Name: Captura de Micro partículas em Lattice ótico Nanoplasmonic (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-05T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 20 s
Description: Aprenda a capturar micropartículas usando lattices ópticos nanoplasmonicos com supressão da convecção fototérmica. Este método utiliza nanodiscos de ouro e a propriedade térmica da água para melhorar a eficiência do aprisionamento óptico.

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Y. T. Y. gostaria de reconhecer o apoio do Ministério da ciência e tecnologia sob concessão números mais 105-2221-E-007-MY3 e da National Tsing Hua University sob concessão números 105N518CE1 e 106N518CE1 financeiro.

1. Setup óptico Nota: O princípio da instalação do óptico é ilustrado na Figura 1.
Pinça <ol><li>conjunto até o óptico kit (veja a Tabela de materiais) e o módulo de fluorescência (ver Tabela de materiais) como por seus manuais. Conectar uma fonte de 470 nm azul luz emitindo luz de diodo (LED) para o módulo fluorescente.</li>
	<li>Substituir a alta abertura numérica (NA) (at = 1.25, ampliação 100x) objectivo de imersão de óleo por um trabalho de longo distância objetivo do microscópio (WD) (comprimento focal 3,6 mm, WD = 10,6 mm, at = 0,5).</li>
	<li>Remover a lente na seção expansão de feixe do kit montado para alcançar solto com foco de raio laser.</li>
	<li>Vez na fonte de alimentação e a corrente para o laser de diodo de nm de comprimento de onda 980 e uso o carregado acoplado a câmera do dispositivo (CCD) para certificar-se de que o feixe de laser é alinhado corretamente. 
	Nota: Se o feixe de laser é bem alinhado, a câmera CCD lerá um ponto Gaussian.</li>
</ol> 2. Nanofabricação fabricação de marcador de <ol><li>. 
	Nota: Marcadores irão ajudar a posicionar a matriz de nanoplasmonic durante o processo de fabricação e o experimento de armadilhagem subsequentes. O processo detalhado é ilustrado na Figura complementar 1.
	<ol><li>Filme de óxido de estanho (ITO) de índio depósito 40 nm em uma lamela de espessura 0,17 mm com pulverização catódica. 
		Nota: O filme ITO ajudará a descarga de elétrons durante o processo de litografia e-feixe subsequentes.</li>
		<li>Spin revestir uma camada de 8 µm de fotorresiste positivo com rotação velocidade 4000 rpm e tempo de 30 s, com um aplicador de rotação.</li>
		<li>Soft cozer a amostra a 90 ° C por 5 min e alinhar a amostra com a Fotomáscara para marcador e expor a amostra à luz para 80 UV s no alinhador de máscara.</li>
		<li>Embeber a amostra no desenvolvedor fotorresiste por 130 s.</li>
		<li>Depositar uma camada de 2 nm de crómio e uma camada de 40 nm de ouro para a amostra usando evaporação térmica. 18</li> <li>mergulhar a amostra em acetona e colocá-lo em um líquido de limpeza ultra-sônico que operam em 43 kHz e 150 W por 5 min para fora do elevador</li>
	</ol></li> <li>Fabricação de matriz Nanoplasmonic <ol><li>casaco Spin uma camada de e-feixe resistir PMMA 120K com centrifugação 5000 rpm por 30 s em um aplicador de rotação. Asse a amostra a 160 ° C por 3 min em uma chapa quente.</li>
		<li>Spin revestir outra camada de resistir e-feixe PMMA 960K com centrifugação 5000 rpm por 30 s em um aplicador de rotação. Asse a amostra a 160 ° C por 3 min em uma chapa quente.</li>
		<li>Escritor e-feixe de uso para expor o feixe e resistir com aceleração tensão 30 kV e dosagem 400 C/cm 2.</li>
		<li>Depositar uma camada de 40 nm de ouro em um evaporador térmico.</li>
		<li>Mergulhar a amostra em acetona e colocá-lo em um líquido de limpeza ultra-sônico por 5 min para fora do elevador</li>
	</ol></li></ol> 3. Exemplo de sistema de resfriamento e a calibração de temperatura Nota: A amostra refrigerar cenografia é mostrada na complementar Figura 2.
