Summary
誘電体の低電力光トラッピング次のセットアップアプローチの詳細は金属膜でダブルナノホールを用いたナノ粒子。
Abstract
光トラッピングは、光を用いた穏やかな方法で小さな物体を固定化して操作するための技術であり、それは広く小さな生物粒子をトラップすると操作に適用されている。アシュキンと共同研究者は、初のシングル1集光ビームを用いた光ピンセットを実証しました。シングルビームトラップは小さなレイリーレジーム粒子1の場合の摂動勾配力の製剤を使用して正確に記述することができます。摂動的領域では、光パワーは、粒径の逆四乗と粒子スケールをトラップするために必要。高い光学パワーは誘電体粒子を破損し、発熱を引き起こす可能性があります。例えば、直径109 nmの閉じ込められたラテックス球は生物学的物質2,3のための重大な意味を持って25秒1で15 mWのビームによって破壊された。
自己誘導のバックアクション（SIBA）光トラッピングは、50 nmのポリスチレン球をトラップするために提案されました非摂動体制4。非摂動領域では、背景にはほとんど誘電率のコントラストでさらに小さな粒子は著しく周囲の電磁界に影響を与え、大きな光力を誘発することができる。粒子が照射された開口部に入ると、光伝送は、誘電体の読み込み劇的に増加します。粒子がアパーチャのまましようとすると、減少した伝送は、粒子を捕集する、穴の中に、ニュートンの第三法則により、粒子の内側に上の力で結果を穴から勢いを外側の変化を引き起こすと。光透過率を監視することができる。したがって、トラップがセンサーになることができます。 SIBAトラッピング技術はさらにダブルナノホール構造を用いることで改善することができます。
ダブルナノホール構造は、地元の強い電場増強5,6を与えることが示されている。ダブルナノホールの2つの鋭い先端の間に、小さな粒子は、光transmissioの大きな変化を引き起こす可能性がありますnは、それによって大きな光力を誘導する。その結果、より小さいナノ粒子は、12nmのケイ酸球7と3.4 nmの流体力学半径ウシ血清アルブミンタンパク質8として、捕捉することができる。本研究では、ナノ粒子のトラッピングに用いた実験構成が概説されています。まず、詳細Thorlabs光ピンセットキットに基づいているトラッピングセットアップのアセンブリ。次に、我々は、金属膜、マイクロ流体チャンバーの製作と試料調製でダブルナノホールの微細加工手順を説明します。最後に、我々は詳細データの取得手順を、20 nmのポリスチレンナノ微粒子を捕集するための典型的な結果を提供します。
Protocol
SIBAトラッピング技術の原理を図1に示します。 図2に実験装置の概略図である。
1。光トラッピングセットアップ
手順のこのセクションについては、キットのセットアップの詳細については光トラッピングキットマニュアル9または光学式力計測モジュール取扱説明書10を参照してください。アバランシェフォトダイオード（APD）は象限位置検出器の代わりに使用されることに注意してください。光トラッピングキットに含まれていないネジは、キャップスクリューとハードウェア·キット（Thorlabs、HW-KIT2）のものを使用します。レーザーがオンのときに目の保護具を常に着用する。ビームは安全な領域内に含まれており、そのような宝石のような反射アクセサリーは、避けるべきであることを確認してください。レーザダイオードを取り扱うときにも、静電放電保護が賢明です。
- 光ピンセットキット（Thorlabs、OTKB / M）と力measを設定するそれぞれの製品の取扱説明書に従ってurementモジュール（Thorlabs、OTKBFM）。シリコンベースのアバランシェフォトダイオード（APD）（Thorlabs、APD110A）は象限位置検出器は、力測定モジュールの（Thorlabs、OTKBFM）の代わりに使用されます。
- 同軸ケーブルを介してオシロスコープ（Tektronics、TDS1012）にAPDを接続します。
- ビームエキスパンダー内部半波長板（Thorlabs、AHWP05M-980）を追加します。半波長板が2つのレンズチューブ（Thorlabs、SM1L03）との間で締結されている。
2。ナノファブリケーション
- 4同一のピースに金コーティングテストスライド（EMF社は、Cr / Au）を切り取ります。市販のスライドに代わるものとして、我々はまた、時のために200℃の高温基板温度で1平方インチスライドガラス上に電子ビーム蒸着法により堆積2nm以下のTi密着層と、厚さ100nmのAu膜を使用していた少なくとも1時間。これは滑らかな多結晶膜を生成します。
