Оптический захват наночастиц

Краткое содержание

Следующие настройки подход подробности малой мощности оптического захвата диэлектрических наночастиц с использованием двойного nanohole в металлической пленке.

Аннотация

Оптический захват представляет собой метод иммобилизации и манипулирование мелкими предметами в смягченной форме с помощью света, и она была широко применяется в захват и манипулирование небольшой биологических частиц. Ashkin и сотрудники впервые продемонстрировали оптический пинцет с помощью одного сфокусированного пучка ^1. Одна ловушка пучка может быть описано точно, используя пертурбативной формулировке градиент силы в случае малых частиц режима Рэлея ^1. В пертурбативного режима, оптическая мощность, необходимую для улавливания частиц масштабах, как обратно пропорционально четвертой степени от размера частиц. Высокое оптическое полномочий может привести к повреждению диэлектрических частиц и вызывают отопления. Например, в ловушке латекса сферы из 109 нм в диаметре были уничтожены 15 мВт пучка в 25 сек ^1, которая имеет серьезные последствия для биологического материала ^2,3.

Самоиндуцированной обратное влияние (ВНС) оптического захвата была предложена в ловушку 50 нм полистирола сферы внепертурбативной режима ^4. В непертурбативной режима, даже небольшие частицы с малым контрастом диэлектрической проницаемости в фоновом режиме может существенно влиять на окружающих электромагнитных полей и вызывают большой оптической силой. Как частица попадает освещенной апертуры, пропускание света резко возрастает из-за диэлектрических нагрузки. Если частица пытается покинуть диафрагмы, снижение передач приводит к изменению импульса наружу из отверстия и, по третьему закону Ньютона, результаты в силу частицы внутрь в отверстие, улавливая частицы. Пропускание света можно контролировать, а значит, ловушка может стать датчик. Техника SIBA захвата могут быть дополнительно улучшены с помощью двойного nanohole структуры.

Двойной nanohole структура была показана, чтобы дать сильное местное повышение поля ^5,6. Между двумя острыми кончиками дважды nanohole, маленькая частица может вызвать большие изменения в оптических transmissioп, тем самым вызывая большой оптической силой. В результате, меньше наночастицы могут быть захвачены, такие как 12 нм силикатных сфер ⁷ и 3,4 нм гидродинамического радиуса бычий сывороточный альбумин белка ^8. В этой работе, экспериментальной конфигурации используются для захвата наночастиц описана. Во-первых, мы подробно сборки захвата установку, которая основана на Thorlabs оптический пинцет Kit. Далее мы объясним, нанофабрикации процедуру дважды nanohole в металлической пленке, изготовление микрофлюидных камеры и подготовки проб. Наконец, мы подробно процедура сбора данных и обеспечивают типичные результаты для улавливания наносферы 20 нм полистирола.

Протокол

Принцип технику захвата SIBA показано на рисунке 1. Рисунок 2 представляет собой схему экспериментальной установки.

1. Оптический установки треппинга

Для этой части процедуры, обратитесь к оптическим комплект захвата руководства ⁹ или оптическая сила измерительного модуля руководства ¹⁰ для информации о настройке комплектов. Обратите внимание, что лавинного фотодиода (APD) используется вместо детектора позиции квадранта. Для винтов не входит в комплект оптического захвата, используйте те, в колпачок и аппаратного комплекта (Thorlabs, HW-KIT2). Защита глаз следует носить все время, когда лазер включен. Убедитесь, что луч, содержащиеся в безопасный район и отражающий аксессуары, такие как ювелирные изделия, следует избегать. Кроме того, защиту от электростатического разряда целесообразно при работе с лазерными диодами.

1. Установка оптического пинцета комплект (Thorlabs, OTKB / M) и силой измерениярений модуль (Thorlabs, OTKBFM) в соответствии с их соответствующих руководствах. Кремниевых лавинных фотодиодов (APD) (Thorlabs, APD110A) используется вместо измерения силы модуля (Thorlabs, OTKBFM) квадрант датчик положения.
2. Подключите APD на осциллограф (Tektronics, TDS1012) через коаксиальный кабель.
3. Добавить полуволновой пластинки (Thorlabs, AHWP05M-980) внутри расширителя пучка. Полуволновой пластинки крепится между двумя объектива трубы (Thorlabs, SM1L03).

