Fabbricazione e funzionamento di un nano-ottica Nastro trasportatore

Abstract

La tecnica di utilizzare raggi laser mirati per intrappolare e esercitare forze in piccole particelle ha permesso a molte scoperte cardine nelle scienze biologiche e fisiche nanoscala nel corso degli ultimi decenni. I progressi compiuti in questo campo invita ulteriore studio di sistemi ancora più piccoli e ad una scala più ampia, con strumenti che potrebbero essere distribuiti più facilmente e reso più ampiamente disponibile. Purtroppo, le leggi fondamentali della diffrazione limitano la dimensione minima del punto focale di un fascio laser, il che rende le particelle più piccole di una mezza lunghezza d'onda di diametro difficile da intrappolare e generalmente impedisce all'operatore di discriminare tra le particelle che sono più vicini della metà -wavelength. Ciò preclude la manipolazione ottica di molte nanoparticelle ravvicinati e limita la risoluzione di sistemi ottici-meccanici. Inoltre, la manipolazione mediante fasci focalizzati richiede ottica beam-forming e di sterzo, che possono essere molto ingombranti e costosi. Indirizzarequeste limitazioni nella scalabilità del sistema di intrappolamento ottico convenzionale nostro laboratorio ha messo a punto una tecnica alternativa che utilizza l'ottica di campo vicino per spostare particelle attraverso un chip. Invece di concentrarsi raggi laser nel campo lontano, il vicino campo ottico di risonatori plasmoniche produce la necessaria valorizzazione locale intensità ottica per superare le restrizioni di diffrazione e manipolare particelle a più alta risoluzione. Risonatori ravvicinate producono forti trappole ottiche che possono essere indirizzati a mediare l'hand-off di particelle da una all'altra in un modo nastro trasportatore-like. Qui, descriviamo come progettare e produrre un nastro trasportatore con una superficie d'oro fantasia con plasmoniche risonatori a forma di C e come farlo funzionare con luce laser polarizzata per ottenere super-risoluzione manipolazione delle nanoparticelle e dei trasporti. Il convogliatore trucioli cinghia nano-ottica può essere prodotto con tecniche di litografia e facilmente confezionato e distribuito.

Introduction

La cattura, l'interrogatorio e la manipolazione di singole nanoparticelle sono di crescente importanza nel campo delle nanotecnologie. Pinzette ottiche sono diventati una tecnica di manipolazione particolarmente efficace per esperimenti di biologia molecolare ^{1-4, 5-7 e} chimica nano-assemblaggio ^7-10, dove sono abilitati esperimenti innovativi come la misura delle proprietà meccaniche di singole molecole di DNA ^{4 e} l'ordinamento delle cellule dalle loro proprietà ottiche ^11,12. Scoperte su queste frontiere si aprono lo studio di sistemi ancora più piccoli, e fanno strada alla progettazione di nuovi prodotti e tecniche praticamente benefiche. A sua volta, questa tendenza spinge la necessità di nuove tecniche per manipolare piccole particelle, più rudimentali. Inoltre, vi è una spinta per costruire dispositivi 'lab-on-a-chip "per eseguire queste funzioni più a buon mercato e in un pacchetto più piccolo per portare test chimici e biologici dallaboratorio e nel campo medico e per altri scopi ^13,14.

Purtroppo, intrappolamento ottico convenzionale (COT) non può soddisfare tutte le richieste crescenti di nanotecnologia. COT opera sul meccanismo di utilizzare un elevato apertura numerica (NA) lente obiettivo per portare la luce laser per un fuoco stretto, creando un picco localizzato in intensità ottica e alti gradienti di energia campo elettromagnetico. Questi gradienti di densità di energia esercitano una forza netta sul particelle di luce-dispersione che generalmente li attira verso il centro del fuoco. Intrappolando le particelle più piccole richiede potenza ottica superiore o una maggiore attenzione. Tuttavia, fasci di luce concentrato obbediscono al principio della diffrazione, che limita la dimensione minima della macchia focale e pone un limite superiore al gradiente di densità di energia. Questo ha due conseguenze immediate: COT non può trattenere piccoli oggetti in modo efficiente, e COT ha difficoltà a discriminare tra particelle ravvicinati, risoluzione di catturalimitazione nota come problema le "dita grasse. Inoltre, l'implementazione multipla cattura particella con COT richiede sistemi di ottica fascio sterzanti o modulatori di luce spaziali, componenti che aumentano drasticamente il costo e la complessità di un sistema di intrappolamento ottico.

Un modo per aggirare le limitazioni fondamentali convenzionali fasci focalizzati di luce, detto propagare nel campo lontano, è quello di sfruttare invece i gradienti di energia elettromagnetica ottica nel campo vicino. Il campo vicino decade esponenzialmente lontano da fonti di campi elettromagnetici, il che significa che non solo è altamente localizzata a queste fonti, ma espone anche molto elevati gradienti nella sua densità di energia. I vicini campi di risonatori nano-metallici, quali aperture bowtie, pilastri nano, e incisioni a forma di C, hanno dimostrato di esporre straordinarie concentrazioni di energia elettromagnetica, ulteriormente rafforzata dall'azione plasmonica di oro e argento a quasi infrle lunghezze d'onda ARED e ottici. Questi risonatori sono stati utilizzati per intrappolare particelle estremamente piccole ad alta efficienza e la risoluzione ^15-22. Sebbene questa tecnica si è dimostrata efficace in grado di intrappolare piccole particelle, ma ha anche dimostrato di essere limitato nella sua capacità di trasportare particelle range sensibile, che è necessaria se i sistemi in campo vicino sono di interfacciarsi con sistemi di campo lontano o microfluidica.