- への入力としてダブルナノホール構造体のビットマップイメージを作成集束イオンビーム（FIB）システムはビットマップです。画像は、2つの黒丸、190nmの中心間距離、中心に直径160nmで構成されています。このテンプレートは、約15nmの先端分離を作成します。サークルの間で、任意の細い線が先端の間の任意の残留金属を除去するために配置することができます。 図3aは、例えばビットマップイメージを示しています。
- FIB（日立は、FB-2100）ミリング装置を用いたダブルナノホール構造を作製。 FIBミリングパターン（ビットマップ内の暗い領域がFIBによって粉砕される）にステップ2.2でビットマップに変換します。 40 kVの、60 K倍の倍率で15μmの直径の開口を制限するビームのイオン加速電圧を使用しています。ミル80は、各パスで5μsecの投与時間を各ナノホールダブルで通っている。 図3bは、典型的な結果として得られる構造を示しています。必要に応じて繰り返します。エラーを許容するように、複数のナノホールがなされるべきである。
- どちらFIBおよび/またはHでを使用して、登録のマーカーを追加および（S）ダブルナノホールのおおよその位置を示します。
- 必要に応じて、正確に構造品質と先端の分離を評価するために穴のSEM像を撮る。
3。マイクロ流体商工会議所
マイクロ流体チャンバーを製造するためのプロセスフロー図を図4に示します。
- 使い捨てカップにポリジメチルシロキサン（PDMS）ベース（ダウコーニングカナダ、シルガード184シリコーンエラストマーベース）の10グラムと硬化剤の追加1グラム（ダウコーニングカナダ、シルガード184シリコーンエラストマー硬化剤）を注ぐ。数分間混ぜる。
- すべての泡がなくなるまで、真空チャンバー内に混合物を避難させる。
- 直径9cmシャーレにPDMSの1.5グラムを注ぐ。 65秒図4b 950 rpmでシャーレの底にスピンコートPDMSは結果を示しています。厚さは80μmである下である限り重要ではなく、金膜が底顕微鏡objectiv内にあるeのワーキングディスタンス。
- 優しく場所3月5日＃1.5 図4cに示すように、彼らは30分間重なり、避難しないように、PDMS上にカバースリップ（フィッシャーサイエンティフィック、12-541-B）。
- カバースリップの移動や避難時の互いの上に積み重ねた場合は、静かにお互いを離れてそれらを移動します。注意が薄く均一なカバーガラスの下にPDMSを維持するように注意しなければなりません。
- カバースリップの操作が必要であった場合、30分間再びシャーレを避難。
- 真空チャンバからペトリ皿を取り外し、85℃で20分間ホットプレート上で調理℃に
- カミソリの刃を使用して、カバーの1つが優しく細かい先端のピンセットを使用したスライドをこじ開けスリップ切り取る。 PDMSは図4eのように、PMMAのペトリ皿よりもガラスカバースリップに、より接着剤であるとして、PDMSの薄い層がカバースリップ上に滞在します。
- 図4fのようにカミソリの刃でPDMSにおける3×3 mmの窓を切り取る。このウィンドウには、チャンバーを形成することになるここで、nanoparticle溶液は保持されます。
4。試料調製
- アクリルを使用して中央に¾ "直径の穴を顕微鏡スライドを作製し、これをレーザーカッターで達成することができる。他の材料も同様に使用することができます。金サンプルは穴の内部に配置されます。
- テープ、両面テープで穴の周囲を。過剰なテープをカットするカミソリの刃を使用しています。
- カバースリップの上に置いて、顕微鏡スライド、PDMSは表向き。
- 1％w / vのからw / vの脱イオン水を使用して0.05％にポリスチレンナノ粒子溶液（サーモサイエンティフィック、3020A）を希釈します。マイクロピペットを使用することができます。
- PDMSのウィンドウ内の溶液を数滴を追加します。ナノホールが配置されている金の試料上にドロップを追加します。
- ナノホールはPDMSのウィンドウ内にあるようなカバースリップの上に金のサンプルを入れます。気泡がチャンバ内に存在しないことを確認してください。カバースリップとDAB余分な溶液に対して金のサンプルを押してください。
- 油浸対物レンズ（必要な場合は、ここですが、そうでないとして）を使用している場合は、PDMSのウィンドウの下に、カバーガラスの反対側に液浸オイルのドロップを追加。ナノホールの場所をメモしておいてください。