2. Nanofabrication

1. Вырезать с золотым покрытием тест слайд (EMF Corp, Cr / Au) на четыре одинаковых кусков. В качестве альтернативы коммерчески доступны слайды, мы также использовали толщиной 100 нм Au фильм с 2 нм Ti адгезии слоя, нанесенного по электронной лучевого осаждения на 1 квадратный дюйм предметное стекло при повышенной температуре подложки 200 ° C в течение по крайней не менее 1 часа. Это приводит к гладкой поликристаллической пленки.
2. Создание растрового изображения с двойным nanohole структуры качестве входных данных длясфокусированного ионного пучка (FIB) система растрового изображения. Изображение состоит из двух твердых кругах, 160 нм в диаметре, с центром в центре расстоянии 190 нм. Этот шаблон создает чаевые разделения около 15 нм. Между кругами, дополнительно тонкие линии могут быть размещены для удаления остатков металла между советами. Рис.3 показан пример изображения растрового изображения.
3. Изготовление двойного nanohole структуры с помощью FIB (Hitachi, FB-2100) фрезерные системы. Преобразование растрового изображения в шаге 2.2 в шаблон FIB фрезерования (темная область в растровом получает измельченный на FIB). Использование ионных ускоряющее напряжение 40 кВ, луч предельного отверстия диаметром 15 мкм до 60 увеличением K раз. Mill восемьдесят проходит для каждого двойного nanohole с 5 мкс дозу время на каждом проходе. Рис. 3б показан типичный результате структура. Повторять по мере необходимости. Несколько наноотверстий должны быть сделаны, чтобы учесть ошибки.
4. Добавить регистрация маркеры, либо с помощью FIB и / или чи указать примерное расположение двойной nanohole (ы).
5. При необходимости, принимать изображение SEM из отверстия точно оценить качество структуры и чаевых разделения.

3. Микрофлюидных палата

Технологическая схема изготовления микрофлюидных камеры показано на рисунке 4.

1. Залить 10 г полидиметилсилоксана (PDMS) базы (Dow Corning Канада, Sylgard 184 Силиконовый эластомер Base) и дополнительно 1 г отвердителя (Dow Corning Канада, Sylgard 184 Силиконовый эластомер отвердителя) в одноразовые чашки. Смешайте в течение нескольких минут.
2. Эвакуировать смеси в вакуумную камеру, пока все пузырьки ушли.
3. Залить 1,5 г PDMS на 9 см блюдо диаметром Петри. Спин слой PDMS на дне чашки Петри при 950 оборотов в минуту в течение 65 сек. Рис. 4, б показан результат. Толщина не является критическим, пока он находится под 80 мкм; золотая пленка находится в нижней микроскопом объективностирабочая е 'расстояние.
4. Аккуратно место 3-5 # 1.5 покровные (Fisher Scientific, 12-541-B) на PDMS, что они не пересекаются и эвакуироваться в течение 30 мин, как показано на рисунке 4с.
5. Если покровные переехал и сложены друг на друга во время эвакуации, мягко перемещать их друг от друга. Внимание должно быть принято, чтобы держать PDMS под покровные тонким и равномерным.
6. Если манипуляция покровные было необходимо, эвакуировать чашки Петри снова в течение 30 мин.
7. Убрать чашку Петри с вакуумной камерой и варить на плите в течение 20 мин при 85 ° C.
8. С помощью лезвия бритвы, вырезать одну из крышки скользит затем аккуратно приподнимите слайд, используя тонкий пинцет чаевых. Тонким слоем PDMS будет оставаться на покровное как PDMS больше клея на скольжение стеклянной крышкой, чем PMMA блюдо Петри как показано на рисунке 4e.
9. Вырежьте 3 х 3 мм окном в PDMS с лезвием бритвы, как на рисунке 4F. Это окно лягут в камеру, где пanoparticle решение будет сохранен.