Recentemente, il nostro gruppo ha proposto una soluzione a questo problema. Quando risonatori sono posizionati molto vicini tra loro, una particella può in linea di principio migrare da un campo vicino trappola ottica all'altro senza essere rilasciato dalla superficie. La direzione di trasporto può essere determinato se trappole adiacenti possono essere accesi e spenti separatamente. Un array lineare di tre o più risonatori indirizzabili, in cui ciascun risonatore è sensibile ad una polarizzazione o lunghezza d'onda di luce differente da quella dei suoi vicini, funziona come un nastro trasportatore ottica, trasportando nanopartiCicli su una distanza di alcuni micron su un chip.

Il cosiddetto 'Nano-ottica Nastro trasportatore' (NOCB) è unico tra i regimi risonatore di cattura plasmoniche, in quanto non solo può contenere particelle in luogo, ma può anche spostarli ad alta velocità lungo le piste fantasia, raccogliere o disperdere le particelle, mescolare e coda, e persino dalle proprietà ordinarli come la mobilità ^23. Tutte queste funzioni sono controllate modulando la polarizzazione o lunghezza d'onda di illuminazione, senza necessità per l'ottica del fascio sterzanti. Come trappola ottica in campo vicino, il NOCB intrappolando risoluzione è superiore a quella dei tradizionali focalizzato travi trappole ottiche, in modo che possa distinguere tra particelle in prossimità; perché utilizza una nanostruttura metallica per concentrare la luce in una cattura bene, è a basso consumo, e non richiede componenti ottici costosi come obiettivo elevata NA. Inoltre, molti NOCBs possono funzionare in parallelo, ad alta den imballaggiosity, sullo stesso substrato, e 1 W di potenza può guidare più di 1200 aperture ^23.

Abbiamo recentemente dimostrato la prima NOCB polarizzazione-driven, senza intoppi spingendo una nanoparticella avanti e indietro lungo un 4,5 micron pista ^24. In questo articolo vi presentiamo le misure necessarie per progettare e fabbricare il dispositivo, otticamente attivarlo e riproduciamo l'esperimento di trasporto. Speriamo che rendendo questa tecnica più ampiamente disponibile contribuirà a colmare il divario tra le dimensioni ottica microfluidica, in campo lontano, e dispositivi in ​​nanoscala e sperimentazioni.

Protocol

1. Progettare il Incisione a forma di C (CSE) Array

1. Progettare il modello matrice.

Figura 1. CSE layout. Rappresentazione di nastro trasportatore elemento ripetuto. Trasporto di successo è stato ottenuto utilizzando d _y = 320 nm e d _x = 360 nm. Coppie adiacenti di incisioni hanno un offset di 60 ° di rotazione relativo. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

1. Determinare il percorso desiderato di particelle attraverso un substrato planare.
2. Utilizzando un programma CAD, generare un array di double-lineare di poligoni a forma di C lungo il percorso, ogni poligono in ogni coppia consecutivamente ruotato di 30 ± 90 ° attorno al suo convesso, come mostrato in Figura 1. Poiché di una particella proprio volume determina approssimativamente sua gamma handoff ^22, non lasciano un diametro superiore a una particella che separa coppie consecutive, e non lasciano più del 90% della distanza tra i centri dei poligoni in una coppia.
   Nota: Per riferimento, studi precedenti hanno indicato che le sfere di polistirene di 390 nm di diametro e superiori sono più adatti per il trasporto lungo una tale varietà CSE. Perline piccoli come 200 nm possono essere manipolati, anche se non in modo affidabile. Tuttavia, perle di dimensioni superiori a 500 nm si sentono più forti forze in competizione da un fascio di illuminazione concentrato.

2. Verificare forze handoff lungo il modello di matrice utilizzando un metodo numerico per risolvere le equazioni di Maxwell. Mentre la procedura qui descritta riguarda il metodo degli elementi finiti (FEM) attuata dal COMSOL software commerciale, è possibile adattare questo metodo per altri metodi numerici e implementazioni.
   1. Elaborare un metodo di geometria numerico che ospita le dimensioni del modello planare e exttermina almeno 200 nm sotto del piano del modello e 600 nm di sopra del piano. Sotto il piano, comprendono un dominio rappresentare il substrato e sopra il piano di un dominio rappresentare la camera di fluido. Estrudere il planare a C modello 150 nm verso il basso nel substrato, domini 3D per rappresentare l'interno delle incisioni. Introdurre un dominio particella con la forma desiderata.
      1. Assicurarsi che vi sia almeno 200 nm di spazio tra la parte superiore della particella e il soffitto del volume simulazione e regolare le estensioni di simulazione come necessario. Aggiungere strati perfettamente appaiati almeno 500 nm di spessore ai confini aperti della simulazione di assorbire la radiazione verso l'esterno.
   2. Impostare le proprietà del materiale elettromagnetiche del dominio sopra l'interfaccia a quelle di acqua, le proprietà del materiale all'interno delle incisioni a forma di C per quelli di idrogeno silsesquioxane (HSQ), e le proprietà del materiale del materiale residuo a quelle di Gold. Impostare le proprietà del materiale della particella a quelli di polistirolo o altro materiale di scelta. Per semplicità, utilizzare modelli di materiale elettromagnetici lineari.
      Nota:. Una geometria 3D completo campione è mostrato nella Figura 2 In questo caso, i domini materiali PML al ± cartesiane x, ± Y e Z + confini assorbono campi destinati a propagarsi all'infinito. Spessore PML è definita come 5 volte la dimensione massima elemento mesh tetraedrica, pari a 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Se permittività ɛ _r e permeabilità μ _{r sono} gli ingressi necessari per il risolutore numerico a portata di mano, utilizzare una permettività relativa di 1,96 per HSQ, 1,77 per l'acqua, e -52,15 - 3.57i per l'oro. Impostare tutti permeabilità relativi a 1. Se una proprietà materiale elettromagnetica diverso permettività e permeabilità sono necessari, utilizzare questi valori per ricavare gli input necessari secondo le identità elettromagnetici standard. Utilizzare l'appropriato segno of la parte immaginaria di oro in base al tempo complesso segno armonico convenzione del risolutore numerico (che dovrebbe essere negativo sotto l'exp (+ iωt) convenzione e positivo sotto il exp (- i Ohm t) convenzione).

