Följande inställningar metoden uppgifter låg effekt optiska fångstmetoder dielektriska nanopartiklar med en dubbel-nanohole i metallfilm.
Optisk svällning är en teknik för immobilisering och manipulera små föremål på ett skonsamt sätt med ljus, och den har i stor utsträckning i fånga och manipulera små biologiska partiklar. Ashkin och medarbetare visade först optisk pincett med en enda fokuserad stråle 1. Den enda stråle fällan kan beskrivas exakt med perturbative formuleringen lutning kraft i små Rayleigh regim partiklar 1. I perturbative regimen, den optiska effekt som krävs för att fånga en partikel skalor som inversen fjärde potensen av partikelstorleken. Höga optiska krafter kan skada dielektriska partiklar och orsaka uppvärmning. Till exempel, fångades latex sfärer 109 nm i diameter förstördes av en 15 mW balk i 25 sek 1, som har allvarliga konsekvenser för biologisk materia 2,3.
En själv-inducerad rygg-action (SIBA) optisk svällning föreslogs att fånga 50 sfärer nm polystyren iicke-perturbative ordningen 4. I en icke-perturbative regim kan även en liten partikel med liten permittivitet kontrast till bakgrunden avsevärt påverka omgivande elektromagnetiska fältet och framkalla en stor optisk kraft. Som en partikel kommer in i en upplyst öppning ökar ljustransmission dramatiskt på grund av dielektrisk belastning. Om partikeln försöker lämna öppningen, orsakar minskad överföring en förändring i fart utåt från hålet och genom Newtons tredje lag, resulterar i en kraft på partikeln inåt i hålet, fånga partikeln. Ljustransmissionen kan övervakas, och därför kan fällan bli en sensor. Den SIBA fånga teknik kan förbättras ytterligare med hjälp av en dubbel-nanohole struktur.
Den dubbla nanohole struktur har visat sig ge en stark lokal fält förbättring 5,6. Mellan de två vassa spetsar dubbla nanohole, kan en liten partikel orsaka en stor förändring i optisk transmissioN, därigenom inducera en stor optisk kraft. Som ett resultat, kan mindre nanopartiklar fångas, såsom 12 nm silikat sfärer 7 och 3,4 nm hydrodynamiska radie bovinserumalbumin proteiner 8. I detta arbete är det experimentella konfigurationen för nanopartiklar fånga beskrivs. Först, vi detalj monteringen av fångande setup som är baserad på en optisk Thorlabs Tweezer Kit. Därefter förklarar vi nanofabrikation förfarandet för dubbel-nanohole i en metallfilm, tillverkningen av mikroflödessystem kammaren och provberedning. Slutligen har vi detalj datainsamling förfarandet och ge typiska resultat för att fånga 20 nanosfärer nm polystyren.
Den nuvarande inställningen har effektiva fångstmetoder förmåga på grund av strukturen i nanohole. Denna nanohole fällor ~ 10 nm-skala dielektriska partiklar vid låga optiska intensiteter. Andra nya optiska fällor omfattar optiska dipolantenner 11, viskande-gallery-mode optisk resonatorer 12,13 och vågledare 14, men de brukar verksamma inom perturbative regimen, som begränsas av den omvända fjärde ordningen skalning av den erforderliga optiska effekten kontra partikel storlek, till skillnad från SIBA och dubbelklicka nanohole fälla. Alternativa bländare former har också presenterats för fällor, till exempel en rektangulär plasmoniska nanopore 15. Andra fördelaktiga egenskaper som visas av den dubbla nanohole fälla innefattar partikelstorlek-selektiv beteende 7, en enda svällning plats (för att begränsa flera partiklar fånga) och enkel tillverkning 16. Som ett alternativ till att använda en FIB, kan dubbel-nanoholes tillverkas genom att använda en kolloidal litografiy 6.
Fångst av biologiska material med stor polariserbarhet och storlek har inkluderat bakterier 3, levande celler, 17,2,18 den tobakmosaikvirus 3 och manipulering och sträckning av DNA-strängar bundna vid ändarna med stora dielektriska partiklar 19, men direkt infångning av mindre biologiska prover utan uppbindning förblir utmanande. Denna fångst konfiguration kan fånga små dielektriska partiklar vid lägre ljusintensiteter än konventionella ljus pincett och den runda nanohole, så att små biologiska partiklar som skall hållas under långa perioder utan skador eller tjudra. Även de fångstmetoder händelser uppvisar en hög signal-till-brus-förhållande gör denna inställning för att arbeta som en känslig sensor och upptäcka de minsta biologiska partiklar, såsom virus och proteiner. I själva verket, 20 nm polystyrensfärer har ett brytningsindex av 1,59, som är jämförbar med de minsta biologiska partiklarsåsom virus. Denna metod kan bli en pålitlig och mogen teknik för immobilisering och hantering av nanopartiklar, inklusive biologiska partiklar.
Tillämpningar av denna teknik inkluderar integrering i en mikroflödessystem omgivning. I stället för en enda mikrofluidisk kammare, skulle en kanal kan användas för att dynamiskt styra miljön, idealisk för brytningsindex avkänning. En sådan inställning skulle fastställas i ett enda mikroflödessystem chips leder till en mer stabil och robust installation och snabbare analyser av lösta ämnen. Ett annat alternativ är utvecklingen av en fluorescensdetektion system för karakterisering av enstaka fluorescerande-märkta virus, halvledare kvantprickar och gröna fluorescerande proteiner. Denna setup har också potential för modifiering i en biosensor för ett enda virus eller protein, vilket mycket små prover som skall analyseras. Läkemedelsutveckling 21 och sjukdomar och infektioner upptäckt 22 skulle dra fördel av ett enda protein detektor. Raman SPEctroscopy kan införlivas för detektering av Raman signaler av partiklar och enskilda bindande händelser. Den dubbla nanohole struktur möjliggör starka lokala fält förbättringar vid tips, lämpliga för tip-förstärkt Ramanspektroskopi 23. En mycket specifik etikett-fri metod materialkarakterisering skulle också vara möjligt med användning av Ramanspektroskopi 24.
The authors have nothing to disclose.
Vi erkänner Thorlabs för sponsring denna publikation och finansiering från naturvetenskap och teknik forskningsrådet (NSERC) i Kanada Discovery Grant. Vi tackar Bryce Cyr och Douglas Rennehan för produktion bistånd i skapandet av denna video artikeln.
Name | Manufacturer | Serial 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 |