Summary
下面的设置方法的详细信息低功耗光阱电介质纳米颗粒使用双金属膜纳米孔中。
Abstract
光学诱捕法是一种技术，固定和操纵一个温和的方式利用光的小物件，它已被广泛地应用在小生物粒子的捕获和操纵。 ashkin和同事首次证明光镊，使用一个单一的聚焦束1。单光束陷阱可以准确地描述微扰制定梯度力的情况下，小瑞利制度粒子1。以微扰制度，所需的光功率，用于捕集作为逆第四电源的粒径的颗粒尺度。高光功率可能会损坏电介质颗粒，并产生热量。例如，被困乳胶球的直径为109纳米摧毁了一个15兆瓦的光束在25秒1，严重影响生物物质2,3。
自诱导后行动（SIBA）光学诱捕陷阱，提出了在50纳米的聚苯乙烯小球非微扰政权。在一个非微扰制度，即使小颗粒与小介电常数对比的背景可以影响显着的环境电磁场，产生很大的光力。作为一个粒子进入发光的光圈，透光度显着增加，因为介质加载。如果粒子试图离开的光圈，减少传输从孔导致的变化势头向外，由牛顿第三定律的颗粒向内的力，结果进了洞，捕获的粒子。可以监视的光传输，因此，可以成为陷阱的传感器。 SIBA俘获技术，可以进一步提高使用双纳米孔道结构。
的双纳米孔结构已被证明，给予了有力的局域场增强5,6。两者之间的尖的双纳米孔道，一个小的颗粒可能会导致在光传输中的一个大的变化N，从而引发了大光力。其结果是，更小的纳米粒子可以被捕获，如12纳米硅酸盐球7和3.4纳米流体力学半径牛血清白蛋白的蛋白质8。在这项工作中，用于纳米粒子捕集的实验配置概述。首先，它是基于一个Thorlabs的光学镊子工具包的捕获设置详细的组件。接下来，我们将解释的双纳米孔的金属膜，所述制造的微流体室和样品制备的纳米加工过程。最后，我们详细的数据采集程序，并提供20 nm的聚苯乙烯纳米球捕获的典型结果。
Protocol
SIBA捕集技术的原理的图1中示出， 图2是一个示意性的实验装置。
1。光学捕获设置
在本节中的程序，请参阅的光学捕获试剂盒，手动或光测力模块手册10上设置该工具包的详细信息。请注意，雪崩光电二极管（APD）的一个象限中的位置检测器是用来代替。对于不包括在光学捕获试剂盒的螺丝，使用的帽螺钉和硬件套件（Thorlabs公司，HW-KIT2）。在任何时候，当激光，应佩戴保护眼睛。确保光束都包含在一个安全区，并反射附件，如珠宝，应尽量避免。此外，静电放电保护时，建议处理激光二极管。
- 光镊试剂盒（Thorlabs的，OTKB / M）和力测量urement的模块（Thorlabs公司，OTKBFM）为各自的手册。代替甲硅系的雪崩光电二极管（APD）的（Thorlabs公司，APD110A）的力的测量模块（Thorlabs公司，OTKBFM）的象限位置检测器。
- APD的连接到示波器（Tektronics，TDS1012）通过同轴电缆。
- 添加一个半波板（Thorlabs公司，AHWP05M-980）的扩束器的内部。在半波板被紧固两个透镜之间的管（Thorlabs公司，SM1L03）。
2。纳米加工技术
- 金涂层的测试幻灯片（EMF公司的Cr / Au）切分成四个相同的部分。作为一种替代方法，以市售的幻灯片，我们也与2 nm的钛粘附层沉积到一个1平方英寸的载玻片上，通过电子束沉积在升高衬底温度为200℃，在使用100nm厚的Au膜至少1小时。这将产生一个平滑的多晶膜。
- 作为输入到创建的位图图像的双纳米孔结构聚焦离子束（FIB）系统是一个位图。该图像由两个实心圆直径的中心到中心的距离为190nm，160nm的。此模板创建一个约15纳米的尖端分离。圆之间的，一个可选的细线可以被放置以除去任何残余物中金属之间的提示， 图3a示出一个例子的位图图像。
- 使用FIB（日立，FB-2100）制粉系统，制作出的双纳米孔结构。步骤2.2中的位图转换成一个FIB铣削模式（位图中的黑色区域被研磨的FIB）。使用的离子的加速电压为40千伏，60 K倍的放大倍率下的光束直径为15μm的限制孔。轧机80通过的每个双-纳米孔道的5微秒的剂量时，在每次通过图3b示出了一个典型的所得结构。根据需要重复。多个纳米孔洞应以允许错误。
- 添加登记标记，使用FIB和/或由h和来表示的双纳米孔（）的大致位置。
- 任选地，以孔的SEM图像，准确地评价结构品质和小费分离。
3。微流控商会
用于制造微流体腔室的方法，流程图如图4所示。
- 成一次性杯，倒入10克聚二甲基硅氧烷（PDMS）的基部（道康宁加拿大，Sylgard的184有机硅弹性体中相应的）和一个额外的1克固化剂（道康宁加拿大，Sylgard的184有机硅弹性体的固化剂）。混合几分钟。
- 疏散混合物在真空室中，直到所有的泡沫都没有了。
- 1.5克PDMS倒入一个直径9厘米的培养皿。旋涂PDMS上的陪替氏培养皿的底部，在950 rpm离心65秒， 图4b显示了结果。的厚度不是关键的，只要它是在80微米的金薄膜内的底部显微镜客观性e的工作距离。