Figura 2. Simulazione geometria. Esempio di geometria simulazione numerica nel commerciale Finite Element Method software COMSOL. Due periodi nastro trasportatore sono simulati con d _y = 320 nm e d _x = 360 nm e un diametro sfera 500 nm. Regioni di materiale ombreggiate sono a) HSQ, b) polistirolo, c) l'oro, e d) l'acqua. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

4. Discretizzare il volume simulazione con un adattabile m tetrahedralesh. Vincolare la dimensione massima degli elementi di maglia non superiore a 100 nm nel bulk. Inoltre, limitare la dimensione massima di elementi di maglia a 30 nm sulla superficie sfera e 30 nm sulle superfici incisione per aumentare la precisione su strutture critiche. Un tasso di crescita maglia moderata di circa 1.4 deve essere utilizzato per preservare la qualità elemento mesh in tali regioni, e una dimensione minima delle maglie può anche essere definito nel volume di limitare imprevedibile comportamento adattivo maglia.
5. Per eccitazione ottica, definire uno sfondo armonico un'onda piana con uno spazio di lunghezza d'onda di 1064 nm, gratuito, che è normalmente incidente e riflessa del substrato oro planare come se le incisioni e le particelle erano assenti. Utilizzare le equazioni di Fresnel valutati con un angolo di incidenza normale per calcolare i coefficienti piano onda di riflessione e trasmissione. Scegliere la polarizzazione di questa onda tale che il campo elettrico è allineato con la cresta di un incisione a forma di C. Normalizzare l'intensità dell'onda aereoa 1 mW / micron ^2.
6. Risolvere per i campi elettromagnetici dispersi in un lotto di simulazioni, spazzare il parametro di posizione particella da una estremità del percorso all'altro tenendo altitudine della particella costante a pochi nanometri dalla superficie. Quote a partire da 5 nm tendono a prevedere molto forti potenzialità di cattura, mentre maggiori altitudini prevedono potenzialità di cattura più uniformi. In realtà, il moto browniano garantirà che una particella reale esplorerà una varietà di altezze sopra la superficie.
   Nota: le risorse di calcolo e di tempo varia con la dimensione numerica del sistema, metodo numerico e hardware del computer.
7. Ripetere i punti 1.2.5 e 1.2.6 per la polarizzazione allineati con ciascuno degli altri due orientamenti C-shape-polarizzazione distinta, come angolo di polarizzazione viene acquistata modulo 180 °.
8. Per ciascuna simulazione in tre lotti, calcolare la forza netta sulla particella integrando il flusso del tensore Maxwell-Minkowski attraverso una superficie che racchiude completamente la particella ma non attraversa le interfacce materiali.
9. Per ogni polarizzazione, calcolare il lavoro svolto contro le forze ottici eseguendo un percorso integrante della forza ottica netto negativo sul percorso che la particella segue in ciascun lotto, come mostrato nella figura 3.

Figura 3. Trapping verifica. Trapping stabile può essere dimostrato tracciando il potenziale ottica di stati di attivazione. Un unico periodo di soli tre OCS viene analizzato per semplicità. Infatti, profondità complessiva trappola è sufficiente (> 10 k _B T) per la cattura stabile presso l'incisione attivato per ogni stato A, B, e C. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 4. Handoff di verifica. Handoff può essere dimostrato tracciando il potenziale ottica di vecchio (rosso chiaro) e nuovi Stati (rosso brillante) di attivazione in sequenza. Un unico periodo di soli tre OCS viene analizzato per semplicità. Durante handoff da A a B e B a C, la barriera di potenziale nella direzione di moto desiderato tra queste due posizioni è sia piccolo (1 k _B T) e minore di quello nella direzione opposta, indicando che handoff controllata è probabile. Handoff da C ad A è più difficile perché la barriera tra trappola resta considerevole in tutte le polarizzazioni. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

