Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica

Abstract

A técnica de utilização de feixes de laser focado para interceptar e exercem forças em pequenas partículas permitiu que muitas descobertas fundamentais nas ciências biológicas e físicas em nanoescala ao longo dos últimas décadas. Os progressos realizados neste domínio convida um estudo mais aprofundado dos sistemas ainda menores e em maior escala, com ferramentas que poderiam ser distribuídos com mais facilidade e fez mais amplamente disponível. Infelizmente, as leis fundamentais de difracção de limitar o tamanho mínimo do ponto focal de um feixe de laser, o que faz com que as partículas mais pequenas do que uma metade do comprimento de onda, em diâmetro difícil de armadilha e geralmente impede um operador de discriminar entre as partículas que estão mais próximos do que metade -Comprimento de onda. Isso impede a manipulação óptica de muitas nanopartículas estreitamente espaçados e limita a resolução de sistemas óptico-mecânicos. Além disso, utilizando feixes de manipulação óptica requer focalizados de formação de feixe ou de direcção, as quais podem ser muito volumoso e caro. Endereçarestas limitações na escalabilidade do sistema convencional de captura óptica nosso laboratório desenvolveu uma técnica alternativa que utiliza óptica de campo próximo para mover partículas através de um chip. Em vez de focar feixes de laser no campo distante, o campo próximo óptica de ressonadores plasmonic produz o reforço intensidade óptica local necessária para superar as restrições de difração e manipular partículas com maior resolução. Ressonadores de perto espaçadas produzir fortes armadilhas ópticas que podem ser abordados para mediar a mão-off de partículas a partir de um para o outro de uma forma-de tapetes transportadores semelhantes. Aqui, descrevemos como projetar e produzir uma correia transportadora com uma superfície de ouro modelado com plasmonic ressonadores em forma de C e como operá-lo com luz laser polarizada para atingir super-resolução manipulação de nanopartículas e transporte. O chip correia transportadora nano-óptico pode ser produzido usando técnicas de litografia e facilmente embalada e distribuída.

Introduction

Capture, interrogatório e manipulação de nanopartículas individuais são de importância crescente na nanotecnologia. Pinças ópticas tornaram-se uma técnica de manipulação particularmente bem sucedido para experimentos em biologia molecular ^{1-4, 5-7 e} química nano-montagem ^7-10, onde eles permitiram que experiências inovadoras, tais como a medição das propriedades mecânicas de moléculas de DNA ^de solteiro 4 e a ordenação das células por suas propriedades ópticas ^11,12. Descobertas sobre essas fronteiras abrir o estudo de sistemas ainda menores, e eles abrir caminho para a engenharia de novos produtos e técnicas praticamente benéficos. Por sua vez, esta tendência impulsiona a necessidade de novas técnicas para manipular mais rudimentares, partículas menores. Além disso, há uma pressão para construir dispositivos "lab-on-a-chip" para executar essas funções de forma mais barata e numa embalagem mais pequena, a fim de trazer os testes químicos e biológicos para fora dolaboratório e no campo para médicos e outros fins ^13,14.

Infelizmente, captura óptica convencional (COT) não pode atender a todas as demandas de crescimento da nanotecnologia. COT opera sobre o mecanismo de utilizar uma elevada abertura numérica (NA) lente objectiva para trazer luz laser para um foco apertado, criando um pico localizado em intensidade óptica e gradientes elevados em energia do campo electromagnético. Estes gradientes de densidade de energia exercem uma força resultante sobre partículas de dispersão da luz que geralmente chama-los em direcção ao centro do foco. Prendendo partículas menores exige potência óptica superior ou um foco mais apertado. No entanto, os feixes de luz focalizado obedecer o princípio da difracção, que limita o tamanho mínimo do ponto focal e coloca um limite superior do gradiente de densidade de energia. Isso tem duas consequências imediatas: COT não pode reter pequenos objetos de forma eficiente, e COT tem dificuldade para discriminar entre as partículas espaçados, uma resolução trappinglimitação conhecida como o problema dos dedos gordos ". Além disso, a implementação de múltiplos aprisionamento de partículas com COT requer sistemas de óptica de orientação de feixe de luz ou moduladores espaciais, componentes que aumentam drasticamente o custo ea complexidade de um sistema de captura óptica.

Uma maneira de contornar as limitações fundamentais de vigas focadas convencionais de luz, disse a propagar no campo agora, é a vez explorar os gradientes de energia eletromagnética óptica no campo próximo. O próximo campo decai exponencialmente a partir de fontes fora dos campos electromagnéticos, o que significa que não só é altamente localizada a estas fontes, mas também exibe muito elevados gradientes na sua densidade de energia. Os próximos campos de ressonadores nano-metálicos, como aberturas bowtie, nano colunas e as gravuras em forma de C, foram mostrados para expor extraordinária concentração de energia eletromagnética, reforçada pela ação plasmonic de ouro e prata a quase infrcomprimentos de onda ópticos e ARED. Estes ressoadores ter sido usado para prender partículas extremamente pequenas com elevada eficiência e resolução ^15-22. Embora esta técnica tem se mostrado eficaz na captura de partículas pequenas, ele também provou ser limitado em sua capacidade para o transporte de partículas sobre a escala apreciável, o que é necessário se os sistemas de campo próximo são a interface com sistemas de campo distante ou microfluídica.

