><td></td></tr><tr><td>Wygaszacz wiązki elektronów</td><td>DEBEN</td><td>PCD wygaszacz wiązki</td><td>jest dodawany do skaningowego mikroskopu elektronowego&nbsp;</td></tr><tr><td>Parownik termiczny</td> Technologia <td></td><td></td><td>SYSKEY</td></tr><tr><td>Wyrównywacz masek</td><td>Karl Suss</td><td>MJB 3</td><td>Do produkcji markerów</td></tr><tr><td>Odporność na wiązkę elektronów</td><td>Sigma Alrich</td><td>PMMA 120K</td><td>Do litografii wiązką elektroniczną</td></tr><tr><td>Odporność na wiązkę elektronów</td><td>Sigma Alrich</td><td>PMMA 960K</td><td>Do litografii wiązki elektronicznej</td></tr><tr><td>Mikrosfery polistyrenowe znakowane fluorescencją</td><td>Polyscience</td><td></td> ilość Tranzystor bipolarny <td>o średnicy 2 um</td></tr><tr><td></td><td>Mouser</td><td>2N3904</td><td>dla obwodu sterownika TEC ilość 2 dla obwodu sterownika</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>TEC ilość 2 dla obwodu sterownika TEC</td></tr><tr><td>Tranzystor mocy MOSFET</td><td>ilość Mouser</td><td>IRF5305</td><td>dla obwodu sterownika TEC ilość 2 dla obwodu sterownika</td></tr><tr><td>MOSFET</td> ilość <td>Mouser</td><td>IRF131ON</td> dla <td>obwodu sterownika TEC 2 dla obwodu sterownika TEC</td></tr><tr><td>ilość Rezystor 10 kOhm</td><td>Mouser</td><td></td><td>6 dla obwodu sterownika TEC</td></tr><tr><td>ilość Rezystor 910 Ohm</td><td>Mouser</td><td></td><td>2 dla obwodu sterownika TEC</td></tr><tr><td>Mikrochemikalia fotorezystu</td><td></td><td>AZ4620</td><td>Do produkcji markerów</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Sigma Alrich</td><td></td><td>Do produkcji markerów</td></tr><tr><td>Moduł fluorescencyjny do OTKB/M, gwinty metryczne</td><td>Thorlabs</td><td>OTKB-FL/ M</td><td></td></tr><tr><td>Zestaw filtrów fluorescencyjnych</td><td>Thorlabs</td><td>MDF-FITC</td><td>Do izotiocyjanianu fluoresceiny (FITC)</td></tr><tr><td>Myjka ultradźwiękowa</td><td>Delta</td><td>DC150H</td><td>Do stopnia podnoszenia</td></tr></tbody></table>

uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

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.

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...

Opisujemy procedurę optycznego uwięzienia mikrocząsteczek w nanoplazmonicznej sieci optycznej.

Uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical ...

Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest zademonstrowanie sposobu pułapkowania mikrocząstek za pomocą plazmonicznych sieci optycznych z wykorzystaniem techniki tłumiącej konwekcję fototermalną. Główną cechą tej techniki jest zastosowanie macierzy nanostruktur plazmonicznych w celu zwiększenia wydajności pułapkowania. Wykorzystano również unikalną właściwość wody, polegającą na zerowym współczynniku rozszerzalności termicznej w niskiej temperaturze, aby stłumić konwekcję fototermalną.Procedurę tę zaprezentuje Dinesh Bhalothia, doktorant z mojego laboratorium. Układ eksperymentalny oparto na zestawie do pęsety optycznej. Ten zmodyfikowany zestaw pęsety optycznej z modułem fluorescencji znajduje się na stole optycznym.Dioda LED i laser diodowy dostarczają światło do fluorescencji i manipulacji. Lustra kierują światło przez obiektyw. Obiektyw skupia światło na stoliku z próbką, który pełni również funkcję radiatora.Kamera CCD rejestruje obrazy z próbki. Elementy te są bardziej widoczne na tym schemacie. Źródłem światła dla modułu fluorescencji jest niebieska dioda LED o długości fali 470 nanometrów.Dioda laserowa o długości fali 980 nanometrów dostarcza światło laserowe w rozproszonej ogniskowej do manipulacji. Soczewką jest obiektyw mikroskopowy o długiej odległości roboczej. Aktywność na stole preparatowym jest rejestrowana przez kamerę CCD.Włącz zasilanie i prąd dla diody laserowej o długości fali 980 nanometrów. Użyj kamery CCD, aby sprawdzić wyrównanie wiązki lasera. Jeśli wiązka jest prawidłowo wyrównana, obraz z kamery będzie przedstawiał plamkę Gaussa.Wyłącz laser przed przejściem do kolejnych kroków. Ważnym elementem konfiguracji jest system chłodzenia. Stolik z próbką stanowi radiator zaprojektowany do współpracy z chłodnicą termoelektryczną.Przygotuj elektronikę systemu do montażu chłodnicy termoelektrycznej. Do tego doświadczenia zastosowano specjalnie zaprojektowany układ sterujący. Wykonaj połączenia między układem sterującym a elektroniczną płytką sterującą.Następnie należy przygotować element chłodzenia termoelektrycznego, który będzie pasował do uchwytu próbki i posiada otwór umożliwiający przejście wiązki lasera. Podłącz wyjście obwodu sterującego do elementu chłodzenia termoelektrycznego. Przenieś element chłodzący do uchwytu próbki.Przed kontynuacją podłącz układ sterujący do zasilacza napięciem 5 V. W celu monitorowania temperatury użyj kamery termowizyjnej i upewnij się, że system chłodzi prawidłowo przed przejściem do kolejnych kroków. W tym celu wykorzystaj termometr oporowy wraz z czujnikiem.Zacznij od umieszczenia czujnika na szkiełku nakrywce. Przenieś czujnik wraz ze szkiełkiem na platformę pomiarową. Nałóż niewielką ilość pasty termoprzewodzącej, aby zapewnić kontakt termiczny.Następnie należy zetknąć zespół z platformą. Przy panelu sterowania należy dostosować moc elementu chłodzenia termoelektrycznego. Po trzech minutach należy odczytać temperaturę za pomocą termometru z detektorem temperatury rezystancyjnej.Dodatkowo należy zarejestrować temperaturę za pomocą kamery termowizyjnej (infrared). Powtórz te dwa pomiary przy różnych ustawieniach mocy wyjściowej, aby uzyskać krzywą kalibracji temperatury podobną do tej przedstawionej. Kalibracja jest niezbędna.Przed kontynuacją należy wyłączyć zasilanie chłodziarki termoelektrycznej. Ostatnim elementem układu jest matryca nanoplazmoniczna. Szkiełko nakrywkowe posiada specjalnie wykonaną matrycę i jest gotowe do zamontowania w układzie doświadczalnym.Ten obraz z rozpylnego mikroskopu elektronowego przedstawia macierz w większym szczególe. Jest to macierz o wymiarach około 16 mikrometrów kwadratowych, składająca się z 22 na 22 złotych nanodysków. Każdy nanodysk ma grubość 40 nanometrów i średnicę 550 nanometrów.Odległość od środka do środka między dyskami wynosi 750 nanometrów. Umieść szkiełko nakrywkę z macierzą nanoplazmoniczną na stoliku z próbką. Powinna ona stykać się z chłodnicą termoelektryczną.Następnie należy przygotować źródło światła. Włącz źródło światła fluorescencyjnego i ustaw moc na 5 mW dla obrazowania w jasnym polu. Monitoruj obraz z kamery CCD podczas manipulowania preparatem.Użyj znacznika na szkiełku, aby zlokalizować i wyrównać macierz. Upewnij się, że macierz znajduje się w centrum obszaru zainteresowania na ekranie komputera. Teraz przejdź do próbki do eksperymentu.Jest to mieszanina cząsteczek polistyrenu o średnicy dwóch mikrometrów w wodzie dejonizowanej. Za pomocą mikropipety nanieś 10 µL na szkiełko z nanoarrayem. Przejdź do zasilacza prądowego diody laserowej o długości fali 980 nm.Włącz urządzenie, aby wzbudzić rezonans plazmonowy macierzy. Następnie dostrój zasilacz systemu chłodzenia, aby osiągnąć temperaturę 4 °C. Na koniec rozpocznij nagrywanie wideo mikrocząsteczek za pomocą kamery CCD.Jest to przykład filmu nagranego podczas eksperymentu z dwiema mikrometrycznymi sferami polistyrenowymi. Moc optyczna lasera o długości fali 980 nanometrów, wykorzystanego do wzbudzenia rezonansu plazmonowego, wynosi pięć miliwatów. Należy zwrócić uwagę, że cząsteczki skupiają się w heksagonalnej, ciasno upakowanej strukturze.Niniejsze obrazy przedstawiają skumulowane uwięzione mikrocząsteczki w czasie. Ponownie wyraźnie widoczna jest struktura heksagonalnego upakowania zgodnego. Obrazy tego typu mogą dostarczyć danych do sporządzenia wykresu liczby uwięzionych mikrocząsteczek w funkcji czasu.Te pięć kolorowych krzywych to przykłady trajektorii mikrocząsteczek, które można wyekstrahować z nagranego wideo za pomocą technik przetwarzania obrazu oraz algorytmu wyznaczania środka ciężkości. Pasek skali reprezentuje 2 µm. Opisana tutaj procedura umożliwia badaczowi rutynowe powtórzenie procesu pułapkowania.Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o użyciu kamery podczerwieni do monitorowania temperatury próbki, aby uniknąć jej uszkodzenia. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie pułapkowania optycznego do badania szerszej klasy zjawisk transportowych w plazmonicznym sieci optycznej. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat przeprowadzania pułapkowania optycznego z wykorzystaniem plazmonicznej sieci optycznej,

trapping-of-micro-particles-in-nanoplasmonic-optical-lattice

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

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

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

Optyczne pułapkowanie nanocząsteczek

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

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

Plazmoniczne pęsety wykorzystują zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonów w nanostrukturach złota, aby uwięzić pojedyncze nanocząsteczki, w tym białka, w polu optycznym o skali nanometrowej. Zmiany w rozproszonym sygnale ujawniają obecność białka i dynamikę konformacyjną, umożliwiając monitorowanie bez modyfikacji fluoroforu lub wiązania powierzchni.

Monitorowanie dynamiki konformacyjnej pojedynczych niemodyfikowanych białek za pomocą plazmonicznej pęsety

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 uwięzienia mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej z tłumieniem konwekcji fototermalnej. Technika wykorzystuje nanostruktury plazmoniczne i właściwości wody do zwiększenia efektywności pułapkowania.

Uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej

Przeglądaj więcej filmów