10. Verificare per ogni polarizzazione A, B, C e che vi è una barriera di energia di almeno 10 kB T in altezza su entrambi i lati del potenziale minima in ciascun periodo di tre C. Fare riferimento alla Figura 3 per una identificazione visiva dei minimi potenziale e barriere.
    Nota: Questo passaggio determina se la particella sarà intrappolata stabilmente sul nastro trasportatore proposto senza saltare avanti e indietro. Grazie alla linearità delle onde elettromagnetiche e l'utilizzo di modelli di materiale lineari, la barriera di energia è proporzionale all'intensità onda piana eccitante.
11. Verificare che le barriere di energia tra trappole A adiacenti e tuffo B trappole sotto 1 k _B T quando la polarizzazione viene continuamente ruotato da A a B durante handoff particella. Ripetere per la rotazione della polarizzazione da B a C, e da C ad A. riferimento alla Figura 4 per un identificazione visiva di queste transizioni handoff potenziale minimi e barriere.
    Nota: Questo passaggio determina se la particella in modo affidabile il trasferimento da una trappola A a una trappola B durante la rotazione di polarizzazione. Una particellasarà facile superare una barriera di altezza 1 k _B T per passare a una buca di potenziale più profondo.
12. Se non vi è alcuna barriera energetica insufficiente nella fase 1.2.10 o qualsiasi barriera di energia che è troppo forte nel passaggio 1.2.11, regolare il disegno. In generale, per sollevare barriere energetiche, aumentare lo spazio dividendo incisioni a forma di C. Per ridurre le barriere di energia, portare le incisioni più vicini. Evitare avvicinandoli insieme di due profondità della pelle (40 nm), come incisioni che sono troppo ravvicinati possono turbare gli uni degli altri correnti di risonanza, che abbassa l'efficacia complessiva di intrappolamento. Ripetere il punto 1.2 di ri-verificare il potenziale ottica.

2. Realizzare il Array CSE

Nota:. Lo schema di processo è mostrato in Figura 5 Questo processo è ispirato al lavoro in rif. 25 e 26.

Figura 5. CSE Process. Flusso di processo del processo modello strippaggio doppio strato. Litografia ad con 100 keV viene utilizzato per esporre il pattern trasportatore sul HSQ resistere. Lo strato di PMMA sottile sotto il HSQ è destinato a facilitare la finale strip-off (rilascio) del dispositivo dal substrato di Si. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

1. Acquisire un ambiente pulito, lucido wafer di silicio e portarlo in una camera pulita per i processi di litografia attrezzata silicio.
2. Pulire il wafer di silicio per rimuovere la contaminazione organica e ossidi sulla superficie.
   1. Immergere il wafer in un 9: 1 H ₂ SO _4: H ₂ O ₂ soluzione a 100 ° C per 10 min. Un bagno di almeno 1 L garantisce una pulizia robusto, anche se meno chimica può permettere il trattamento delle fette più semplice e sicuro come strutture richiedono.
   2. Immergere il wafer in una soluzione 50: 1 HF per 30 sec. Un bagno di almeno 1 L garantisce una pulizia robusto, anche se meno chimica può permettere il trattamento delle fette più semplice e sicuro come strutture richiedono.
   3. Sciacquare accuratamente il wafer con acqua deionizzata e spin-asciugare.
3. Spin cappotto 50 nm PMMA (spessore non è critico).
   1. Singe cuocere il wafer a 150 ° C per 30 min.
   2. Spin cappotto un lucido, wafer di silicio pulito, con 2% 950K poli-metil-metacrilato (PMMA) a 5.000 rpm per 40 sec. Applicare la PMMA con una pipetta, atterraggio 20-25 gocce di resistere al centro del wafer prima di iniziare la rotazione.
   3. Messaggio cuocere PMMA resistere sulla piastra riscaldante a 200 ° C per 2 min.
4. Spin cappotto 150 HSQ nm (stesso giorno in cui passo successivo).
   1. Spin su HSQ tono negativo resistere a 900 rpm per 1 min. Applicare la HSQ con una pipetta di plastica, ancora atterrando 20-25 gocce di resistere al centro del wafer prima di iniziare la rotazione.
   2. Messaggio cuocere HSQ resistere su piastre di cucinamangiato a 80 ° C per 2 min.
5. Esporre e sviluppare il modello utilizzando tecniche di litografia a fascio elettronico (giorno stesso come passo precedente). Il processo risulta dalla PMMA / HSQ doppio strato manifestazione in rif. 27.
   1. Tradurre il disegno silhouette in formato GDSII per fascio di elettroni patterning in un array dose. Include contrassegni di allineamento e annotazioni che sono almeno 5 micron di dimensioni al fine di individuare le nanostrutture al microscopio ottico. L'array dose deve variare da 800-4,000 uC / cm ^2.
   2. Utilizzare uno strumento di esposizione litografia a fascio di elettroni per esporre la matrice a 100 kV tensione di accelerazione e un'apertura di 60 micron, che produce una corrente di 500 pA. L'esposizione a fascio di elettroni è possibile anche con tensioni di accelerazione inferiori a condizione che la corrente del fascio, la dose, e la correzione del modello di prossimità sono adeguati di conseguenza.
   3. Sviluppare la HSQ esposta immergendo il wafer in un idrossido di tetrametilammonio 2,2% (TMAH) deSoluzione veloper per 90 secondi. Agitare delicatamente la soluzione spintoni piatto sviluppatore ogni 10 sec. Trascorso il tempo di sviluppo è passato, interrompere immediatamente lo sviluppo svuotando la superficie con acqua per 60 sec.
6. Coat uno strato di oro 200 nm di spessore, seguito da uno strato di rame 1000 nm di spessore, dal magnetron sputtering. Assicurarsi di utilizzare uno strumento di sputtering cui oro polverizzazione tasso è stato calibrato in modo che lo spessore di destinazione viene raggiunta entro il 20%. Tariffe sputtering varieranno tra gli strumenti. Superamento spessore oro è accettabile, come è overshoot in rame.
7. Colla da 1 cm x 1 cm di quarzo piastra posteriore sul substrato modellato con resina epossidica a polimerizzazione UV.
   1. Distribuire una goccia di resina epossidica polimerizzazione UV sul lato del campione di rame in un quadrato di 1 cm x 1 cm copre la zona modellata dispositivo.
   2. Applicare una piastra posteriore di quarzo / vetro alla superficie di rame, facendo in modo che copra completamente l'area modellata dispositivo.
   3. Mettere oOcchiali di sicurezza UV n.
   4. Appoggiare la piastra posteriore e wafer su una superficie piana, e illuminare la resina dall'alto con una lampada UV flood per circa 30 min.
   5. Spegnere la lampada di inondazione UV e rimuovere il campione guarito.
8. Rilasciare il dispositivo dal substrato di silicio in un bagno di acetone.
   1. Con un coltello affilato, segnare un liscio, percorso chiuso attorno al quarzo piastra posteriore, facendo in modo che il taglio è abbastanza profondo per penetrare tutto il percorso attraverso i due strati metallici e lo strato di PMMA sopra il wafer di silicio.
   2. Immergere il substrato in un bagno di acetone per 6-8 ore.
   3. Se dopo 8 ore il campione dispositivo non è ancora stato rilasciato dal wafer di silicio naturalmente, sollevare il dispositivo con attenzione (compresa la piastra posteriore quarzo e due strati metallici) lontano dal wafer di silicio con un cuneo sottile o coltello.
   4. Sciacquare il campione risultante con acetone per circa 1 minuto e asciugare con N ₂ o aria pulita.
   5. Se ci are spigoli di metallo o residui di colla intorno alla piastra posteriore, le finiture accuratamente via con un rasoio o laboratorio cesoie. Ciò permetterà di migliorare la fluidodinamica durante un esperimento di intrappolamento, garantendo l'evaporazione uniforme intorno ai bordi del circuito integrato.
   6. Conservare il campione in un contenitore a prova di polvere pulita per il trasporto al laboratorio ottico.