Recentemente, o nosso grupo propôs uma solução para este problema. Quando ressonadores são colocados muito próximos entre si, uma partícula pode, em princípio, migrar de um campo próximo armadilha óptica para o próximo sem ser liberado a partir da superfície. A direcção do transporte pode ser determinado se armadilhas adjacentes podem ser ligados e desligados separadamente. Uma cadeia linear de três ou mais ressonadores endereçáveis, em que cada um ressonador é sensível a um comprimento de onda ou polarização de luz diferente da dos seus vizinhos, funciona como uma correia transportadora óptico, o transporte de nanopartiCiclos mais de uma distância de alguns micra num chip.

O chamado 'Nano-óptica Correia Transportadora' (NOCB) é único entre os regimes de ressonador de armadilhagem plasmonic, como não só ele pode conter partículas no lugar, mas também pode movê-los em alta velocidade ao longo das trilhas estampados, reunir ou dispersar as partículas, misturar e fila-los, e até mesmo classificá-los por propriedades, tais como a sua mobilidade ^23. Todas estas funções são controladas através da modulação do comprimento de onda ou polarização de iluminação, sem necessidade de óptica de orientação de feixe. Como uma armadilha óptica de campo próximo, o NOCB prendendo resolução é maior do que a de armadilhas ópticas de feixe focado convencionais, de modo que pode diferenciar entre as partículas em estreita proximidade; porque ele usa uma nanoestrutura metálica para concentrar a luz em um prendendo bem, é eficiente em termos de energia, e não requer componentes ópticos caros, como um objectivo elevado NA. Além disso, muitos NOCBs podem ser operados em paralelo, com alto embalagem densidade, no mesmo substrato, e um W de potência pode dirigir mais de 1200 aberturas ^23.

Temos demonstrado recentemente o primeiro NOCB-driven polarização, sem problemas impulsionando uma nanopartícula frente e para trás ao longo de uma faixa de 4,5 mm ^24. Neste artigo apresentamos os passos necessários para projetar e fabricar o dispositivo, opticamente ativá-lo e reproduzir o experimento de transporte. Esperamos que a esta técnica mais amplamente disponível vai ajudar a preencher a lacuna entre a óptica tamanho microfluídica, em campo distante e dispositivos em nanoescala e experimentos.

Protocol

1. Projeto da gravura em forma de C (CSE) Disposição

1. Projetar o padrão de matriz.

Figura 1. CSE Layout. Representação de correia transportadora elemento repetindo. Transporte de sucesso foi alcançado utilizando d _{y =} 320 nm e d _{x =} 360 nm. Pares adjacentes de gravuras tem um deslocamento de 60º de rotação relativa. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

1. Determinar o caminho desejado de partículas através de um substrato planar.
2. Usando um programa de CAD, gerar uma matriz de dupla linear de polígonos em forma de C ao longo do caminho, cada polígono em cada par rodado consecutivamente 30 ± 90 ° em torno do seu casco convexo, conforme mostrado na Figura 1. Porque própria v de uma partículaolume aproximadamente determina a sua gama de transferência ^22, sem deixar de diâmetro mais do que uma partícula separar pares consecutivos, e deixar não mais do que 90% da distância entre centros do polígono com um par.
   Nota: Para referência, os estudos anteriores têm indicado que as esferas de poliestireno de 390 nm de diâmetro e acima são mais adequados para o transporte ao longo de uma tal matriz CSE. Grânulos tão pequenas como 200 nm, podem ser manipulados, embora não de forma fiável. No entanto, contas maiores de 500 nm sentir forças concorrentes mais fortes a partir de um feixe de iluminação focada.

2. Verifique forças de handoff ao longo do padrão de matriz usando um método numérico para resolver as equações de Maxwell. Enquanto o procedimento aqui descrito refere-se ao Método dos Elementos Finitos (MEF) implementado pelo COMSOL software comercial, é possível adaptar este método para outros métodos numéricos e implementações.
   1. Elaborar uma geometria método numérico que acomoda as dimensões padrão planar e exttermina, pelo menos, a 200 nm, abaixo do plano padrão e 600 nm acima do plano. Abaixo do plano, incluem um domínio para representar o substrato e acima do plano de um domínio para representar a câmara de fluido. Extrude planar em forma de C padrão a 150 nm, para baixo, para o substrato, para a criação de domínios 3D representam o interior das gravuras. Introduzir um domínio de partículas com a forma desejada.
      1. Certifique-se de que não há, pelo menos, de 200 nm de espaço entre o topo da partícula e o limite máximo do volume de simulação e ajustar as extensões de simulação como necessário. Adicionar camadas perfeitamente combinados pelo menos 500 nm de espessura para as fronteiras abertas da simulação para absorver a radiação para o exterior.
   2. Definir as propriedades do material electromagnéticos do domínio acima da interface às da água, as propriedades do material do interior das gravuras em forma de C para os de hidrogénio-silsesquioxano (HSQ), e as propriedades do material do material restante aos da GOLd. Definir as propriedades do material da partícula para as de poliestireno ou de outro material de escolha. Para simplificar, use modelos lineares materiais eletromagnéticos.
      Nota:. Uma amostra geometria 3D completa é mostrada na Figura 2 Neste caso, domínios materiais PML no cartesianas X ±, ± y, e z + limites absorver campos destinados a propagar para o infinito. Espessura PML é definida para ser 5 vezes o tamanho máximo tetrahedral elemento de malha, o equivalente a 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Se permissividade ɛ _r e permeabilidade μ _r são necessários insumos para o solucionador numérico à mão, use uma permissividade relativa de 1,96 para HSQ, 1,77 para a água, e -52,15 - 3.57i para o ouro. Defina todas as permeabilidades relativas a 1. Se uma propriedade do material eletromagnético diferente de permissividade e permeabilidade são necessários, usar esses valores para obter os insumos necessários de acordo com identidades eletromagnéticas padrão. Use o sinal de o apropriadof a parte imaginária de ouro de acordo com o tempo complexo convenção de sinal harmônico do solucionador numérico (que deve ser negativo sob o exp (+ iωt) de convenções e positivo sob o exp (- i w t) de convenções).