4. Подготовка проб

1. Изготовление предметное стекло микроскопа с ¾ "диаметр отверстия в центре использованием акрила. Это может быть достигнуто с лазерным резаком. Другие материалы могут быть использованы как хорошо. Золотом образец будет помещен внутрь отверстия.
2. Лента окружности отверстия с двухсторонней ленты. Используйте лезвие, чтобы сократить избыток ленты.
3. Место стекло микроскопа на покровное, PDMS лицевой стороной вверх.
4. Разведите раствор полистирола наносферы (Thermo Scientific, 3020A) с 1% вес / объем до 0,05% вес / объем использованием деионизированной воды. Микропипетки могут быть использованы.
5. Добавить несколько капель раствора в окно PDMS. Добавить падение на золото образца, где наноотверстий находятся.
6. Место золота образца в покровные, что наноотверстий находятся внутри окна PDMS. Убедитесь, что пузырьков нет внутри камеры. Нажмите золото проба против покровное и промокните излишки раствора.
7. При использовании объективного нефти погружения (как в данном случае, но не обязательно), добавить каплю иммерсионного масла на противоположной стороне покровного стекла, под окном PDMS. Обратите внимание на расположение наноотверстий.
8. Вставьте стекло микроскопа в держатель слайдов, нефть вниз, а затем опустите держатель слайдов до погружения нефти вступает в контакт с объектива микроскопа.
9. Примерно выровнять слайд этапе такая, что индикатор знаки под цели.
10. Следите линий индикатора, ведущих к наноотверстий. Позиция слайд такое, что индикатор знаки и другие открытые участки очищаются от центра экрана. Чрезмерное пропускания света может привести к повреждению APD.
11. Включите лазер. Как зеркальные не совершенен, место недалеко от центра экрана от лазерного луча должна появиться.
12. С помощью программного обеспечения управления этапе пьезо, дальнейшего совершенствования выравнивание по всем трем осям.

5. Сбор данных

1. С Хельр показателя знаки, положение месте рядом с известным местоположением nanohole. Наноотверстий будет слишком мала, чтобы быть решены и должны появляться только в виде пятен.
2. Пропускание света через образец указывается уровень сигнала на экране осциллографа. Дальнейшее выравнивание образца, чтобы максимизировать пропускание света. Будьте осторожны с показателем знаков и видимых и невидимых царапин, как светопропускание будет высока в этих областях. Наноотверстий покажет резких скачков пропускания света в то время как царапины имеют более постепенных изменений.
3. Использование Фазовые пластины, отрегулируйте поляризации света для высокой светопроницаемости, как дважды nanohole структуры поляризованы.
4. Чтобы свести к минимуму шум, построить RC фильтр с макета, 200 кОм, резистор и конденсатор 100 пФ и подключить его после APD через коаксиальный кабель. Эти значения могут быть скорректированы для лучшей производительности, с учетом пропускной способности сбора данных требуется.
5. Подключите осциллограф и данные Acquisition модуль (Omega, USB-4711A) с фильтром RC с коаксиальным кабелям и Т-адаптером.
6. Попробуйте напряжения APD с помощью модуля сбора данных в течение требуемого времени. Приобретение раз, как правило, в сотни секунд. В этом случае пользовательский пакет программного обеспечения был использован для сбора данных. Напряжение дискретизации 2000 раз в секунду.
7. Использование Matlab, фильтровать полученные данные использованием Савицкого-Голея фильтр и построить ее в зависимости от времени на графике.

Результаты

Типичный след приобретение показано на рисунке 5а. Захват событий характерно внезапное, с острым краем, показывая четкую переключение между двумя уровнями мощности передачи. Как частиц подлежат броуновского движения, захвата события будут происходить случайным образом. За 20 нм частиц, передачи изменений от захвата были обычно около 5-10% и захвата раза, около 10-300 сек. Типичное время для достижения захвата событий за власть и концентрация указанных выше на порядок минуту. Из-за стерических затруднений это редкость увидеть несколько захвата частиц одновременно, хотя, как только частица освобожден, он, как правило, с последующей захвата событий. В зависимости от качества результатов, может быть некоторое увеличение шумового сигнала в ловушку государства. Этот шум увеличение происходит от броуновского движения частиц в ловушке. Без захваченных частиц, этот источник шума нет.