3. Preparare il campione di prova

1. Preparare una soluzione di polistirene tallone fluorescente.
   1. Diluire una soluzione polistirene tallone fluorescente dalla concentrazione del fabbricante di 1x10 ⁹ / 1x10 ^ml-10 / ml aggiungendo il volume appropriato di 1 ml di acqua.
   2. Aggiungere 0,05 ml di tensioattivo (ottil fenolo etossilato) per il campione di prova. Il tensioattivo riduce la tendenza delle perline colloidali di aderire a qualsiasi superficie, ed inoltre aumenta leggermente la viscosità del fluido host.

4. Calibrare la messa a fuoco della OpticalColonne

Nota: Una schematica dell'apparecchiatura può essere fatto riferimento in Figura 8.

1. Calibrare la messa a fuoco della fotocamera per immagini provino.
   1. Acquisire una superficie riflettente di scorta, fantasia, e piano per il collaudo e la calibrazione. Un campione manichino con i segni di allineamento funziona bene.
   2. Accendere la lampada al mercurio microscopio e attendere che il livello di luce si è stabilizzato, quindi aprire l'otturatore della lampada.
   3. Posizionare la superficie di prova modellata nel campo visivo del microscopio e spostare il bordo nel campo visivo centrale. Regolare attenuatori luce per fare in modo che la luce non è troppo luminoso per osservare attraverso l'oculare, quindi guardare attraverso l'oculare e portare il bordo a fuoco.
   4. Spostare palco microscopio in modo che un modello è ora al centro del campo di vista e regolare la manopola del fuoco per massimizzare la nitidezza del modello.
   5. Accendere la fotocamera per immagini campione e regolare la luminosità e il contrasto ail livello di illuminazione del microscopio.
   6. Regolare la messa a fuoco del campione fino a quando il modello è anche a fuoco per la fotocamera. Il modello deve essere a fuoco in vista sia della fotocamera e l'oculare senza dover fare alcuna regolazione focale quando si passa tra i due.
2. Calibrare colonna di imaging fascio per garantire che la termocamera fascio laser concentra sul substrato.
   Nota: Si assume che il laser vicino IR è già stato grossolanamente collimato e allineato con le colonne di imaging microscopio. Una scheda sensore IR è uno strumento utile per eseguire questo allineamento. Si raccomanda di costruire l'intero sistema su un supporto pre-allineata ad esempio un sistema a gabbia in modo che tutte le ottiche può essere centrato sullo stesso asse automaticamente. Specchi dicroici inseriti alle lunghezze d'onda del fascio e di imaging separati sono standard, ma per la sicurezza non dovrebbero perdere più dell'1% della lunghezza d'onda del laser.
   1. Assicurarsi che ogni ricercatore in sala mette in safet laserocchiali y con un'estinzione di almeno ¹⁰ 7 alla lunghezza d'onda di funzionamento del laser (1.064 nm) e assicurano che l'otturatore raggio laser è chiuso.
   2. Accendere il sistema di alimentazione e raffreddamento laser, ma lasciare il fascio persiane. Scaldare il mezzo di guadagno laser.
   3. Una volta che gli occhiali sono in atto e l'otturatore è confermata chiuso, accendere il laser. Collocare un blocco fascio davanti al laser e aprire l'otturatore per misurare la potenza del fascio laser e verificare, utilizzando un misuratore di potenza, che la potenza del laser è stabilizzata. Tenere il blocco trave nel posto.
   4. Per proteggere la termocamera provino da livelli dannosi di luce laser, assicurarsi attenuatori travi sono in atto davanti alla termocamera esemplare, così come uno specchio dicroico per dirigere l'energia del fascio rimanente per una telecamera fascio separato. Inoltre, modulare la potenza del laser con attenuatori o un divisore di fascio polarizzante in modo che solo una moderata quantità di potenza (10 mW) attraversaall'apparato.
   5. Rimuovere il blocco del fascio e permette il fascio di viaggiare attraverso l'apparato e la caduta sul rivelatore termocamera fascio.
   6. Accendere la termocamera fascio e regolare la luminosità e il contrasto al livello di luce laser.
   7. Defocus il raggio laser in modo che una vasta area del riflettore modellata è illuminata dalla luce laser.
   8. Regolare la messa a fuoco della termocamera fascio fino le caratteristiche del modello sono a fuoco l'immagine contemporaneamente luce bianca della termocamera provino con, e tradurre la fotocamera in modo che il suo campo di vista è centrato sul campo visivo dell'imaging provino fotocamera. L'offset tra l'immagine luce bianca e l'immagine fascio focale effettiva contrasta la lunghezza focale dell'ottica discrepanza tra il laser e lunghezze d'onda visibili.
3. Portare il laser a fuoco con la termocamera fascio.
   1. Utilizzando la messa a fuoco calibrata nella termocamera fascio, regolare il laserfuoco del raggio fino concentra a un punto stretto e regolare la posizione di messa a fuoco del fascio in modo che cada nel centro del campo visivo. Utilizzando il software di annotazione o un altro metodo di scelta, contrassegnare la posizione del raggio nel campo visivo della telecamera di vista esemplare.
   2. Chiudere l'otturatore raggio laser.