Figura 2. Simulation Geometry. Exemplo de geometria simulação numérica no COMSOL software comercial Método dos Elementos Finitos. Dois períodos de correia transportadora são simuladas com d _{y =} 320 nm e d _{x =} 360 nm e uma esfera de diâmetro de 500 nm. Materiais regiões sombreadas são a) HSQ, b) poliestireno, c) ouro, e d) água. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Discretizar o volume de simulação com um adaptativa m tetrahedralesh. Restringir o tamanho máximo dos elementos de malha para não maior do que 100 nm na massa. Além disso, restringe o tamanho máximo de elementos de malha de 30 nm sobre a superfície da esfera e 30 nm, sobre as superfícies de gravação para aumentar a precisão em estruturas críticas. Uma taxa de crescimento moderado de malha de cerca de 1,4 deve ser utilizado para preservar a qualidade do elemento de malha nessas regiões, e uma dimensão mínima da malha também podem ser definidos no volume para limitar o comportamento imprevisível malha adaptativa.
5. Para excitação óptica, definir um plano de fundo onda harmônica com um comprimento de onda espaço livre de 1,064 nm, que é normalmente incidente e refletida fora do substrato de ouro planar como se as gravuras e partículas estavam ausentes. Use as equações de Fresnel avaliadas em um ângulo normal da incidência para calcular avião onda de reflexão e transmissão coeficientes. Escolha da polarização desta onda tal que o campo eléctrico é alinhado com o cume de uma gravura em forma de C. Normalizar a intensidade da onda planaa 1 mW / uM ^2.
6. Resolva para os campos electromagnéticos espalhados em um lote de simulações, varrendo o parâmetro de posição de uma partícula final do caminho para o outro enquanto mantém altitude da partícula constante em apenas alguns nanômetros de fora da superfície. Altitudes tão baixas quanto 5 nm tendem a prever muito fortes potenciais de armadilhagem, enquanto maiores altitudes prever potenciais de armadilhagem mais suaves. Na verdade, o movimento browniano irá garantir que uma partícula de verdade vai explorar uma variedade de altitudes acima da superfície.
   Nota: recursos computacionais e tempo irá variar com o tamanho do sistema numérico, método numérico, e hardware do computador.
7. Repita os passos 1.2.5 e 1.2.6 para a polarização alinhada com cada uma das outras duas orientações em forma de C-polarização diferente, como ângulo de polarização é tomado módulo 180 °.
8. Para cada simulação nos três lotes, calcular a força resultante sobre a partícula, integrando o fluxo do Tensor de Maxwell-Minkowski através de uma superfície que inclui completamente a partícula, mas não atravessa todas as interfaces de materiais.
9. Para cada polarização, calcular o trabalho realizado contra forças ópticas através da realização de um caminho integral da força óptico líquida negativa sobre o caminho que a partícula se segue em cada lote, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3. Verificação Trapping. Aprisionamento estável pode ser demonstrada através da representação gráfica do potencial óptico de estados de activação. Um único período de apenas três CSEs é analisada pela simplicidade. Na verdade, a profundidade total armadilha é suficiente (> 10 k _B T) para a captura estável na gravação ativado para cada estado A, B, e C. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 4. Verificação handoff. Handoff pode ser demonstrado através da representação gráfica do potencial óptico de idade (luz vermelha) e os novos estados (vermelho brilhante) de ativação em sequência. Um único período de apenas três CSEs é analisada pela simplicidade. Durante a transferência de A a B e B a C, a barreira de potencial no sentido de movimento desejado entre essas duas posições é pequena tanto (1 k _{B T)} e menor do que no sentido oposto, indicando que o handoff controlada é provável. Handoff de C para A é mais difícil porque a barreira inter-armadilha permanece considerável em todas as polarizações. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