_content "> Некоторые артефакты могут появляться в результатах, которые не являются показателем захвата событий. результаты, показывающие, дрейфующие, медленные изменения в передаче в течение минуты, как показано на рисунке 5б, должны быть отброшены. Другие артефакты могут также присутствовать такие как несогласованные изменения передач, чрезмерный шум или нет захвата на всех. Например, пузырьки могут привести к разрывным скачков интенсивности, если не соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что камера без пузырьков. Эти пузырьки будут по-разному реагировать на захват событий в терминах динамического поведение и изменение интенсивности, и поэтому они легко идентифицируются. Такие симптомы могут быть вызваны плохой дважды nanohole структуры, загрязнений или механических колебаний. тихо, низкой активностью настройки рекомендуется размещать эту установку. Кроме того, позволяющие лазерных и этапе решить несколько минут после выравнивания может помочь также.

s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/>
Рисунок 1 субволновых апертурой оптической передачи: а) без частицы, б) увеличение передачи из-за диэлектрических частиц, в) Если частица попытки уйти, снижение импульса света (T) вызовет силы (F) на частицу, чтобы. вытащить его обратно в дыру, г) красное смещение кривой пропускания вызвано частиц, что приводит к изменению передачи t.

На рис. 2) Общая схема захвата установку, расширение красный круг показано в пункте б), б) расширение показывает двойной nanohole, и наносферы в PDMS камеры, в) SEM изображение двойной nanohole структуры. Сокращения, используемые: LD = лазерного диода; ODF = оптическая плотность фильтра; HWP = полуволновой пластинки; BE = расширитель пучка; MR = зеркало, MO = объектива микроскопа; О.И. MO = нефти погруженийния объектива микроскопа; DH = двойной nanohole; APD = лавины фотоприемника.

Рисунок 3) Пример растрового рисунка используется в изготовлении FIB;. Б) изображений СЭМ дважды nanohole.

Рисунок 4. Диаграмма процесса изготовления микрофлюидных камеры.

Рисунок 5. (А) Типичные приобретение захвата события с 20 нм сферы полистирола. (Б) бедным приобретения показывает острую дрейфующей.

Обсуждение

В настоящее время установка имеет эффективные возможности захвата благодаря структуре nanohole. Это nanohole ловушки ~ 10 нм масштабе диэлектрических частиц при низкой оптической интенсивности. Другие новые оптические ловушки включают оптических дипольных антенн ^11, шепчущей галереи в режиме оптические резонаторы и волноводы ^{12,13 14;} однако, они обычно работают в пертурбативного режима, который ограничен обратной четвертой масштабирования порядке необходимой оптической мощности по сравнению с частицей размера, в отличие от SIBA и дважды nanohole ловушку. Альтернативные формы диафрагмы также были представлены для захвата, такие как прямоугольные плазмонных нанопор ^15. Другие благоприятных качеств показал двойное nanohole ловушки включают размер частиц-селективные поведения ^7, в одном месте захвата (чтобы ограничить многочастичных захвата) и простота изготовления ^16. В качестве альтернативы использованию FIB, дважды наноотверстий могут быть изготовлены с использованием коллоидного литографияУ ^6.

Захват биологических материалов больших размеров поляризуемости и включает бактерии, ^3, живые клетки ^17,2,18, вирус табачной мозаики ³ и манипуляции и растяжение нитей ДНК привязанным на конце с большим диэлектрических частиц ^19; однако, прямого захвата меньше биологических образцов без модема остается сложной. Этот захват конфигурация способна улавливать мелкие частицы диэлектрика в нижней интенсивности света, чем обычные пинцета светом и круговой nanohole, что позволяет небольшим биологических частиц, которое состоится в течение длительного периода времени без повреждения или модема. Кроме того, захват события демонстрируют высокое отношение сигнал-шум позволяет это настройка для работы в качестве чувствительного датчика и определять наименьшую биологические частицы, такие как вирусы и белки. В самом деле, 20 нм сферы полистирола имеют показатель преломления 1,59, что сопоставимо с наименьшим биологических частицтаких как вирусы. Этот метод может стать надежной и зрелой техникой для иммобилизации и манипулирования наночастицами, в том числе биологических частиц.