<ol><li>Fazendo o circuito controlador para refrigeração de amostra <ol><li>Coloque os resistores, transistores de junção bipolar e transistores de efeito de campo de óxido de metal de poder na placa de circuito personalizada seguindo o diagrama de circuito da complementar Figura 3 . Todos esses componentes com ferro de solda de solda.</li>
		<li>Fios de conexão entre a porta de controle da placa de circuito e a placa de controle eletrônico. Ligue os fios entre a porta de saída da placa de circuito e resfriamento termoelétrico (TEC) elemento. Coloque o elemento TEC no palco a amostra com o calor a afundar-se. 
		&#8203; Nota: TEC o elemento tem um buraco no centro para permitir que o feixe de laser passar.</li>
		<li>Fios de conexão da placa de circuito para 5 V de alimentação. Use a câmera infravermelha prospectiva para monitorar a temperatura para verificar se o resfriamento termoelétrico é corretamente refrigerar para baixo.</li>
	</ol></li> <li>Calibração da temperatura medida na prospectivas câmera e resistência temperatura detector (IDT) termômetro infravermelho.
	<ol><li>Coloque o Termómetro RTD em uma lamela em branco e aplique uma pequena quantidade de pasta térmica para assegurar o adequado contato térmico entre o Termómetro RTD e lamela.</li>
		<li>Alterar o ajuste da potência de saída do circuito de controle eletrônico para elemento TEC, alterando o ciclo de trabalho de configuração de modulação de largura de pulso e esperar por 3 min certificar-se de que atingir a temperatura de estado estacionário. Leia a temperatura com o termômetro de IDT.</li>
		<li>Vez na câmera infravermelha olhando para a frente e monitor da temperatura. Repita isto em várias configurações de potência de saída para obter a curva de calibração de temperatura. Uma curva de calibração de temperatura representativa é mostrada na Figura complementar 4. 
		Nota: É fundamental fazer calibração entre RTD termômetro e a câmera de infravermelha olhando para a frente porque a leitura da temperatura da câmara de infravermelha voltada para o futuro deve ser exactos para garantir a temperatura correta é alcangada.</li>
	</ol></li></ol> 4. Interceptação de micropartículas de <ol><li>dilua micro partículas de poliestireno do diâmetro 2 µm em água deionizada em um microcentrifugetube de relação volume apropriado. 
	Nota: A concentração de micro partículas pode ser ajustada de acordo com o objetivo do experimento. Enquanto menor concentração permite um intervalo de tempo de amostra entre eventos de armadilhagem única partícula, maior concentração encurtará o tempo para a captura de partículas múltiplas. Para a captura de partícula única, uma concentração típica é ~0.05% (w/v).</li>
	<li>Colocar a amostra com a matriz nanoplasmonic no palco e ligar um 470 nm LED como fonte de luz de fluorescência e definir manualmente a potência de 5 mW para a imagem latente de campo brilhante.</li>
	<li>Use o marcador para localizar a matriz nanoplasmonic, alinhe a amostra e usar a câmera do CCD para certificar-se de que a matriz está no centro da região de interesse na tela do computador.</li>
	<li>Dispense 10 µ l das diluídos micro partículas de diâmetro 2 µm na amostra com uma pipeta micro.</li>
	<li>Ligar a alimentação em corrente para o diodo de nm de comprimento de onda 980 para excitar a ressonância plasmônico da matriz com um poder no intervalo ~ 1 mW a 10 mW.</li>
	<li>Manualmente, ligue a fonte de alimentação para a placa de controle eletrônico para resfriar a amostra para um estado constante de temperatura ~ 4 ° C.</li>
	<li>No software visualizador, clique o &#34; gravar vídeo &#34; sequência para abrir a caixa de diálogo de gravação. Clique o &#34; registro &#34; botão para iniciar o vídeo 1.5 do movimento das partículas de micro, com uma taxa de quadros de 10 quadros/s de gravação da amostra sob a influência do feixe de laser, usando a câmera do CCD. Clique o &#34; parar de &#34; o botão para parar a gravação. Veja o vídeo 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>

