Fabrication et fonctionnement d'un Convoyeur Nano-optique

Abstract

La technique d'utilisation faisceaux laser focalisés à piéger et à exercer des forces sur de petites particules a permis de nombreuses découvertes pivots dans les sciences biologiques et physiques à l'échelle nanométrique au cours des dernières décennies. Les progrès réalisés dans ce domaine invite en outre l'étude des systèmes encore plus petites et à plus grande échelle, avec des outils qui pourraient être distribués plus facilement et plus largement accessibles. Malheureusement, les lois fondamentales de diffraction limitent la taille minimum de la tache focale d'un faisceau laser, ce qui rend les particules inférieures à une demi-longueur d'onde de diamètre difficile de piège et empêche généralement un opérateur d'établir une discrimination entre les particules qui sont plus rapprochées que la moitié -Attenuateurs. Cela empêche la manipulation optique de nombreuses nanoparticules rapprochées et limite la résolution de systèmes optiques-mécaniques. En outre, la manipulation à l'aide faisceaux focalisés nécessite optique de formation de faisceaux ou direction, qui peuvent être très encombrants et coûteux. Adresserces limitations dans l'évolutivité du système de piégeage optique conventionnelle Notre laboratoire a mis au point une technique alternative qui utilise champ proche optique pour déplacer des particules à travers une puce. Au lieu de concentrer des faisceaux laser dans le champ lointain, le champ proche optique de résonateurs plasmoniques produit la mise en valeur d'intensité optique locale nécessaire pour surmonter les restrictions de diffraction et de manipuler des particules à plus haute résolution. Résonateurs rapprochées produisent pièges optiques fortes qui peuvent être adressées à la médiation de la main-off de particules de l'un à l'autre dans un mode à bande transporteuse-like. Ici, nous décrivons comment concevoir et produire une bande transporteuse en utilisant une surface d'or à motifs avec plasmoniques résonateurs en forme de C et comment le faire fonctionner avec une lumière laser polarisée pour atteindre la manipulation de nanoparticules de super-résolution et le transport. Le convoyeur puce de bande de nano-optique peut être produit en utilisant des techniques de lithographie et facilement emballé et distribué.

Introduction

Capture, l'interrogation et la manipulation de nanoparticules individuelles sont d'une importance croissante dans les nanotechnologies. Pinces optiques sont devenus une technique de manipulation particulièrement réussie pour les expériences en biologie moléculaire ^{1-4, 5-7} et la chimie des nano-assemblage ^7-10, où ils ont permis à des expériences de pointe telles que la mesure des propriétés mécaniques des molécules d'ADN simple et ⁴ le tri des cellules par leurs propriétés optiques ^11,12. Découvertes sur ces frontières ouvrent l'étude des systèmes encore plus petits, et ils laissent la place à l'ingénierie des nouveaux produits et techniques pratiquement bénéfiques. À son tour, cette tendance entraîne le besoin de nouvelles techniques pour manipuler des particules plus petites, plus rudimentaires. En outre, il ya une poussée pour construire des dispositifs «lab-on-a-chip 'pour exécuter ces fonctions à moindre coût et dans un emballage plus petit afin d'apporter des tests chimiques et biologiques de lalaboratoire et sur ​​le terrain à des fins médicales et autres ^13,14.

Malheureusement, le piégeage optique classique (COT) ne peut pas répondre à toutes les demandes croissantes de la nanotechnologie. COT fonctionne sur le mécanisme de l'aide d'une grande ouverture numérique (NA) objectif d'apporter la lumière laser à un foyer serré, créant un pic localisé en intensité optique et des gradients élevés dans l'énergie du champ électromagnétique. Ces gradients de densité d'énergie exercent une force nette sur particules diffusant la lumière qui les entraîne en général vers le centre du foyer. Le piégeage des particules plus petites exige puissance optique élevée ou un accent plus serré. Cependant, faisceaux de lumière focalisé obéissent au principe de la diffraction, ce qui limite la taille minimale de la tache focale et place une limite supérieure sur le gradient de densité d'énergie. Cela a deux conséquences immédiates: lit bébé peut pas retenir de petits objets de manière efficace, et COT a du mal à distinguer entre particules étroitement espacés, une résolution de piégeagelimitation connu comme le problème des «gros doigts de. En outre, la mise en oeuvre piégeage des particules multiple avec berceau nécessite des systèmes de l'optique d'orientation de faisceau ou de modulateurs spatiaux de lumière, les composants qui augmentent considérablement le coût et la complexité d'un système de piégeage optique.