Применение этой техники включают интеграцию в микрофлюидных окружающей среды. Вместо одного микрофлюидных камеры, канал будет использоваться для динамического контроля окружающей среды, идеально подходит для преломления зондирования индекса. Такие установки будут установлены в одном микрофлюидных чипов приведет к более стабильной и надежной установки и быстрого анализа растворенных веществ. Другим вариантом является разработка схемы обнаружения флуоресценции для характеристики одного люминесцентными метками вирусов, полупроводниковых квантовых точек и зеленого флуоресцентного белка. Эта установка также имеет потенциал для внесения изменений в биосенсора для одного вируса или белка, что позволяет очень маленькие образцы для анализа. Разработка лекарств ²¹ и болезнями и инфекциями обнаружения ²² выиграли бы от одного детектора белка. Комбинационного спеctroscopy может быть включено для обнаружения сигналов комбинационного частиц и одного обязательного мероприятия. Двойной nanohole структура позволяет сильного местного усовершенствования поля на советы, подходящие для чаевых повышенной спектроскопии комбинационного рассеяния ^23. Весьма специфический без наклеек методом свойств материалов также будет возможно с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния ^24.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Имя	Производитель	Серийный номер	Комментарии
Погружение нефти	Каргиль Labs	16484	Количество: 1
Sylgard 184 Силиконовый эластомер Kit	Dow Corning Канаде		Количество: 1 Содержит как PDMS основы и отвердителя
Золото покрытием слайды теста	EMF Corp	Cr / Au	Количество: 1 Слой Ti адгезии может использоваться также
Нет 1.5 Покровные	Fisher Scientific	12-541-B	Количество: 1
Focused Ion Beam-системы	Hitachi	FB-2100
Портативный модуль сбора данных	Omega Engineering	USB-4711A	Quantity: 1
Линейная стадия	Паркер	4034M	Количество: 1
Лазерный диод руководителя и контролера	Sacher Lasertechnik группы	TEC 120	Количество: 1 Руководство перестраиваемый Литтров лазерная система
Цифровой осциллограф	Tektronics	TDS1012	Количество: 1
20 нм Стандарты наносферы Размеры	Thermo Scientific	3020A	Количество: 1
1 "Крепление объектива	Thorlabs	LMR1	Количество: 1
0,3 "Объектив труб	Thorlabs	SM1L03	Количество: 2
Освоения ND фильтра 4,0	Thorlabs	NE40A	Количество: 1
Алюминиевый Breadboaй	Thorlabs	MB1824	Количество: 1
Лавинный фотодиод	Thorlabs	APD110A	Количество: 1
Цифровой оптический измеритель мощности	Thorlabs	PM100	Количество: 1 Вышло из употребления, другие будут делать
Измерение силы Модуль	Thorlabs	OTKBFM	Количество: 1
Кинематическая Зеркало горе	Thorlabs	KM200-E03	Количество: 1 С ближней ИК Зеркало качество лазерной
Лазерный диод постоянного тока Driver	Thorlabs	LD1255R	Количество: 1
LD1255 оптический Таблица Монтажная пластина	Thorlabs	LD1255P	Количество: 1
Конная Ахроматические полуволновой пластинки	Thorlabs	AHWP05M-980	Количество: 1 690 - 1200 нм
Оптический пинцет Kit	Thorlabs	OTKB / M	Количество: 1 Метрическая или Британская
Сообщение держатель базы	Thorlabs	BA2	Количество: 2
Блок питания	Thorlabs	PS-12DC-американского	Количество: 1
Кабель питания	Thorlabs	LD1255-CAB	Количество: 1
Правый угол плиты	Thorlabs	AP90	Количество: 1
Прямоугольный зажим сообщение	Thorlabs	RA90	Количество: 1
Нержавеющая сталь Оптический сообщение	Thorlabs	TR3	Количество: 1
Таблица Clamp	Thorlabs	CL1	Количество: 2 Вышло из употребления, другие будут делать
Тепловой датчик	Thorlabs	PM210	Количество: 1 Для цифровой измеритель оптической мощности
100 пФ конденсатор			Количество: 1 Любой бренд, не критично
200 кОм резистора			Количество: 1 Любой бренд, не критично
Акриловый лист			Количество: 3 "х 1" Любой бренд, не критично
Ассортимент коаксиальные кабели, провода и разъемы			По мере необходимости
Макетировать			Количество: 1 Любой бренд, не критично
Вогнутая линза			Количество: 1 Любой бренд, не критично
Алмазный резак			Количество: 1 Любой бренд, не критично
Двусторонний скотч			Любой бренд, не критично
Бритва			Количество: 1 Любой бренд, не критично
Пинцет			Количество: 1 Любой бренд, тонкой наконечником