5. Trappola e manipolare campioni con energia ottica

Nota: Una schematica dell'apparecchiatura può essere fatto riferimento in Figura 8.

1. Immagine le perle di polistirene fluorescenti.
   1. Sostituire il campione manichino e coprioggetto con un coprioggetto pulito nel portacampioni del microscopio.
   2. Collocare una punta sull'estremità di scarico del micro-pipetta ed estrarre 2-4 ml di soluzione di particelle fluorescenti diluita con pipetta.
   3. Scaricare lentamente la soluzione sulla vetrino. Se ci sono bolle, rimuoverli soffiando delicatamente aria pulita sulla goccia di soluzione.
   4. Carefully collocare il dispositivo in cima al blob soluzione con superficie d'oro rivolti verso il basso. La soluzione deve diffondersi su tutta l'area sotto il dispositivo.
   5. Spostare palco microscopio in modo che un bordo del chip matrice risonatore è vicino al centro del campo visivo. Stabilire concentrarsi sul bordo del chip.
   6. Tradurre la fase di microscopio in modo che il modello risuonatore è vicino al centro del campo visivo. Focus su nanostrutture, portando segni di allineamento scure a fuoco, e notare che i risonatori stessi appaiono come macchie scure in riflettore sfondo luminoso.
   7. Inserire una stretta filtro passa-banda di fronte alla lampada che blocca tutti i colori diversi da quello corrispondente al picco di assorbimento delle perline fluorescenti 'mercurio.
   8. Inserire una stretta filtro passa-banda di fronte alla termocamera provino che blocca tutti i colori diversi da quello corrispondente al picco di emissione perline fluorescenti.
   9. Portare l'immagine fluorescente di the perline a fuoco, notando la loro velocità di deriva media collettiva contro la loro moto browniano singolarmente casuale. Attendere fino a velocità media di deriva le perle 'rallenta a meno di 10 micron / sec.
      Nota: A causa dell'evaporazione ai bordi del chip, e causa delle forze dinamiche di assestamento del fluido sotto il peso del chip, ci possono essere delle correnti visibilmente apparenti (decine di micron / s o superiore) nel fluido campione. Se l'evaporazione non è troppo asimmetrico lungo il bordo della piastrina, queste correnti alla fine diminuiscono a livelli accettabili per eseguire un esperimento.
2. Utilizzare il fascio laser focalizzato per intrappolare una sferetta di polistirene.
   1. Assicurarsi che tutti i ricercatori hanno messo in appositi occhiali di protezione laser, e quindi accendere il laser, mantenendo l'otturatore raggio laser chiuso. Assicurarsi che l'uscita del laser è minore di 10 mW. Assicurarsi che la potenza del laser è stabilizzato testando l'uscita del fascio con un blocco fascio operante che impedisce alla radiazione laserdall'entrare microscopio.
   2. Una volta che la potenza del laser si è stabilizzato, rimuovere il blocco del fascio e prendere nota del punto laser l'immagine del fascio in. Se il punto è a fuoco, regolare la messa a fuoco del laser fino a raggiungere il minimo messa a fuoco spot.
   3. Pur garantendo che attenuatori sufficienti sono posti di fronte dell'immagine fascio per evitare la saturazione del rivelatore del fascio, aumentare gradualmente la potenza di uscita del laser finché una goccia alla deriva può essere catturato stabilmente al fuoco del fascio. Scansione palco microscopio può aiutare a intrappolare un cordone che è fuori centro.
   4. Verificare che il tallone intrappolato si trova in corrispondenza o vicino al marchio fatto in precedenza per tenere traccia della posizione del fuoco del laser l'immagine del campione in. Se vi è una differenza tra la posizione tallone e il marchio fuoco del laser, correggere il marchio fuoco del laser in modo che corrisponda alla nuova posizione tallone.
   5. Ora, regolare l'appaltatore fascio costruito verso il percorso ottico fino a quando il punto del fascio è esteso a 9 micron di diametro FWHM quando è completamente a fuoco. Misura questo comesezione trasversale intensità verticalmente attraverso il centro dello spot del fascio del fascio in immagine.
   6. Se il tallone intrappolati originale è stato perso durante questa regolazione, utilizzare la fase di traduzione per cercare e trappola un'altra tallone.
      1. Se ampliando la spot del fascio si è de-stabilizzato la trappola ottica (a causa di un gradiente di intensità ridotta), aumentare la potenza necessaria per raggiungere intrappolamento ottico stabile fascio. Se l'aumento della dimensione della macchia focale si è spostato al centro del fascio lontano dalla sua posizione originale, ri-marcare la posizione media del tallone intrappolata l'immagine del campione come il centro trave.
3. Stabilire near-field cattura e manipolare una perlina di polistirolo su un array incisione a forma di C.
   1. Accendere la lampada retroilluminazione e aumentare la potenza fino al modello substrato può essere visto in background dietro le immagini di perline fluorescenti.
   2. Con un tallone intrappolato dal fascio loosely-focalizzato, utilizzare il palco microscopio to spostare il disegno substrato modo che l'estremità di una serie di risonatori può essere visto direttamente dietro il tallone intrappolato. Se il movimento browniano casuale del tallone viene significativamente ridotto, questo significa che il tallone è intrappolato dal campo vicino di un risonatore eccitato.
      Nota: Se il tallone non è ancora stato intrappolato dal vicino campo ottico, regolare la posizione della matrice risuonatore plasmonica sotto il tallone. Questa regolazione può portare il tallone in più stretto contatto con un risonatore che è più in linea con la corrente di polarizzazione della luce laser. Se questo processo non induce in campo vicino trapping, la focalizzazione del fascio può essere leggermente al di sopra del piano di supporto. In questo caso, regolare il fuoco del laser leggermente in modo che il punto focale si avvicina alla superficie del substrato.
   3. Se dopo piccolo palco e laser regolazioni di messa a fuoco il tallone non è ancora stato ancora intrappolati dal vicino campo ottico, trovare un altro array sul substrato e ripetere il processo di cattura campo vicino, a partirecon il punto 5.3.2.
      Nota: i difetti di fabbricazione causano variazioni sia sistematici e casuali in termini di prestazioni risonatore. Array risonatore non funzionanti sono comuni fino a quando i risultati di fabbricazione sono stati completamente caratterizzati e sono ripetibili.
   4. Una volta campo vicino trapping è stato stabilito, spostare la fase di traduzione microscopio in modo che il centro del punto laser risiede più vicino al centro del trasportatore. Questa azione tenderà a tirare il tallone con il centro del laser focalizzato, così solo piccole regolazioni possono essere eseguite in questo modo. Se un cordone si stacca, ridurre il movimento. Questa è la quantità di spostamento lama tollerabile dalle trappole campo vicino.
   5. Dopo spostare leggermente la trave nel passaggio precedente, ruotare un piatto semionda collocato nel percorso del raggio laser per ruotare l'angolo di polarizzazione lineare. Questo attiva risonatori in una sequenza lungo la matrice e induce controllata, movimento lineare nel tallone fluorescente. Un palco motorizzato rotante può luilp produrre rotazione più stabile nella piastra semionda e movimento tallone quindi più stabile.
   6. Per monitorare lo stato di avanzamento dei dati tallone e la cattura sulla sua posizione, spegnere la lampada di illuminazione di fondo e utilizzare un programma di utilità di acquisizione video per catturare fotogrammi del movimento tallone. Post-elaborazione del moto delle particelle può essere realizzato utilizzando lo script MATLAB fornito.