Une façon de contourner les limites fondamentales de faisceaux focalisés classiques de la lumière, a déclaré à se propager dans le champ lointain, est d'exploiter la place des gradients d'énergie électromagnétique optique en champ proche. Le champ proche décroît exponentiellement loin de sources de champs électromagnétiques, ce qui signifie que non seulement il est très localisée à ces sources, mais il présente également de très forts gradients dans sa densité d'énergie. Les champs près de résonateurs nano-métalliques, tels que les ouvertures de noeud papillon, piliers nano et gravures en forme de C, ont été montrés pour présenter des concentrations extraordinaires d'énergie électromagnétique, encore renforcée par l'action plasmonique de l'or et de l'argent à court infrARED longueurs d'onde et optiques. Ces résonateurs ont été utilisés pour piéger les particules extrêmement petites à haut rendement et la résolution ^15-22. Bien que cette technique a prouvé son efficacité pour piéger les petites particules, il est également avéré être limitée dans sa capacité à transporter des particules sur toute la plage appréciable, qui est nécessaire si les systèmes en champ proche sont à l'interface avec les systèmes ou la microfluidique en champ lointain.

Récemment, notre groupe a proposé une solution à ce problème. Lorsque résonateurs sont placés très près les uns, une particule peut en principe migrer d'un piège optique en champ proche à l'autre sans avoir été libéré de la surface. La direction de transport peut être déterminé si pièges adjacentes peuvent être allumés et éteints séparément. Un réseau linéaire d'au moins trois résonateurs adressables, dans lequel chaque résonateur est sensible à une longueur d'onde ou la polarisation de la lumière différente de celle de ses voisins, fonctionne comme une courroie de transport optique, le transport nanoparticles sur une distance de plusieurs microns sur une puce.

Le soi-disant «Nano-optique Convoyeur '(NOCB) est unique parmi les régimes résonateur de piégeage plasmoniques, que non seulement il peut retenir les particules en place, mais il peut aussi les déplacer à grande vitesse le long de pistes à motifs, de recueillir ou de disperser des particules, mélanger et la file d'attente, et même de les trier par des propriétés telles que leur mobilité ^23. Toutes ces fonctions sont commandés par modulation de la polarisation ou de la longueur d'onde d'illumination, sans avoir besoin de l'optique d'orientation de faisceau. Comme un piège optique à champ proche, la NOCB piégeage résolution est supérieure à celle des pièges optiques ciblée faisceau conventionnels, de sorte qu'il peut différencier les particules à proximité; car il utilise une nanostructure métallique pour concentrer la lumière dans un puits de piégeage, il est économe en énergie, et ne nécessite pas de composants optiques coûteux comme un objectif haute NA. En outre, de nombreux NOCBs peuvent être exploités en parallèle, à haute den d'emballagesité, sur le même substrat, et 1 W de puissance peut conduire plus de 1200 ouvertures ^23.

Nous avons récemment démontré le premier NOCB de polarisation-driven, propulsant en douceur une nanoparticule avant et en arrière le long d'une piste ²⁴ 4,5 um. Dans cet article, nous présentons les mesures nécessaires pour concevoir et fabriquer le dispositif, optiquement l'activer et reproduisons l'expérience de transport. Nous espérons que le fait de cette technique plus largement disponibles aidera à combler l'écart de taille entre l'optique de la microfluidique, champ lointain, et des dispositifs nanométriques et expériences.

Protocol

1. Conception de la gravure en forme de C (CSE) Tableau

1. Concevoir le motif de réseau.

Figure 1. CSE Mise en page. Représentation de bande transporteuse élément répéter. Transports réussie a été réalisée en utilisant d _{y =} 320 nm et d _x = 360 nm. Paires adjacentes de gravures ont un décalage de rotation par rapport à 60º. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

1. Déterminer la trajectoire souhaitée de particules à travers un substrat plan.
2. L'utilisation d'un programme de CAO, de générer une matrice linéaire de deux polygones en forme de C le long du chemin, chaque polygone dans chaque paire consécutive rotation 30 ± 90 ° autour de son enveloppe convexe comme représenté sur la Figure 1. En raison d'une particule propre volume détermine à peu près sa gamme de transfert ^22, ne laissent aucun diamètre plus d'une particule séparant paires consécutives, et ne laissent pas plus de 90% de cette distance entre les centres des polygones dans une paire.
   Note: Pour référence, des études antérieures ont indiqué que les sphères de polystyrène de 390 nm de diamètre et ci-dessus sont les plus appropriés pour le transport le long d'un tel réseau de CST. Perles aussi petites que 200 nm peuvent être manipulés, mais pas de manière fiable. Cependant, des perles de plus de 500 nm sentent forces concurrentes plus fortes à partir d'un faisceau d'éclairage focalisé.