Os autores não têm nada para divulgar.

O procedimento descrito aqui permite que o leitor reproduzir confiantemente armadilhas em uma base diária. Uma orientação empírica geral para projetar um lattice ótico utilizável é usar um tamanho comparável para plasmônico nanoarray, distância interdisc e preso o tamanho de partícula. Comparado a um nanostructure plasmônico único, isolado, o projeto de estrutura óptica em conjunto com a alta potência óptica proporcionada pelo resfriamento da amostra a ~ 4 ° C, usado aqui grandemente aumenta a probabilidade de intercepta...

A captura óptica de partículas micro escala foi originalmente desenvolvida por Arthur Askin na década de 1970. Desde a sua invenção, a técnica foi desenvolvida como uma ferramenta versátil para micro e nanomanipulação1,2. Convencional óptico prendendo com base no campo distante focar princípio inerentemente é limitada pela difração em seu confinamento espacial, onde a força de armadilhagem diminui drasticamente (seguir um ~umalei de3 de uma partícula de raio um) 3. para superar tais limites de difração, pesquisadores desenvolveram técnicas de armadilhagem óptica de campo próximo, com base no campo evanescente óptico usando nanoestruturas metálicas plasmônico e, além disso, a captura de nanoescala objetos para baixo para moléculas de proteína única tem sido demonstrada4,5,6,7,8,9,10,11. Além disso, o retículo óptico plasmônico é criado a partir de matrizes de nanoestruturas plasmônico periódicas para conferir o transporte de longo alcance do micro e nanopartículas e múltiplas partículas empilhamento11,12. Um grande obstáculo para interromper a captura em um lattice ótico é convecção fototérmicos e foram envidados esforços para elucidar seus efeitos por vários grupos14,15,16,17. Usando a função de Green, Baffou et al ter calculado um perfil de temperatura por cada nanostructure plasmônico como um aquecedor de ponto de modelagem e então experimentalmente validados seu modelo14. Grupo do Toussant também mediu a convecção induzida por plasmon com partícula velocimetry15. Grupo do autor também tem caracterizado o transporte campo próximo e convecçao e demonstrou uma estratégia de engenharia para suprimir originando convecção16,17.
Aqui apresentamos o projeto de uma instalação de ótica e um procedimento detalhado especificamente para experimentos de armadilhagem plasmônico retículo óptico. O potencial óptico foi criado por iluminando uma matriz de ouro nanodiscs com um feixe gaussiano vagamente concentrado. Um esquema para suprimir a convecção originando pelo resfriamento da amostra a uma temperatura baixa (~ 4 ° C) para a captura ideal é também descrever aqui17. Sob a aproximação de Boussinesq, uma ordem de magnitude estimada da convecção natural velocidade u é dada por u ~L2 gβΔT / v, onde L é a escala de comprimento da fonte de calor e Δ T é o aumento de temperatura em relação a referência devido ao aquecimento.  g e β são a aceleração gravitacional e coeficiente de expansão térmica, respectivamente. Em temperaturas perto de 4 ° C, a densidade do meio de água apresenta dependência de temperatura anômalas e isso se traduz em um coeficiente de expansão térmica próximo de zero e, portanto, uma convecção originando muito pequeno.

<table><tbody><tr><td>Elemento de resfriamento termoelétrico</td><td>Thorlabs</td><td>TEC 1.4-6</td><td>Elemento TEC para resfriamento de amostras</td></tr><tr><td>Termômetro RTD</td><td>Omega Engineering</td><td>RTD Termômetro 969C</td><td></td></tr><tr><td>Câmera infravermelha voltada para o futuro</td><td>FLIR&nbsp;</td><td>FLIR Uma</td><td>câmera IR para monitoramento de temperatura</td></tr><tr><td>fonte de luz de diodo emissor de luz</td><td>Touchbright</td><td></td><td>Fonte de luz para iluminação para imagens fluorescentes</td></tr><tr><td>Objetiva de longa distância de trabalho Olympus</td><td></td><td>LMPLFLN</td><td>Para iluminar a amostra e a imagem</td></tr><tr><td>Kit de armadilha óptica</td><td>Thorlabs</td><td>OTKB/M</td><td></td></tr><tr><td>Espessura da lamínula</td><td></td><td></td><td>0,17 mm</td></tr><tr><td>Microscópio eletrônico de varredura</td><td>Hitachi</td><td>SEM-Hitachi S3400N</td><td></td></tr><tr><td>Blanker de feixe de elétrons</td><td>DEBEN</td><td>PCD blanker de feixe</td><td>O blanker é adicionado ao microscópio eletrônico de varredura&nbsp;</td></tr><tr><td>Evaporador</td><td></td><td></td>térmico <td>Tecnologia SYSKEY</td></tr><tr><td>Alinhador de máscara</td><td>Karl Suss</td><td>MJB 3</td><td>Para fabricação de marcadores</td></tr><tr><td>Resistência a feixe de elétrons</td><td>Sigma Alrich</td><td>PMMA 120K</td><td>Para litografia de feixe eletrônico</td></tr><tr><td>Resistência a feixe de elétrons</td><td>Sigma Alrich</td><td>PMMA 960K</td><td>Para litografia de feixe eletrônico</td></tr><tr><td>Microesferas de poliestireno marcadas com fluoresent</td><td>Policiência</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Quantidade de transistor bipolar</td><td>Mouser</td><td>2N3904</td> de 2 de diâmetro <td>2 para circuito de driver TEC</td></tr><tr><td>Transistor bipolar</td><td>Mouser</td><td>2N3906</td><td>quantidade 2 para circuito de driver TEC</td></tr><tr><td>Transistor de potência MOSFET</td><td>Quantidade de IRF5305 Mouser</td><td></td><td>2 para circuito de driver TEC</td></tr><tr><td>Transistor de potência MOSFET</td><td>Quantidade de IRF131ON Mouser</td><td></td><td>2 para circuito de driver TEC</td></tr><tr><td>Quantidade de Mouser de resistor de 10 kOhm</td><td></td><td>6 para circuito de driver TEC</td>Resistor de 910 Ohm Quantidade de Mouser 2 para circuito de driver TEC Microquímicos fotorresistentes AZ4620 Para fabricação de marcadores Acetona Sigma Alrich Para fabricação de marcadores Módulo de fluorescência para OTKB/M, Roscas Métricas Thorlabs OTKB-FL/<td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td> Conjunto</td> de filtros fluorescentes M <td></td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>MDF-FITC</td><td>para isotiocianato de fluoresceína (FITC)</td></tr><tr><td>Limpador ultrassônico</td><td>Delta</td><td>DC150H</td><td>Para a etapa de decolagem</td></tr></tbody></table>