Representative Results

La figura 7 è una foto del dispositivo finale. Al centro della superficie d'oro 1 cm x 1 cm è la matrice di CSE e trasportatori modelli che possono essere poco visibili guardando un angolo vista. Figura 6 è una immagine al microscopio elettronico a scansione di una sequenza di esempio CSE sul dispositivo finale.

Il movimento delle particelle di 390 nm in polistirolo viaggia attraverso un nastro trasportatore nano-ottica 5 micron di lunghezza è mostrato nella Figura 9. La curva mostra la posizione della particella in funzione dell'angolo di polarizzazione laser. Come accennato nel protocollo, ci possono essere casi in cui il trasporto non riesce o near-field trapping non avvia. Il miglior modo di agire è quello di provare un modello diverso, che può essere in condizioni migliori.

Figura 6. Immagine SEM di CSE Array. microscopio elettronico a scansione (SEM) le immagini dei modelli CSE. (a) mostra l'immagine di mesas HSQ dopo lo sviluppo resistere. Il campione viene atomizzate con 5 nm oro come uno strato conduttore per l'ispezione SEM. (b) -. (c) mostrare modelli finali dopo che il campione viene rilasciato dal substrato di silicio Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7. CSE Array Chip. Immagine del dispositivo finale, circa 10 mm x 10 mm in quota. L'immagine mostra la superficie d'oro frontale del dispositivo. Diffrazione da reticolo marcature ID è visibile come multicolore piazze vicino al centro del chip. Prega click qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8. Apparato sperimentale. Schema dell'apparato sperimentale. Sia cattura e l'imaging vengono eseguite in modalità riflessione. I diversi percorsi ottici si distinguono utilizzando colori diversi. Le linee rosse, verde, tratteggiata rosso, blu e giallo rappresentano i sentieri di luce di intrappolamento ottico (guida trasportatore), l'imaging a fluorescenza, l'imaging laser, eccitazione fluorescente e brillante illuminazione in campo rispettivamente. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9. Bead traiettoria più del doppio-Rail trasportatore. Posizione vs angolo di polarizzazione per un cordone 390 nm passare un nastro trasportatore doppio lunga rotaia 4,5 micron. Immagini su lo spettacolo istantanee sinistra della sfera dopo ogni periodo di trasportatore. La curva a destra traccia la posizione calcolata dei centri di perline. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussion

Il NOCB combina le potenti forze di cattura e le piccole dimensioni trappola di approcci plasmoniche con la capacità di trasportare particelle, lungo disponibile solo per le tecniche convenzionali mirato a fascio. Unico al NOCB, le proprietà di cattura e di trasporto del sistema sono il risultato di patterning superficiale e non di modellare il fascio di illuminazione. Fornito l'illuminazione è abbastanza luminoso e la sua polarizzazione o lunghezza d'onda può essere modulata, particelle può essere tenuto o spostato in protocolli complicati sulla superficie. Abbiamo dimostrato attraverso la simulazione che un NOCB può anche rapidamente sorta particelle in base alla loro mobilità ^23. Vicino campo trappole possono servire come piccoli volumi di reazione per singola molecola chimica, e la parallelizability intrinseca del NOCB significa che può essere utilizzato per configurare, eseguire e abbattere come molti esperimenti simultanei può essere imballato in un chip e illuminata di una volta.