2. Vérifiez forces de transfert intercellulaire le long du motif de tableau en utilisant une méthode numérique pour résoudre les équations de Maxwell. Bien que la procédure décrite ici se rapporte à la méthode des éléments finis (FEM) mis en oeuvre par le logiciel COMSOL commercial, il est possible d'adapter ce procédé à d'autres procédés et mises en œuvre numériques.
   1. Élaborer une méthode géométrie numérique qui accueille les dimensions de la forme plane et postese termine au moins 200 nm en dessous du plan de motif et 600 nm au-dessus du plan. Dessous du plan, inclure un domaine pour représenter le substrat et au-dessus du plan d'un domaine pour représenter la chambre de fluide. Extruder le plan en forme de C 150 nm motif vers le bas dans le substrat, la création de domaines 3D pour représenter l'intérieur de la gravure. Présentez un domaine de particules avec la forme désirée.
      1. Assurez-vous que il y a au moins 200 nm d'espace entre le haut de la particule et le plafond du volume de simulation et d'ajuster l'étendue de la simulation si nécessaire. Ajouter des couches parfaitement assortis au moins 500 nm d'épaisseur aux frontières ouvertes de la simulation pour absorber le rayonnement vers l'extérieur.
   2. Régler les propriétés des matériaux électromagnétiques du domaine au-dessus de l'interface à celles de l'eau, les propriétés du matériau de l'intérieur de la gravure en forme de C à celles d'un atome d'hydrogène-silsesquioxane (HSQ), et les propriétés matérielles de la matière restante à ceux de golré. Régler les propriétés du matériau de la particule à celles du polystyrène ou autre matériau de choix. Pour plus de simplicité, utiliser des modèles de matériaux électromagnétiques linéaires.
      Remarque:. Une géométrie 3D complet de l'échantillon est représentée sur la Figure 2 Dans ce cas, les domaines de matériau à la PML ± cartésien x, ± y, z + et absorbent les limites des champs destinés à se propager vers l'infini. PML épaisseur est définie comme étant 5 fois la taille maximale tétraédrique de l'élément de maille égale à 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Si _r et de la perméabilité μ _r permittivité sont nécessaires entrées pour le solveur numérique à portée de main, utiliser une permittivité relative de 1,96 pour HSQ, 1,77 pour l'eau, et -52,15 - 3.57i pour l'or. Réglez tous les perméabilités relatives à 1. Si une propriété de matériau électromagnétique autre que permittivité et une perméabilité sont nécessaires, utiliser ces valeurs pour obtenir les intrants nécessaires selon identités électromagnétiques standard. Utilisez le signe approprié of la partie imaginaire de l'or en fonction du temps complexe signe harmonique convention du solveur numérique (il devrait être négative en vertu de l'exp (+ iωt) Convention et positive dans le cadre du exp (- i w t) Convention).

Figure 2. Simulation Géométrie. Exemple de la géométrie de la simulation numérique dans le COMSOL logiciel Finite Element Method commerciale. Deux périodes de bande transporteuse sont simulées avec d _{y =} 320 nm et d _{x =} 360 nm et un diamètre de sphère de 500 nm. Régions de matériau ombragés sont a) HSQ, b) polystyrène, c) l'or, et d) de l'eau. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