- 轻轻地点3-5＃1.5盖玻片（Fisher科学，12-541-B）上的PDMS等，他们不重叠和疏散30分钟， 如图4c所示。
- 如果盖玻片移动，堆叠在彼此顶部疏散，轻轻地移动它们交相辉映。一定要小心，以保持PDMS细而均匀的盖玻片下。
- 如果需要操纵盖玻片，再次撤离培养皿30分钟。
- 从真空室取出培养皿和煮热板上20分钟，于85℃下
- 用刀片，切出一个盖单，然后轻轻地撬起来，用细尖镊子的幻灯片。一薄层的PDMS将留在盖玻片作为PDMS更粘合剂比PMMA陪替氏培养皿在图4e的玻璃盖玻片。
- 如在图4f用剃刀刀片切出的3×3毫米窗口在PDMS。这个窗口将形成室，其中Nanoparticle解决方案将被保留。
4。样品制备
- 制作的显微镜滑动¾“直径的孔的中心处使用丙烯酸。这可以通过用激光切割器，也可以使用其他材料。将被置于内孔的金样品。
- 带的外周的孔与双面胶带。用刀片削减多余的磁带。
- 广场的显微镜载玻片，盖玻片，PDMS朝上。
- 稀释的聚苯乙烯纳米球的溶液（赛默飞世尔科技，3020A）的1％w / v的0.05％w / v的使用去离子水。甲微量吸移管可以使用。
- 的PDMS窗口中的溶液中加入几滴。加入一滴到黄金的纳米孔位于样本。
- 发布金样品的顶部，使得纳米孔洞内的PDMS窗口的盖玻片。确保气泡室内部是不存在的。按金样品，对盖玻片和DAB任何多余的解决方案。
- 如果使用的油浸物镜（如这里的情况，但不是必需的），加一滴浸油的盖玻片的相对侧上，下方的PDMS窗口。请注意的纳米孔洞的位置。
- 显微镜幻灯片插入到幻灯片固定器，油朝下，然后降低幻灯片固定器，，，直到浸油接触的显微镜的物镜。
- 粗略地对准滑动阶段等指标标记下的目标。
- 按照指标线的纳米孔。指示标志和其他开放地区被清除从屏幕中心的位置滑动。过度的光传输可能会损坏APD。
- 打开激光。由于分色镜是不完美的，从激光束的屏幕中心附近的一个点应出现。
- 使用压电阶段控制软件，进一步细化在所有三个轴的对齐方式。
5。数据采集
- 随着HELp的指示标记点的位置，接近到一个已知的纳米孔的位置。纳米孔太小，要解决，应该只出现斑点。
- 在示波器上的信号电平表示的通过样品的光传输。进一步将样品以最大限度地延长光传输。小心指标痕迹，可见和不可见的划痕，因为在这些领域，将高透光。纳米孔将显示光传输的突然跳跃，，而划痕表现出逐步改变。
- 使用波片，调整为最高的光传输的光的偏振作为双纳米孔道结构是极化的。
- 为了降低噪声，建立一个RC过滤器，线路板，200kΩ电阻和100 pF的电容，并将其连接后，APD通过同轴电缆。这些值可以调整为最佳性能，考虑到带宽的数据采集需要。
- 连接示波器和数据申根银行足球比赛的RC过滤器，同轴电缆和T适配器模块（欧米茄，USB-4711A）。
- 品尝APD的电压数据采集模块所需的时间。采集时间通常是在几百秒。在这种情况下，使用一个自定义的软件包进行数据采集。该电压被采样在2,000次每秒。
- 利用Matlab，使用Savitzky-Golay滤波过滤器采集的数据，并绘制随时间变化的图。
Representative Results
图5a中所示的一个典型的收购跟踪。一个诱捕事件是典型的突发性，用锋利的边缘，呈现出明显的两个传输功率电平之间切换。由于粒子的布朗运动，诱捕事件是随机发生的。对于20纳米的颗粒，从捕获的透光度的变化通常约为5-10％，诱捕倍，约10-300秒。实现上文所述的电源和浓度捕集事件的典型时间是一分钟的时间上的顺序。由于空间位阻的情况是很罕见的同时看到多个微粒收集，虽然一度被释放的粒子，它通常随后由后续的捕获事件。根据质量的结果，也有可能是一些被困的状态信号中的噪声增加。这种噪声的增加来自捕获粒子的布朗运动。如果没有捕获粒子，这种噪声源是不存在的。
_content“有些项目可能出现的结果是不捕获事件表示漂流，缓慢变化的传输分钟过了一段如图5b所示的结果，应该被丢弃。其他文物可能还存在不一致的透光度的变化，过度的噪音或没有捕获。例如，泡沫可能会导致不连续的强度跳跃，如果不小心，以确保，室无气泡，这些气泡会做出不同的响应动态的捕获事件行为和强度的变化，所以他们很容易被识别。这种症状可能是由一个贫穷的的双纳米孔结构，污染物或机械振动。一个安静，低活性的设定，强烈建议把这个设置。此外，允许激光和解决几分钟后，调整的阶段，也能有所帮助。s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg“/>
图1。亚波长孔光传输：a）无颗粒; b）增加由于传输介质颗粒，C）如果颗粒企图离开，将导致力（F）的粒子，以减少光的动量（ΔT）拉回来入孔;四）红色移由粒子引起的透射率曲线，导致在传输ΔT的变化。