10. Verificar para cada polarização A, B e C que não é uma barreira de energia de pelo menos 10 KB T em altura de ambos os lados do potencial mínima em cada período de três Cs. Consulte a Figura 3 para uma identificação visual dos mínimos e barreiras em potencial.
    Nota: Esta etapa determina se a partícula vai ser estavelmente preso na correia transportadora proposto, sem pular e para trás. Devido à linearidade das ondas electromagnéticas e a utilização de modelos de materiais lineares, a barreira de energia é proporcional à intensidade da onda plana excitante.
11. Verifique se as barreiras de energia entre armadilhas A adjacentes e armadilhas B mergulhar abaixo de 1 k _B T, quando a polarização é continuamente girado de A para B durante partícula handoff. Repita o procedimento para rotação de polarização de B para C, e de C para A. Consulte a Figura 4 para uma identificação visual destas transição handoff mínimos e barreiras em potencial.
    Nota: Esta etapa determina se a partícula irá transferir de forma confiável a partir de uma armadilha A para uma armadilha B durante a rotação de polarização. Uma partículavai facilmente superar uma barreira de altura 1 k _B T para mover para um poço de potencial mais profundo.
12. Se há qualquer barreira de energia insuficiente no passo 1.2.10 ou qualquer barreira de energia que é demasiado forte no passo 1.2.11, ajustar o cartão. Em geral, para aumentar a barreiras de energia, aumenta o espaço dividindo gravuras em forma de C. Para diminuir as barreiras de energia, trazem as gravuras mais próximos. Evite aproximá-los do que duas profundidades de pele (40 nm), como gravuras que são muito próximos pode perturbar um do outro correntes de ressonância, o que reduz a eficácia geral trapping. Repita o passo 1.2 para re-verificar o potencial óptico.

2. Fabricar a matriz CSE

Nota:. O diagrama de processo é mostrado na Figura 5 Este processo é inspirada pelo trabalho na ref. 25 e 26.

Figura 5. CSE Processo. De o processo de extracção do modelo de camada dupla. Litografia de feixe de electrões com energia 100 keV é usado para expor o padrão de transporte no HSQ resistir. A camada de PMMA fina debaixo do HSQ destina-se a facilitar a final strip-off (release) do dispositivo a partir do substrato de Si. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

1. Adquirir, uma pastilha de silício polido limpo e trazê-lo para um quarto limpo e equipado para processos de litografia de silício.
2. Limpar a bolacha de silício para remover a contaminação orgânica e óxidos na superfície.
   1. Imergir a bolacha em uma mistura 9: 1 _H 2 SO _4: H _{2 O 2 a} solução a 100 ° C durante 10 min. Um banho de pelo menos 1 L garante uma limpeza robusta, embora menos química pode permitir o processamento de bolachas mais fácil e mais seguro como instalações exigem.
   2. Mergulhe o wafer em uma 50: 1 solução de HF durante 30 seg. Um banho de pelo menos 1 L garante uma limpeza robusta, embora menos química pode permitir o processamento de bolachas mais fácil e mais seguro como instalações exigem.
   3. Enxaguar a bolacha com água DI e spin-lo secar.
3. Casaco de rotação de 50 nm PMMA (espessura não é crítica).
   1. Chamuscadela cozer a bolacha a 150 ° C durante 30 min.
   2. Revestimento da rotação, uma bolacha de silício limpo polido com 2% 950k poli-metil-metacrilato (PMMA) a 5000 rpm durante 40 seg. Aplicar o PMMA com uma pipeta, o desembarque 20-25 gotas de resistir no centro da bolacha antes do início da rotação.
   3. Publicar coza PMMA resistir na placa a 200 ° C por 2 min.
4. Casaco de rotação de 150 nm HSQ (mesmo dia que passo seguinte).
   1. Rodada em tom negativo HSQ resistir a 900 rpm durante 1 min. Aplicar o HSQ com uma pipeta de plástico, novamente aterragem 20-25 gotas de resistir no centro da bolacha antes do início da rotação.
   2. Publicar coza HSQ resistir em hotplComeram a 80 ° C durante 2 min.
5. Expor e desenvolver o padrão usando técnicas de litografia por feixe de elétrons (no mesmo dia como passo anterior). O processo segue a partir do PMMA / HSQ demonstração de dupla camada na ref. 27.
   1. Traduzir o projeto da silhueta para o formato GDSII para padronização feixe de elétrons em uma matriz dose. Incluem marcas de alinhamento e as anotações que são, pelo menos, 5 um de tamanho, a fim de identificar as nanoestruturas sob um microscópio óptico. A matriz dose deve variar de 800-4,000 uC / cm ^2.
   2. Com uma ferramenta de exposição a litografia por feixe de electrões para expor a matriz a 100 kV voltagem de aceleração e uma abertura de 60 mm, o que produz uma corrente de 500 pA. Exposição feixe de elétrons é também possível sob voltagens de aceleração mais baixos desde que a corrente de feixe, dose, e correção padrão de proximidade são ajustados em conformidade.
   3. Desenvolver o HSQ expostas, submergindo a bolacha numa solução de hidróxido de tetrametilamónio 2,2% (TMAH) developer solução durante 90 seg. Agite suavemente a solução por meio de empurrões o desenvolvedor prato a cada 10 segundos. Após o tempo de desenvolvimento passou, pare imediatamente o desenvolvimento, através de lavagem da superfície com água durante 60 segundos.
6. Bata de uma camada de ouro de 200 nm de espessura, seguida por uma camada de cobre de 1000 nm de espessura, por cintilação de magnetrão. Certifique-se de usar uma ferramenta de pulverização catódica, cuja taxa de pulverização catódica ouro foi calibrado de modo que a espessura alvo é atingido em 20%. Taxas de pulverização catódica variará entre as ferramentas. Overshoot na espessura de ouro é aceitável, como é superação de cobre.
7. Cole de 1 cm x 1 centímetro de quartzo placa traseira para modelado substrato com epóxi UV-curável.
   1. Espalhe uma única gota de epóxi de cura UV para o lado do cobre da amostra em um quadrado de 1 cm x 1 cm cobrindo a área dispositivo padronizado.
   2. Aplicar uma placa traseira de quartzo / de vidro para a superfície de cobre, certificando-se de que cobre completamente a área de dispositivo padronizado.
   3. Coloque on óculos de segurança UV.
   4. Descanse a placa traseira e wafer sobre uma superfície plana, e iluminar o epóxi de cima com uma lâmpada de inundação UV por aproximadamente 30 min.
   5. Desligue a lâmpada de inundação UV e remover a amostra curada.
8. Libertar o dispositivo a partir do substrato de silio num banho de acetona.
   1. Usando uma faca afiada, marcar um caminho suave, fechado em torno do quartzo placa traseira, certificando-se que o corte é profundo o suficiente para penetrar todo o caminho até as duas camadas de metal e a camada de PMMA acima do wafer de silício.
   2. Submergir o substrato num banho de acetona durante 6-8 h.
   3. Se depois de 8 h a amostra dispositivo ainda não tiver sido libertado a partir da bolacha de silício, naturalmente, erguer cuidadosamente o dispositivo (incluindo a placa traseira de quartzo e ambas as camadas de metal) de distância a partir da bolacha de silício utilizando uma cunha fina ou faca.
   4. Lavar a amostra resultante com acetona durante cerca de 1 min e seque com _N2 ou ar limpo.
   5. Se houver are arestas de metal ou cola à volta da placa traseira, redimensioná-las cuidadosamente afastado com uma lâmina de barbear ou de laboratório tesouras. Isto irá melhorar a dinâmica de fluidos durante um experimento de aprisionamento, garantindo evaporação uniforme em torno das bordas de chips.
   6. Conservar a amostra em um recipiente à prova de poeira limpa para o transporte para o laboratório de óptica.