- 液浸油は、顕微鏡の対物レンズと接触するまでスライドホルダー、下向きにオイルしてから、下部のスライドホルダーに顕微鏡スライドを挿入します。
- 大体インジケーターマークが目的の下にあるようなスライドステージの位置を合わせます。
- ナノホールに至るまでの表示ラインに従ってください。インジケータ·マークやその他のオープンエリアが画面中央からクリアされるような位置にスライド。過度の光透過率は、APDを損傷することがあります。
- レーザーをオンにします。ダイクロイックミラーは完璧ではないように、レーザービームから画面の中心付近のスポットが表示されるはずです。
- ピエゾステージ制御ソフトウェアを使用し、さらに、すべての3つの軸でアライメントを微調整。
5。データ収集
- HELとインジケーターマークの電話、位置既知のナノホール場所の近くにスポットを。ナノホールは、解決するには小さすぎるであろうとスポットとしてのみ表示されます。
- 試料を通る光の透過をオシロスコープの信号レベルによって示されます。光透過率を最大にするように、さらに、試料の位置を合わせます。インジケーターマークと光伝送は、これらの分野で高いだろうとして、可視と不可視の傷のように注意してください。傷がより緩やかな変化を示しながら、ナノホールは、光透過率の突然のジャンプが表示されます。
- ダブルナノホール構造が偏光しているように波長板を使用し、最高の光伝送用の光の偏光を調整します。
- 、ノイズを最小限に抑えるため、ブレッドボード、200kΩの抵抗と100pFのコンデンサでRCフィルタを構築し、同軸ケーブルを介して、APDの後にそれを接続します。これらの値は、必要なデータ取得の帯域幅を考慮し、最適なパフォーマンスを得るために調整することができます。
- オシロスコープやデータアキを接続する同軸ケーブルとTアダプタ付RCフィルタにitionモジュール（オメガ、USB-4711A）。
- 所望の時間データ集録モジュールを使用してAPDの電圧をサンプリングする。取得時間は秒の何百もののが一般的です。この場合、カスタムソフトウェアパッケージは、データ取得のために使用された。電圧は、毎秒2000回でサンプリングされます。
- MATLABを使っては、Savitzky-Golayフィルタを使用して取得したデータをフィルタリングして、グラフ上の時間に対してプロットします。
Representative Results
典型的な買収·トレースを図5aに示されています。トラップイベントは、2つの送信電力レベルとの間に明確なスイッチを示す、鋭いエッジで、特徴的に突然です。粒子がブラウン運動の対象になると、トラップイベントがランダムに発生します。 20 nmの粒子では、トラップからの送信の変更は10から300秒の周りに、5〜10％と捕獲回程度一般的になりました。上記のパワーと濃度のトラッピングイベントを達成するための典型的な時間は1分程度である。粒子が放出されれば、それは一般的に、後続のトラップイベントが続いているが、立体障害のために、それは、同時に複数の粒子捕捉を見ることはまれである。結果の質に応じて、トラップされた状態の信号ノイズのいくつかの増加があるかもしれません。このノイズの増加は、トラップされた粒子のブラウン運動から来ている。トラップされた粒子がなければ、このノイズ源が存在していません。
_content ">一部のアーティファクトは、トラップイベントを示すものではありません検索結果に表示される場合があります。 図5bに示すよう分間にわたって伝送で漂流し、緩やかな変化を示す結果は、破棄する必要があります他の人工物が存在していてもよいようなケアがチャンバーは無気泡であることを保証するために取られていない場合は一貫性のない伝送が変更されると、過剰なノイズまたは全くトラッピングは、例えば、気泡が不連続強度ジャンプを生じる可能性があるからです。これらの泡は、動的な面でトラップイベントに応答が異なる挙動と強度の変化、そして、彼らは容易に識別できます。このような症状が乏しいダブルナノホール構造、汚染物質や機械的振動によって発生する可能性があります、静かで低活性の設定が非常にこのセットアップを配置することをお勧めしますまた、可能レーザーと合わせた後、数分を決済するステージも助けることができます。s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/>
図1サブ波長開口部光伝送：）粒子なし;誘電体粒子によってaとb）増加伝送するステップと、c）粒子の試みがままにした場合、光の運動量（ΔT）の減少はへのような粒子に働く力（F）を発生します。穴にそれを引き戻すと、d）伝送ΔTの変化につながる、粒子に起因する伝送曲線のレッドシフト。