Per ottenere il NOCB al lavoro, il campo vicino oforze ptical che tengono e la mano fuori nanoparticelle devono superare le forze concorrenti di resistenza viscosa, intrappolamento ottico convenzionale (la forza del raggio di illuminazione), termoforesi, e forze di contatto con altre particelle e il substrato stesso. La forza ottica campo vicino deve essere il più forte possibile per una data potenza di illuminazione; questo richiede un'accurata progettazione e fabbricazione di nanostrutture, ma in pratica dobbiamo produrre una gamma di strutture con dimensioni diverse caratteristiche di selezionare quello che funziona meglio per la data lunghezza d'onda di illuminazione. La resistenza viscosa e termoforesi devono essere soppressi, così: mentre non possono essere in grado di tirare fuori le particelle di campo vicino trappole ottiche, possono certamente rendono difficile ottenere una particella sulla matrice NOCB in primo luogo.

Quando il campione è subito spostata sotto il microscopio, particelle distribuire uniformemente in tutto il volume e molto raramente avvicinarsi alla matrice CSE. (Calcure- indicano che una particella deve muoversi entro poche decine di nanometri di superficie di contatto deve essere bloccato.) Quando l'illuminazione viene inizialmente acceso, l'array CSE immediatamente riscaldare e creare un gradiente termico in acqua che respinge le particelle su una distanza di alcune centinaia di nanometri. Questa barriera è superata intrappolando una particella a distanza con il fascio di illuminazione concentrato, e manualmente trascinando la particella attraverso la barriera termica nel campo intrappolamento del CSE. Tuttavia, anche questo metodo non riesce se il gradiente termico è troppo alta. Nella nostra esperienza, l'inclusione dello strato di dissipatore di calore in rame è stata fondamentale per disegnare il calore lontano dall'acqua e indebolendo le forze termiche. Il dissipatore di calore in rame rende meno probabile che l'acqua bollirà in normali intensità di illuminazione anche.

La forza gradiente ottica su una piccola particella scale come il cubo del diametro delle particelle. Questo rende molto difficile intercettare un 100branello nm di un tallone 200 nm, in quanto la potenza deve essere aumentata otto volte maggiore riscaldamento del substrato della stessa quantità. In pratica si consiglia cattura perline grandi prima (400 nm o 500 nm di diametro), ottimizzando la forza trappola e minimizzando forze in competizione, e quindi tentare intrappolamento e trasporto di particelle più piccole.

Una volta che il campione è stato preparato, esperimenti possono essere eseguite fino a quando le particelle sono galleggianti liberamente in acqua. L'acqua esce il campione per evaporazione lungo i bordi. Nel nostro laboratorio questo pone un limite di tempo più o meno 20 minuti su esperimenti. L'evaporazione può anche provocare un concorrente forza resistenza viscosa come acqua è prelevata ai bordi del campione. Se il campione ha caratteristiche ruvide come bordi o punte che ne impediscono sdraiato sul vetrino metalliche piegate-up, la maggiore superficie esposta del acqua velocità di evaporazione. Se da un lato è più alto dell'altro, l'evaporazione sarà polarizzato versos il lato con il più grande divario campione scivolo e il fluido si sposta rapidamente nel corso degli nanostrutture, rendendo più difficile da vedere, catturare e trattenere le particelle.

Una singola NOCB può trasportare particelle per tutta la larghezza del raggio di illuminazione ma non oltre. Poiché l'intensità del fascio cade, la forza di ripristino dal fascio focalizzato diventa più forte e la forza handoff NOCB si indebolisce, fino rotazione polarizzazione è più in grado di rilasciare la particella di farla avanzare. Per estensione a trasportatori più lunghi o più trasportatori paralleli, la zona di illuminazione deve essere aumentata. Un potente, defocused diodo laser potrebbe alimentare una zona molto più grande del laser utilizzato in questi esperimenti. Alternativamente la zona di illuminazione può essere aumentata rapidamente scansione del fascio con un deflettore acusto-ottico.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
HSQ e-beam resist	Dow Corning	XR-1541-006
PMMA	MicroChem	950A2 M230002
Fast curing optical adhesive	Norland Optical Adhesive	NOA 81
Fluorescent carboxyl microspheres	Bangs Laboratories	FC02F, FC03F
Fluorescent carboxylate-modified microspheres	Molecular Probes	F-8888
Quartz slide	SPI Supplies	1020-AB
Inverted fluorescent microscope	Nikon	ECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG laser	Lightwave Electronics	221-HD-V04
sCMOS camera	PCO	EDGE55
CCD camera	Watec	WAT-120N
Zero-order half-wave plate	Thorlabs	WPH05M-1064
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T8787
Distilled water	Invitrogen	10977-023
Si Wafer	Silicon Quest International	708069
Optical lenses	Thorlabs