3. Prepare o corpo de prova

1. Prepara-se uma solução de grânulos de poliestireno fluorescentes.
   1. Dilui-se uma solução a partir de grânulos de poliestireno fluorescentes concentração do fabricante para 1x10 ⁹ / ml- 1x10 ¹⁰ / ml por adição de um volume apropriado de 1 ml de água.
   2. Adicionar 0,05 ml de surfactante (octil-fenol etoxilados) para a amostra espécime. O agente tensioactivo reduz a tendência dos grânulos coloidais para furar a qualquer superfície, e também aumenta ligeiramente a viscosidade do fluido de acolhimento.

4. Calibre o foco da ópticaColunas

Nota: Um esquema do aparelho pode ser referenciado na Figura 8.

1. Calibrar o foco da câmera de imagem espécime.
   1. Adquirir uma superfície reflexiva de reposição, modelado, e plana para teste e calibração. Uma amostra fictício com marcas de alinhamento funciona bem.
   2. Ligue a lâmpada de mercúrio de microscópio e esperar até que o nível de luz se estabilizou, em seguida, abra a tampa da lâmpada.
   3. Coloque a superfície de ensaio modelado no campo microscópio de vista e mover a sua vantagem no campo de centro vista. Ajuste atenuadores de luz para se certificar de que a luz não é muito brilhante para observar através da ocular, então olhar através da ocular e trazer a borda em foco.
   4. Mover a platina do microscópio de modo que um padrão é agora no centro do campo de visão, e ajustar o botão de focagem para maximizar a nitidez do padrão.
   5. Ligue a câmera de imagem de amostra e ajustar o brilho eo contraste para oo nível de iluminação do microscópio.
   6. Ajuste o foco da câmera espécime até que o padrão também está em foco para a câmera. O padrão deve estar em foco em vista tanto da câmara e na ocular sem ter que fazer qualquer ajuste de foco ao alternar entre os dois.
2. Calibrar a coluna de imagem do feixe para assegurar que a câmara de imagem raio laser incide sobre o substrato.
   Nota: Admite-se que o laser infravermelho próximo já foi aproximadamente colimado e alinhadas com as colunas de imagem de microscópio. Um cartão sensor IR é uma ferramenta útil para realizar este alinhamento. Recomenda-se para a construção de todo o sistema sobre um suporte pré-alinhados, tal como um sistema de gaiola de modo a que todas as ópticas pode ser centrado sobre o mesmo eixo automaticamente. Espelhos dicróicos inseridos para feixe e de imagem comprimentos de onda separados são padrão, mas para a segurança não deve vazar mais de 1% do comprimento de onda do laser.
   1. Assegurar que cada investigador na sala coloca em safet a lasery óculos com uma extinção de pelo menos 10 ^7, no comprimento de onda de operação do laser (1064 nm) e assegurar que o feixe de laser do obturador está fechado.
   2. Ligue o sistema de fornecimento de energia e resfriamento a laser, mas deixe o feixe fechadas. Aqueça o meio de ganho laser.
   3. Uma vez que os óculos estão no lugar e o obturador é confirmado fechado, ligar o laser. Coloque um bloco em frente do feixe de laser e a abrir o obturador para medir a saída do feixe de laser e verificar, utilizando um medidor de potência, que a potência de saída do laser se estabilizou. Mantenha o bloco trave no lugar.
   4. Para proteger a câmera de imagem espécime de níveis prejudiciais de luz laser, certifique-se de atenuadores de feixe estão no lugar em frente à câmera de imagens de amostra, bem como um espelho dicróico para dirigir a energia do feixe remanescente a uma câmara de imagem feixe separado. Além disso, modular a potência do laser usando atenuadores ou um divisor de feixe de polarização para que apenas uma quantidade moderada de potência (10 mW) passa atravéspara o aparelho.
   5. Retire o bloco de feixe e permitir que o feixe de viajar através do aparelho e cair no feixe detector de imagem da câmera.
   6. Ligue a câmera de imagem do feixe e ajustar o brilho eo contraste para o nível de luz laser.
   7. DEFOCUS o feixe de laser de modo a que uma vasta área do reflector modelado é iluminado por luz laser.
   8. Ajuste o foco da câmera de imagem feixe até as características do padrão estão em foco simultaneamente a imagem de luz branca da câmera de imagem espécime com, e traduzir a câmera de modo que seu campo de visão é centrada no campo de visão da imagem espécime câmara. O deslocamento entre a imagem do feixe de imagem e luz branca focal eficaz neutraliza a discrepância do comprimento focal do sistema óptico entre o laser e comprimentos de onda visíveis.
3. Traga o laser em foco com a câmera de imagem do feixe.
   1. Usando o foco calibrado na câmara de imagem do feixe, ajustar o laserfoco do feixe até que foca a um ponto apertado, e ajustar a posição de focagem do feixe de modo que ele desce no centro do campo de visão. Utilizando software de anotação ou outro método de escolha, marcar a posição do feixe no campo da câmara espécime de vista.
   2. Feche o obturador de feixe laser.