4. Discrétiser le volume de simulation avec un m tétraédrique adaptativeESH. Limiter la taille maximale des éléments de maillage à pas plus grande que 100 nm dans la masse. En outre, de limiter la taille maximale des éléments de maillage de 30 nm sur la surface de la sphère et 30 nm sur les surfaces de gravure pour augmenter la précision sur les structures critiques. Un taux de croissance de maille modérée d'environ 1,4 devrait être utilisé pour préserver la qualité de l'élément de maillage dans ces régions, et un maillage minimal peut également être définie dans le volume de limiter le comportement de maillage adaptatif imprévisible.
5. Pour une excitation optique, de définir un fond harmonique onde plane avec une longueur d'onde en espace libre de 1 064 nm qui est normalement incidente et réfléchie par le substrat de l'or plane comme si les gravures et particules étant absents. Utilisez les équations de Fresnel évalués à un angle d'incidence normal pour calculer plan réflexion des vagues et coefficients de transmission. Choisir la polarisation de cette onde de telle sorte que le champ électrique est aligné avec l'arête d'une gravure en forme de C. Normaliser l'intensité de l'onde planeà 1 mW / um ^2.
6. Résoudre pour les champs électromagnétiques dispersés dans un lot de simulations, balayant la position paramètre de particules d'une extrémité de la voie à l'autre tout en maintenant l'altitude de la particule constante à quelques nanomètres de la surface. Altitudes aussi basses que 5 nm ont tendance à prédire le potentiel de piégeage très fortes, tandis que prédisent des altitudes plus lisses potentiels de piégeage. En fait, le mouvement brownien veillera à ce qu'une particule réelle va explorer une variété d'altitudes au-dessus de la surface.
   Remarque: Les moyens informatiques et le temps varient en fonction de l'importance numérique du système, méthode numérique, et de matériel informatique.
7. Répéter les étapes 1.2.5 et 1.2.6 de polarisation aligné avec chacune des deux autres orientations en forme de C polarisation distinct, comme angle de polarisation est pris modulo 180 °.
8. Pour chaque simulation dans les trois lots, calculer la force nette sur la particule en intégrant le flux du tenseur de Maxwell-Minkowski à travers une surface qui entoure complètement la particule, mais ne traverse pas toutes les interfaces matérielles.
9. Pour chaque polarisation, calculer le travail effectué à l'encontre des forces optiques en effectuant une intégrale de chemin optique de la force nette négative sur le chemin que suit la particule dans chaque lot, comme représenté sur la figure 3.

Figure 3. Vérification de piégeage. Stable de piégeage peut être démontrée en traçant le potentiel optique des états d'activation. Une seule période de seulement trois CSE est analysé pour la simplicité. En effet, la profondeur globale de piège est suffisante (> 10 k _B T) pour le piégeage stable à la gravure activé pour chaque état ​​A, B, et C. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 4. Handoff vérification. Handoff peut être démontrée en traçant le potentiel optique de la vieille (lumière rouge) et les nouveaux états (rouge vif) d'activation en séquence. Une seule période de seulement trois CSE est analysé pour la simplicité. Au cours de transfert à partir de A vers B et de B à C, la barrière de potentiel dans la direction de déplacement souhaitée entre ces deux positions est à la fois de petite taille (1 _k B T) et plus petite que celle dans la direction opposée, ce qui indique un transfert contrôlé est probable. Transfert de C à A est plus difficile parce que la barrière inter-piège reste importante à tous les polarisations. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

10. Vérifier pour chaque polarisation A, B, C et qu'il existe une barrière d'énergie d'au moins 10 kB T en hauteur de part et d'autre du minimum de potentiel dans chaque période de trois Cs. Reportez-vous à la figure 3 pour une identification visuelle des minima et des barrières de potentiel.
    Remarque: Cette étape détermine si la particule sera stable piégé sur la bande transporteuse proposé sans sauter d'avant en arrière. En raison de la linéarité d'ondes électromagnétiques et l'utilisation de modèles de matériaux linéaires, la barrière d'énergie est proportionnel à l'intensité de l'onde plane excitant.
11. Vérifiez que les barrières d'énergie entre les pièges de A et B adjacentes pièges descend en dessous de 1 k _B T lorsque la polarisation tourne continuellement de A à B lors de transfert de particules. Répétez l'opération pour la rotation de la polarisation de B à C, et de C à A. Reportez-vous à la figure 4 pour une identification visuelle de ces transition de transfert potentiel minima et les obstacles.
    Remarque: Cette étape détermine si la particule sera fiable transférer d'un piège A à un piège B lors de la rotation de la polarisation. Particulesera facilement surmonter un obstacle de taille 1 k _B T pour passer à un puits de potentiel profond.
12. Si il ya une barrière d'énergie insuffisante à l'étape 1.2.10 ou de toute barrière d'énergie qui est trop forte à l'étape 1.2.11, ajuster la conception. En général, pour élever des barrières d'énergie, augmenter l'espace divisant gravures en forme de C. Pour abaisser les barrières d'énergie, apporter les gravures rapprocher. Évitez de les rapprocher de deux profondeurs de la peau (40 nm), des gravures qui sont trop rapprochés peuvent perturber une résonance courants est une autre, ce qui réduit l'efficacité globale de piégeage. Répétez l'étape 1.2 de re-vérifier le potentiel optique.