図2は 、赤丸の拡大がb）でセットアップを捕捉する）総合的な模式図に示されていること、b）拡大はダブルナノホールを示す、およびPDMSチャンバー内ナノスフェア、ダブルナノホール構造のc）SEM像。使用されている略語：LD =レーザーダイオード; ODF =光学濃度フィルタ; HWP =半波長板、ビームエキスパンダー= BE、MR =ミラー、MO =顕微鏡対物; OI MO =油イメルシオン顕微鏡対物; DH =ダブルナノホール; APD =アバランシェ光検出器。
図3 FIB加工で使用される）例のビットマップ図; ますb）ダブルナノホールのSEM像。
図4マイクロ流体チャンバーを製造するためのプロセス·ダイアグラム。
図5 20nmのポリスチレン球を使用してイベントを捕捉（a）の典型的な買収。 （b）は急性漂流を示す貧しい買収。
Discussion
現在の設定はナノホールの構造に起因し効果的な捕捉能力を持つ。低い光強度でこのナノホールトラップ〜10 nmスケール誘電体粒子。他の新規光学トラップは、光学ダイポールアンテナ11、ウィスパリングギャラリーモード光共振器12,13と導波路14を含むが、これらは一般的に、必要な光パワーに対する粒子の逆四次スケーリングによって制限されている摂動政権で動作サイズ、SIBAとダブルナノホールトラップとは異なります。代替開口部の形状は、そのような長方形のプラズモニックナノ細孔15として、捕獲のために提示されています。ダブルナノホールトラップによって示される他の有利な資質は、粒子サイズ選択行動7、単一トラップ場所（多粒子捕獲を制限するため）、および製作16のしやすさを含む。 FIBを使用する代わりに、ダブルナノホールはコロイドリトグラフを用いて作製することができますY 6。
大きな分極率とサイズの生物学的物質の捕捉菌3に含まれている、生きている細胞17,2,18、タバコモザイクウイルス3と操作と大きな誘電体粒子19が両端でつながれたDNA鎖の伸張であるが、直接のトラッピングは小さいテザリングなしの生体試料は依然として厳しい。このトラップ設定は、小さな生物粒子が損傷またはテザリングせずに長時間保持することができるように、従来の光ピンセットと円形ナノホールより低い光強度で小さな誘電体粒子を捕捉することが可能です。また、トラップイベントは、このセットアップは敏感なセンサーとして機能し、ウイルスやタンパク質などの生物学的最小の粒子を検出することができ、高い信号対雑音比を示す。実際には、20nmのポリスチレン球は、最小の生物学的粒子に匹敵する1.59の屈折率を有することウイルスなど。この方法は、生物学的な粒子を含む、ナノ粒子の固定化と操作のための信頼性の高い成熟した技術になる可能性があります。
この技術の応用は、マイクロ流体環境への統合が含まれます。代わりに、単一のマイクロ流体チャンバー、チャネルが動的屈折率検出のための理想的な環境を制御するために使用されるであろう。このような設定は、より安定した堅牢なセットアップと溶質の高速分析につながる単一マイクロ流体チップ内に設定されるであろう。別のオプションは、単一の蛍光標識ウイルス、半導体量子ドットおよび緑色蛍光タンパク質の特性評価のための蛍光検出方式の開発である。また、この設定では、非常に小さなサンプルを分析できるようになり、単一のウイルスまたはタンパク質のバイオセンサーへの変更のために可能性を秘めています。創薬21と疾患と感染症検出部22は 、単一のタンパク質検出器の恩恵を受けるだろう。ラマンSPEctroscopyは、粒子と単結合事象のラマン信号の検出のために組み込むことができます。ダブルナノホール構造は、チップ増強ラマン分光法23に適し、先端に強い局所的な場の拡張を可能にします。材料特性の特異性の高いラベルフリー法もラマン分光法24を用いて可能であろう。
Disclosures
この記事への生産とフリーアクセスがThorlabsが主催しています。
Acknowledgments
我々はカナダディスカバリーグラントの自然科学·工学研究会議（NSERC）から、このパブリケーションと資金を後援するためのThorlabsを認める。私たちは、このビデオの記事のメイキングでの生産支援のためにブライスCyrさんとダグラスRennehanに感謝します。
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
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt. Lett. 11, 288-290 (1986).