5. Armadilha e manipular Specimen com energia ótica

Nota: Um esquema do aparelho pode ser referenciado na Figura 8.

1. Imagem as esferas de poliestireno fluorescentes.
   1. Substitua a amostra manequim e tampa de deslizamento com uma lamela limpa no porta-amostras do microscópio.
   2. Coloque uma ponta na extremidade de descarga da micro-pipeta e extrai-se 2-4 uL de solução diluída de partícula fluorescente com a pipeta.
   3. Descarregue lentamente a solução sobre a lamela. Se houver bolhas, removê-los, soprando suavemente ar limpo para a gota de solução.
   4. Carefully colocar o dispositivo na parte superior da bolha solução com a superfície de ouro voltada para baixo. A solução deve espalhar por toda a área por baixo do dispositivo.
   5. Mover a platina do microscópio de modo que uma borda do chip matriz ressonador está perto do centro do campo de visão. Estabelecer o foco sobre a borda do chip.
   6. Traduzir a platina do microscópio de modo que o padrão de ressonância está perto do centro do campo de visão. Foco sobre as nanoestruturas, trazendo marcas de alinhamento escuras em foco, e note que os próprios ressonadores aparecem como manchas escuras no fundo reflector brilhante.
   7. Inserir um filtro de passagem de banda estreita na frente da lâmpada que bloqueia todas as outras cores do que o correspondente ao pico de absorção dos grânulos fluorescentes mercúrio.
   8. Inserir um filtro de passagem de banda estreita na frente da câmara de imagem espécime que bloqueia todas as outras cores do que o correspondente ao pico de emissão das esferas fluorescentes.
   9. Traga a imagem fluorescente de the grânulos em foco, observando a sua velocidade de deriva média colectiva contra o seu movimento browniano individualmente aleatória. Aguardar até que a velocidade de deriva média dos grânulos diminui para menos de 10 um / seg.
      Nota: devido à evaporação nas extremidades do chip, e, devido às forças dinâmicas de decantação do fluido por baixo peso do chip, pode haver correntes visivelmente aparente (dezenas de ^ M / s ou mais) no fluido de amostra. Se a evaporação não é muito assimétrica ao longo da borda do chip, estas correntes vão eventualmente diminuir para níveis aceitáveis ​​para realizar uma experiência.
2. Use o feixe de laser focado para interceptar um talão de poliestireno.
   1. Certifique-se de que todos os pesquisadores colocar em óculos de segurança a laser apropriados, e em seguida, ligue o laser, mantendo o obturador feixe de laser fechado. Certifique-se de que a saída do laser é inferior a 10 mW. Certifique-se de que a potência do laser tem se estabilizado, testando a saída do feixe com um bloco de feixe no lugar que impede que a radiação laserde entrar no microscópio.
   2. Uma vez que o poder do laser se estabilizou, remova o bloco de feixe e observe o ponto de laser na imagem do feixe. Se o local está fora de foco, ajuste o foco do laser até foco pontual mínima seja alcançada.
   3. Embora assegurando que atenuadores suficientes são colocadas em frente da imagem do feixe para evitar a saturação de detector de feixe, gradualmente, aumentar a potência de saída do laser até um deriva do grânulo pode ser estavelmente capturado no foco do feixe. A varredura do estágio do microscópio pode ajudar na retenção de um talão que é de centro-off.
   4. Verificar que o talão prendido está localizada na ou perto da marca feita anteriormente para controlar a posição do foco do laser no espécime imagem. Se há uma diferença entre a posição do grânulo e a marca de focagem de laser, corrigir a marca de foco do laser para combinar a nova posição do grânulo.
   5. Agora, ajustar o contratante feixe construído para o caminho do feixe até o ponto do feixe é expandido para 9 mm FWHM em diâmetro quando está totalmente em foco. Medir isto como umseção transversal intensidade em linha reta através do centro do ponto de feixe na imagem do feixe.
   6. Se o talão original é preso foi perdido durante este ajuste, use a fase de tradução para procurar e prender uma outra conta.
      1. Se o alargamento do ponto do feixe tem desestabilizado a armadilha óptica (devido a um gradiente de intensidade diminuída), aumentar a potência necessária para atingir captura óptica estável feixe. Se o aumento da dimensão do ponto focal moveu o centro do feixe de distância da sua posição original, a re-marcar a posição média do grânulo aprisionado na imagem espécime como o centro do feixe.
3. Estabelecer near-field trapping e manipular um talão de poliestireno em uma matriz de gravura em forma de C.
   1. Ligue a iluminação de fundo da lâmpada e aumentar o seu poder até que o padrão substrato pode ser visto no fundo por trás das imagens de partículas fluorescentes.
   2. Com um rebordo preso pelo feixe focado fracamente, utilizar a platina do microscópio tO padrão de mover o substrato, de modo que a extremidade de uma matriz de ressoadores pode ser visto directamente por trás do talão prendido. Se o movimento browniano aleatório do talão torna-se significativamente reduzido, isso significa que o cordão está preso pelo campo perto de um ressonador animado.
      Nota: Se o rebordo ainda não foi presa pelo campo óptico próximo, ajustar a posição do ressonador matriz plasmonic por baixo do rebordo. Esse ajuste pode trazer o talão em contato mais próximo com um ressonador, que está mais alinhada com a polarização atual da luz laser. Se este processo não induzem aprisionamento de campo próximo, o foco do feixe pode ser ligeiramente acima do plano do substrato. Neste caso, ajustar o foco do laser ligeiramente de modo a que o ponto focal se aproxima da superfície do substrato.
   3. Se depois de palco e laser pequenos ajustes de foco do talão tem ainda ainda não foi preso pelo campo perto de óptica, encontrar outra matriz sobre o substrato e repita o processo de interceptação de campo próximo, começandocom o passo 5.3.2.
      Nota: defeitos de fabricação causar ambas as variações sistemáticas e aleatórias no desempenho ressonador. Ressonador matrizes não-funcionamento são comuns até que os resultados de fabricação foram totalmente caracterizados e são repetíveis.
   4. Depois de campo próximo aprisionamento foi estabelecida, mover o estágio de translação do microscópio de modo que o centro do ponto de laser reside mais perto do centro do transportador. Esta acção irá tendem a puxar o cordão, juntamente com o centro do laser focalizado, de modo que somente pequenos ajustamentos podem ser feitos desta maneira. Se um cordão torna-se desalojado, reduzir o movimento. Esta é a quantidade de deslocamento do feixe tolerável pelas armadilhas de campo próximo.
   5. Depois de deslocar o feixe ligeiramente na etapa anterior, rodar uma placa de meia onda colocado no percurso do feixe laser para rodar o ângulo de polarização linear. Isso ativa ressonadores em uma seqüência para baixo a matriz e induz controlada, movimento linear no cordão fluorescente. Um palco rotativo motorizado pode elelp produzir rotação mais constante na placa de meia onda e movimento talão, portanto, mais estável.
   6. Para acompanhar o andamento dos dados de contas e de captura sobre a sua posição, desligar a iluminação de fundo da lâmpada e use um utilitário de captura de vídeo para capturar quadros do movimento talão. Pós-processamento do movimento de partículas pode ser conseguido usando o script MATLAB fornecida.