captura de micro partículas em lattice ótico nanoplasmonic

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

A Pinça óptica plasmônico foi desenvolvida para superar os limites de difração da pinça óptica convencional de campo distante. Plasmônico óptica treliça consiste de uma matriz de nanoestruturas, que exibem uma variedade de armadilhas e comportamentos de transporte. Nós relatamos os procedimentos experimentais para capturar micropartículas em um lattice ótico nanoplasmonic quadrado simples. Também descrevemos a configuração óptica e a nanofabricação de uma matriz de nanoplasmonic. O potencial óptico é criado por iluminando uma matriz de nanodiscs de ouro com um feixe gaussiano de 980 nm comprimento de onda e ressonância de plasmon emocionante. O movimento das partículas é monitorado por imagens de fluorescência. Um esquema para suprimir originando convecção também é descrito para aumentar a potência óptica utilizável para interceptação de ideal. Supressão da convecção é alcançado pelo resfriamento da amostra a uma temperatura baixa e utilizando o coeficiente de expansão térmica próximo de zero de um meio de água. Tanto transporte de partícula única e múltiplas armadilhas de partícula são relatados aqui.

Trajetórias de partícula única foram gravadas por uma câmera CCD na nossa experiência e as imagens foram processadas com um programa personalizado para extrair trajetória16 do cada partícula. Resultados representativos são exibidos na Figura 3 e 1 vídeo para microesferas com diâmetros de 2 µm. foram observadas várias armadilhas de partícula dentro lattice ótico. Imagens sucessivas, extraídas de um vídeo de representati...

Descrevemos um procedimento para interceptar opticamente micropartículas em nanoplasmonic lattice ótico.