图2 a）总体示意图捕集设置，扩大红色圆圈所示在b）中，b）扩大示出的双纳米孔，和内部的纳米微球的PDMS室;三）的双纳米孔结构的SEM图像。使用的缩略语：LD =激光二极管，ODF =光密度过滤器; HWP =半波片; BE =扩束; MR =镜MO =显微镜的物镜，OI MO =油浸没锡安显微镜的物镜DH =双纳米孔; APD雪崩光电探测器。
图3）用于在FIB中制造的实施例的位图图; b）在SEM图像的双纳米孔。
图4制造的微流体腔室的工艺图。
图5（a）典型的捕获事件与20纳米的聚苯乙烯小球的收购。 （二）一个贫穷的收购显示急性漂流。
Discussion
目前设置有有效的捕获能力，由于纳米孔结构的。这种纳米孔的陷阱〜10纳米级的介电粒子在低光强。其他新型光陷阱包括光偶极天线11，回音壁模式光学谐振器12,13和波导14，但是，他们通常工作在微扰的制度，这是有限的逆所需的光功率与粒子的的四阶缩放的大小不同的SIBA和双纳米孔的陷阱。替代孔径形状也被用于捕集，诸如矩形的电浆纳米孔15。由双纳米孔道陷阱所示的其他有利的素质包括粒径选择性行为7，一个单一的捕集位置（限制多粒子捕集），并易于制造16。作为一种替代使用FIB，双纳米孔可以使用的胶体石版画制作Y 6。
包括生物材料的大的极化率和大小已俘获细菌3，活细胞，烟草花叶病毒3 17,2,18和操纵和拉伸拴在具有大的介电粒子19的端部的DNA链;然而，直接捕获较小没有圈养的生物样品仍然充满挑战。捕获配置能够捕获小的介电粒子在较低的光照强度比传统光镊和圆形的纳米孔，允许小的生物颗粒很长一段时间而不损坏或圈养举行。此外，诱捕事件表现出高信号的信噪比，使安装工作作为一个敏感的传感器检测到的最小的生物粒子，如病毒和蛋白质。事实上，20 nm的聚苯乙烯微球的折射率为1.59，这是最小的生物粒子媲美如病毒。这种方法有可能成为一个可靠的和成熟的技术，包括固定和操纵纳米粒子的生物粒子。
这项技术的应用，包括集成到一个微环境。而不是一个单一的微流体室中，一个信道将被用于动态地控制环境，理想的折射率传感。这样的设置将被设置在一个单一的微流体芯片，导致一个更稳定和可靠的安装和更快的分析溶质。另一种选择是表征单一的荧光标记的病毒，半导体量子点和绿色荧光蛋白的荧光的检测方案的发展。这种设置也有潜在的修改成一个单一的病毒或蛋白质的生物传感器，允许非常小的样本进行分析。药物发现和疾病，感染检测22将受益于一个单一的蛋白质检测。拉曼SPEctroscopy可以成立为法团的颗粒和单绑定事件的拉曼信号检测。的双纳米孔结构允许强大的本地增强的提示，适当的针尖增强拉曼光谱23。高度特定的无标记材料的表征的方法，也有可能使用拉曼光谱24。
Disclosures
生产和免费使用这篇文章是由Thorlabs的。
Acknowledgments
我们承认Thorlabs公司赞助本出版物和资金从自然科学和工程研究理事会（NSERC），加拿大发现格兰特。我们感谢布莱斯的圣西尔及道格拉斯Rennehan生产协助制作此视频文章。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Immersion Oil | Cargille Labs | 16484 | Quantity: 1 |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning Canada | Quantity: 1 Contains both PDMS base and curing agent |
|
| Gold Coated Test Slides | EMF Corp | Cr/Au | Quantity: 1 A Ti adhesion layer can be used as well |
| No 1.5 Coverslips | Fisher Scientific | 12-541-B | Quantity: 1 |
| Focused-Ion Beam System | Hitachi | FB-2100 | |
| Portable Data Acquisition Module | Omega Engineering | USB-4711A | Quantity: 1 |
| Linear Stage | Parker | 4034M | Quantity: 1 |
| Laser Diode Head and Controller | Sacher Lasertechnik Group | TEC 120 | Quantity: 1 Manual Tunable Littrow Laser System |
| Digital Oscilloscope | Tektronics | TDS1012 | Quantity: 1 |
| 20 nm Nanosphere Size Standards | Thermo Scientific | 3020A | Quantity: 1 |