Representative Results

A Figura 7 é uma imagem do dispositivo final. No centro da superfície de ouro a 1 cm x 1 cm é a matriz de CSE e padrões de transporte, o que pode ser visto a partir de apenas uma vista angular. A Figura 6 é uma imagem de microscopia electrónica de varrimento de um exemplo de padrão de CSE no dispositivo final.

O movimento de partículas de um poliestireno talão 390 nm viajar através de uma correia transportadora de nano-óptico de 5 um de comprimento é mostrado na figura 9. A curva mostra a posição da partícula como função do ângulo de polarização de laser. Como mencionado no protocolo, pode haver casos em que o transporte não tiver êxito ou near-field trapping não iniciam. O melhor curso de ação é tentar um padrão diferente, que pode ser em melhores condições.

Figura 6. Imagem SEM do CSE Array. imagens microscópio eletrônico de varredura (MEV) dos padrões CSE. (a) mostra a imagem de mesas HSQ após o desenvolvimento resistir. A amostra é estalou com 5 nm de ouro como uma camada condutora para inspeção SEM. (b) -. (c) mostram padrões finais após a amostra é liberada a partir do substrato de silício Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7. CSE matriz Chip. Imagem do dispositivo final, cerca de 10 mm x 10 mm de dimensão. A imagem mostra a superfície de ouro da frente do dispositivo. Difracção de ralar marcações de identificação é visível como quadrados multi-color perto do centro do chip. Por favor click aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8. aparelho experimental. Esquema do dispositivo experimental. Ambos aprisionamento e de imagem são realizados em modo de reflexão. Os diferentes caminhos de luz são distinguidos utilizando cores diferentes. As linhas vermelhas, verde, pontilhada vermelha, azul e amarelo representam os caminhos de luz de captura óptica (condução de transporte), imagens fluorescentes, de imagens a laser, excitação fluorescente e iluminação de campo brilhante, respectivamente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9. Bead Trajetória Sobre Double-Rail Transportadora. Posição vs. ângulo de polarização para um cordão de 390 nm se movendo em uma longa correia transportadora double-rail 4.5 mm. Imagens na mostra instantâneos esquerda da esfera após cada período de transporte. A curva à direita traça a posição calculada dos centros de contas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