Captura de Micro partículas em Lattice ótico Nanoplasmonic

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

O objetivo geral deste experimento é demonstrar como aprisionar micropartículas com redes ópticas plasmônicas utilizando uma técnica que suprime a convecção fototérmica. A característica principal desta técnica é o uso de uma matriz de nanoestruturas plasmônicas para aumentar a eficiência do aprisionamento. Além disso, utilizamos uma propriedade única da água, o coeficiente de expansão térmica de 0% em baixas temperaturas, para suprimir a convecção fototérmica.Demonstrará este procedimento Dinesh Bhalothia, um estudante de pós-graduação do meu laboratório. A montagem do experimento baseia-se em um kit de pinças ópticas. Este kit de pinças ópticas modificado, com um módulo de fluorescência, está pronto sobre uma placa de montagem.Um LED e um laser de diodo fornecem luz para fluorescência e manipulação. Espelhos direcionam a luz através de uma lente objetiva. O objetivo focaliza a luz em uma plataforma de amostra que também serve como dissipador de calor.Uma câmera CCD captura imagens da amostra. Esses elementos são mais evidentes neste esquema. Um LED azul de 470 nanômetros é a fonte de luz para o módulo de fluorescência.Um diodo a laser de 980 nanômetros fornece luz a laser com foco difuso para manipulação. A lente é uma objetiva de microscópio com longa distância de trabalho. A atividade na platina da amostra é registrada por uma câmera CCD.Ligue a fonte de alimentação e a corrente para o diodo laser de 980 nanômetros. Utilize a câmera CCD para verificar o alinhamento do feixe laser. Se o feixe estiver bem alinhado, a imagem da câmera será um ponto gaussiano.Desligue o laser para as próximas etapas. Um aspecto importante da montagem é o sistema de refrigeração. A platina da amostra é um dissipador de calor projetado para acomodar um refrigerador termoelétrico.Trabalhe com a eletrônica do sistema para se preparar para adicionar o refrigerador termoelétrico. Há um circuito controlador personalizado para este experimento. Faça as conexões entre o circuito controlador e a placa de controle eletrônico.Em seguida, obtenha um elemento de refrigeração termoelétrica que se encaixe na platina da amostra e que tenha um orifício para permitir a passagem do feixe de laser. Conecte a saída do circuito driver ao elemento de refrigeração termoelétrica. Mova o elemento de refrigeração para a platina da amostra.Antes de continuar, conecte o circuito do driver a uma fonte de alimentação de cinco volts. Para monitorar a temperatura, utilize uma câmera infravermelha de visão frontal e verifique se o sistema está resfriando adequadamente antes de prosseguir. Para isso, use uma unidade de termômetro de resistência e seu sensor.Inicie com o sensor sobre uma lamínula de vidro. Transfira o sensor e a lamínula para o estágio da amostra. Aplique uma pequena quantidade de pasta térmica para garantir o contato térmico.Ali, coloque o conjunto em contato com o estágio. Nos controles, ajuste a potência do elemento de refrigeração termoelétrico. Após três minutos, leia a temperatura utilizando o termômetro com detector de temperatura por resistência.Além disso, registre a temperatura com a câmera infravermelha de visão frontal. Repita essas duas medições em vários níveis de potência de saída para obter uma curva de calibração de temperatura semelhante a esta. A calibração é essencial.Antes de prosseguir, desligue a alimentação do refrigerador termoelétrico. O elemento final da montagem é o arranjo nanoplasmônico. A lamínula possui um arranjo fabricado sob medida e está pronta para ser montada no experimento.Esta imagem do microscópio eletrônico de varredura da matriz fornece mais detalhes. Trata-se de uma matriz de aproximadamente 16 micrômetros quadrados, composta por 22 por 22 nanodiscos de ouro. Cada nanodisco possui uma espessura de 40 nanômetros e um diâmetro de 550 nanômetros.A distância entre os centros dos discos é de 750 nanômetros. Coloque a lamínula com o arranjo nanoplasmônico sobre a platina da amostra. Ela deve estar em contato com o refrigerador termoelétrico.Em seguida, prepare a fonte de luz. Ligue a fonte de luz fluorescente e ajuste a potência para cinco miliwatts para a imagem em campo claro. Monitore a imagem CCD enquanto manipula a lâmina.Use o marcador na lâmina para localizar e alinhar a matriz. Certifique-se de que a matriz esteja no centro da região de interesse na tela do computador. Agora, passe para a amostra do experimento.É uma mistura de duas partículas de poliestireno com diâmetro micrométrico em água desionizada. Utilize uma micropipeta para dispensar 10 microlitros sobre a lâmina com nanoarray. Prossiga até a fonte de alimentação do diodo a laser de 980 nanômetros.Ligue-o para excitar a ressonância plasmônica da matriz. Em seguida, ajuste a fonte de alimentação do sistema de refrigeração para atingir uma temperatura de quatro graus Celsius. Por fim, inicie a gravação em vídeo das micropartículas com a câmera CCD.Este é um exemplo do vídeo gravado durante um experimento com duas esferas de poliestireno de um micrômetro. A potência óptica do laser de comprimento de onda de 980 nanômetros utilizada para excitação de ressonância plasmônica é de cinco miliwatts. Observe que as partículas se agrupam em uma estrutura hexagonal, compactada.Essas imagens fixas mostram o acúmulo de micropartículas aprisionadas ao longo do tempo. Novamente, a estrutura de empacotamento fechado hexagonal é evidente. Imagens como essas podem fornecer dados para produzir um gráfico do número de micropartículas aprisionadas em função do tempo.Essas cinco curvas coloridas são exemplos de trajetórias de micropartículas que podem ser extraídas do vídeo gravado utilizando técnicas de processamento de imagens e o algoritmo de centróide. A barra de escala representa dois micrômetros. O procedimento descrito aqui permite que um pesquisador reproduza o aprisionamento diariamente.Ao tentar realizar este procedimento, é importante lembrar-se de usar a câmera infravermelha para monitorar a temperatura da amostra e evitar a sua ruptura. Após seu desenvolvimento, esta técnica abriu caminho para pesquisadores na área do aprisionamento óptico estudarem uma classe mais ampla de fenômenos de transporte em redes ópticas plasmônicas. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como realizar o aprisionamento óptico com a rede óptica plasmônica,

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

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