| 1" Lens Mount |  Thorlabs |
LMR1 | Quantity: 1 |
| 0.3" Lens Tube | Thorlabs |
SM1L03 | Quantity: 2 |
| Absorptive ND 4.0 Filter | Thorlabs |
NE40A | Quantity: 1 |
| Aluminum Breadboard | Thorlabs |
MB1824 | Quantity: 1 |
| Avalanche Photodiode | Thorlabs |
APD110A | Quantity: 1 |
| Digital Optical Power Meter | Thorlabs | PM100 | Quantity: 1 Obsolete, others will do |
| Force Measurement Module | Thorlabs | OTKBFM | Quantity: 1 |
| Kinematic Mirror Mount | Thorlabs | KM200-E03 | Quantity: 1 With Near IR Laser Quality Mirror |
| Laser Diode Constant Current Driver | Thorlabs | LD1255R | Quantity: 1 |
| LD1255 Optical Table Mounting Plate | Thorlabs | LD1255P | Quantity: 1 |
| Mounted Achromatic Half-Wave Plate | Thorlabs | AHWP05M-980 | Quantity: 1 690 - 1200 nm |
| Optical Tweezer Kit | Thorlabs | OTKB/M | Quantity: 1 Metric or Imperial |
| Post Holder Base | Thorlabs | BA2 | Quantity: 2 |
| Power Supply | Thorlabs | PS-12DC-US | Quantity: 1 |
| Power Supply Cable | Thorlabs | LD1255-CAB | Quantity: 1 |
| Right Angle Plate | Thorlabs |
AP90 | Quantity: 1 |
| Right Angle Post Clamp | Thorlabs |
RA90 | Quantity: 1 |
| Stainless Steel Optical Post | Thorlabs |
TR3 | Quantity: 1 |
| Table Clamp | Thorlabs |
CL1 | Quantity: 2 Obsolete, others will do |
| Thermal Sensor | Thorlabs |
PM210 | Quantity: 1 For digital optical power meter |
| 100 pF Capacitor | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| 200 KOhm Resistor | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Acrylic Sheet | Quantity: 3" x 1" Any brand, not critical |
||
| Assortment of coaxial cables, wires and connectors | As needed | ||
| Breadboard | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Concave Lens | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Diamond Cutter | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Double Sided Tape | Any brand, not critical | ||
| Razor Blade | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Tweezers | Quantity: 1 Any brand, fine tipped |
References
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