O NOCB combina as forças de armadilhagem fortes e tamanho pequeno armadilha de abordagens plasmonic com a capacidade para o transporte de partículas, a longo disponível somente para as técnicas de feixe focalizado convencionais. Exclusivo para o NOCB, as propriedades de captura e transporte do sistema são o resultado de padrões de superfície e não de moldar o feixe de iluminação. Desde que a iluminação é brilhante o suficiente e sua polarização ou comprimento de onda pode ser modulada, as partículas podem ser mantidos ou movidos em protocolos complicados na superfície. Nós demonstramos através de simulação que um NOCB pode também rapidamente classificar partículas com base na sua mobilidade ^23. Near-field armadilhas podem servir volumes de reacção como pequenos para uma única molécula química, eo parallelizability inerente do NOCB significa que pode ser usado para configurar, executar e derrubar o maior número de experimentos simultâneos como pode ser embalado em um chip e iluminada à uma vez.

Para obter o NOCB para trabalhar, o near-field optical forças que mantêm e entregar nanopartículas devem superar as forças concorrentes de arrasto viscoso, captura óptica convencional (a força do feixe de iluminação), termoforese, e forças de contato com outras partículas e do próprio substrato. A força óptica de campo próximo deve ser o mais forte possível para uma dada potência de iluminação; Tal requer uma programação cuidadosa nanoestrutura e fabricação, mas na prática é preciso produzir uma gama de estruturas com diferentes tamanhos característicos para selecionar o que funciona melhor para o comprimento de onda dado iluminação. O arrasto viscoso e termoforese deve ser suprimido assim: enquanto eles podem não ser capaz de puxar partículas de armadilhas ópticas de campo próximo, eles certamente podem tornar difícil para obter uma partícula para a matriz NOCB em primeiro lugar.

Quando a amostra é colocada em primeiro lugar sob o microscópio, as partículas vão distribuir uniformemente por todo o volume e muito raramente chegarão a matriz CSE. (Calcuções indicam que uma partícula deve mover-se dentro de algumas dezenas de nanómetros de contacto com a superfície a ser preso.) Quando a iluminação é ligado pela primeira vez, a matriz CSE será imediatamente aquecer e criar um gradiente térmico na água que repele as partículas sobre uma distância de várias centenas de nanometros. Esta barreira é superada prendendo uma partícula a uma distância com o feixe de iluminação focada, e manualmente arrastando o de partículas através da barreira térmica no campo de aprisionamento do CSE. No entanto, mesmo este método falhará se o gradiente térmico é muito alta. Em nossa experiência, a inclusão da camada de dissipador de calor de cobre foi fundamental para desenhar o calor longe da água e enfraquecer as forças térmicas. O dissipador de calor de cobre também torna menos provável que a água vai ferver sob intensidade normal de iluminação.

A força do gradiente óptico sobre uma partícula muito pequena escalas como o cubo do diâmetro de partícula. Isso torna muito mais difícil de uma armadilha 100grânulo nm do que uma camada de 200 nm, uma vez que a alimentação deve ser aumentada oito vezes de aumento do aquecimento do substrato pela mesma quantidade. Como uma questão prática é recomendável aprisionando os grânulos maiores primeiro (400 nm ou 500 nm de diâmetro), optimizando a força armadilha e minimiza as forças que competem, e, em seguida, a tentativa de captura e transporte de partículas menores.

Uma vez que a amostra tenha sido preparado, as experiências podem ser realizadas enquanto as partículas estão a flutuar livremente na água. A água sai da amostra por evaporação ao longo das bordas. Em nosso laboratório isso coloca um limite de tempo mais ou menos 20 minutos em experimentos. A evaporação também pode resultar em uma força de arrastamento viscoso competir como a água é drenada para os bordos da amostra. Se a amostra tem características ásperas, tais como bordas de metal curvados para cima ou picos que o impedem de deitado na lâmina de vidro, a maior área de superfície exposta da água irá acelerar a evaporação. Se de um lado é maior do que a outra, a evaporação será inclinado paraé o lado com o maior fosso amostra-slide e o fluido se move rapidamente ao longo das nanoestruturas, tornando-o mais difícil de ver, capturar e prender partículas.

Uma única NOCB pode transportar partículas através da largura do feixe de iluminação e não mais adiante. À medida que a intensidade do feixe de cai, a força de reposição do feixe focado fica mais forte e a força handoff NOCB cresce mais fraca, até que a rotação de polarização é mais provável para libertar a partícula de movê-lo para a frente. Para a extensão transportadores mais longos ou mais transportadores paralelos, da área de iluminação deve ser aumentada. Um poderoso, a laser desfocado poderia diodo alimentar uma área muito maior do que o laser utilizado nestas experiências. Alternativamente, a área de iluminação pode ser aumentada por um rápido digitalização do feixe utilizando um deflector acústico-óptico.

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