- Liu, Y., et al. Evidence for localized cell heating induced by infrared optical tweezers. Biophys. J. 68, 2137-2144 (1995).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria. Science. 235, 1517-1520 (1987).
- Juan, M. L., Gordon, R., Pang, Y., Eftekhari, F., Quidant, R. Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles. Nature Phys. 5, 915-919 (2009).
- Jin, E. X., Xu, X. F. Enhanced optical near field from a bowtie aperture. Appl. Phys. Lett. 88, 153110 (2006).
- Onuta, T. -D., Waegele, M., DuFort, C. C., Schaich, W. L., Dragnea, B. Optical field enhancement at cusps between adjacent nanoapertures. Nano Lett. 7, 557-564 (2007).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 11, 3763-3767 (2011).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of a single protein. Nano Lett. 12, 402-406 (2012).
- Optical trap kit - Manual[Internet]. , ThorLabs. Available from: http://www.thorlabs.com/thorcat/19900/OTKB_M-Manual.pdf (2011).
- Optical trap kit - The force module [Internet]. , ThorLabs. Available from: http://www.thorlabs.com/thorcat/19500/OTKBFM-Manual.pdf (2011).
- Righini, M., et al. Nano-optical trapping of rayleigh particles and escherichia coli bacteria with resonant optical antennas. Nano Lett. 9, 3387-3391 (2009).
- Arnold, S., et al. Whispering gallery mode carousel - a photonic mechanism for enhanced nanoparticle detection in biosensing. Opt. Express. 17, 6230-6238 (2009).
- Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. Optical manipulation with planar silicon microring resonators. Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).
- Yang, A. H. J., et al. Optical manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides. Nature. 457, 71-75 (2009).
- Chen, C., et al. Enhanced optical trapping and arrangement of nano-objects in a plasmonic nanocavity. Nano Lett. 12, 125-132 (2012).
- Lyer, S., Popov, S., Friberg, A. T. Impact of apexes on the resonance shift in double hole nanocavities. Opt. Express. 18, 193-203 (2010).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330, 769-771 (1987).
- Liu, Y., Sonek, G. J., Berns, M. W., Tromberg, B. J. Physiological monitoring of optically trapped cells: Assessing the effects of confinement by 1,064 nm laser tweezers using microfluorometry. Biophys. J. 71, 2158-2167 (1996).
- Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. Stretching dna with optical tweezers. Biophys. J. 72, 1335-1346 (1997).
- Operation manual-apd110x series-avalanche photodiodes [Internet]. , ThorLabs. Available from: http://www.thorlabs.com/thorcat/19500/APD110A-Manual.pdf (2011).
- Yu, D., Blankert, B., Viré, J. C., Kauffmann, J. M. Biosensors in drug discovery and drug analysis. Anal. Lett. 38, 1687-1701 (2005).
- Luppa, P. B., Sokoll, L. J., Chan, D. W. Immunosensors-principles and application to clinical chemistry. Clin. Chim. Acta. 314, 1-26 (2001).
- Min, Q., Santos, M. J. L., Girotto, E. M., Brolo, A. G., Gordon, R. Localized raman enhanced from a double-hole nanostructure in a metal film. J. Phys. Chem. C. 112, 15098-15101 (2008).
- Weber-Bargioni, A., et al. Hyperspectral nanoscale imaging on dielectric substrates with coaxial optical antenna scan probes. Nano Lett. 11, 1201-1207 (2011).