2. Fabriquer le tableau CST

Remarque:. Le diagramme de processus est illustré à la figure 5 Ce processus est inspiré par le travail dans la réf. 25 et 26.

Figure 5. CSE processus. Schéma de procédé du processus de décapage modèle double couche. Lithographie électronique avec 100 keV est utilisée pour exposer le motif de convoyeur sur le HSQ résister. La couche mince de PMMA sous le HSQ est destiné à faciliter la bande-off final (de libération) du dispositif à partir du substrat Si. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

1. Acquérir un propre, plaquette de silicium poli et l'amener à une salle blanche équipée pour procédés de lithographie de silicium.
2. Nettoyer la tranche de silicium pour éliminer la contamination et les oxydes organique sur la surface.
   1. Immerger la plaquette dans un mélange 9: 1 _de H 2 SO _{4: H} 2 O ₂ solution à 100 ° C pendant 10 min. Un bain d'au moins 1 L assure un nettoyage solide, bien que moins de produits chimiques peut permettre un traitement plus facile et plus sûre de la plaquette que les installations nécessaires.
   2. Trempez le Wafedans un r 50: une solution de HF pendant 30 sec. Un bain d'au moins 1 L assure un nettoyage solide, bien que moins de produits chimiques peut permettre un traitement plus facile et plus sûre de la plaquette que les installations nécessaires.
   3. Rincer soigneusement la tranche avec de l'eau DI et de spin-le sécher.
3. Manteau de Spin 50 nm PMMA (épaisseur est pas critique).
   1. Singe cuire la plaquette à 150 ° C pendant 30 min.
   2. Manteau de Spin un poli, plaquette de silicium propre avec 2% 950k poly-méthacrylate de méthyle (PMMA) à 5000 rpm pendant 40 secondes. Appliquer le PMMA avec une pipette, atterrissage 20-25 gouttes de résister sur le centre de la tranche avant de commencer le spin.
   3. Post-cuisson PMMA résister sur plaque chauffante à 200 ° C pendant 2 min.
4. Manteau de Spin 150 HSQ nm (le même jour que l'étape suivante).
   1. Spin sur ton HSQ négative résister à 900 tours par minute pendant 1 min. Appliquer le HSQ avec une pipette en plastique, à l'atterrissage à nouveau 20-25 gouttes de résister sur le centre de la tranche avant de commencer le spin.
   2. Post-cuisson HSQ résister sur taquemangé à 80 ° C pendant 2 min.
5. Exposer et développer le modèle en utilisant des techniques de lithographie par faisceau d'électrons (même jour que l'étape précédente). Le processus suit de la PMMA / HSQ double couche manifestation ref. 27.
   1. Traduire la conception de silhouette au format GDSII pour un motif de faisceau d'électrons dans une matrice de dose. Inclure marques alignement et annotations qui sont au moins 5 um afin d'identifier les nanostructures sous un microscope optique. La matrice de dose doit être comprise entre 800-4,000 uC / ^cm2.
   2. Utilisation d'un outil d'exposition de lithographie par faisceau d'électrons pour exposer la matrice à 100 kV tension d'accélération et une ouverture de 60 um, ce qui produit un courant de 500 pA. Exposition à un faisceau d'électrons est également possible sous des tensions d'accélération inférieurs à condition que le courant de faisceau, la dose, et la correction de modèle de proximité sont ajustés en conséquence.
   3. Développer le HSQ exposée par l'immersion de la plaquette dans un hydroxyde de tétraméthylammonium 2,2% (TMAH) desolution de veloper pendant 90 secondes. Agiter la solution en bousculant le plat de développeur toutes les 10 sec doucement. Après le temps de développement a passé, arrêter immédiatement le développement en rinçant la surface avec de l'eau pendant 60 secondes.
6. Manteau une couche d'or de 200 nm d'épaisseur, puis une couche de cuivre 1 000 nm d'épaisseur, par pulvérisation magnétron. Assurez-vous d'utiliser un outil de pulvérisation dont le taux de pulvérisation de l'or a été calibré de sorte que l'épaisseur de la cible est atteint dans 20%. Taux de pulvérisation varient parmi les outils. Dépassement de l'épaisseur de l'or est acceptable, comme dépassement dans le cuivre.
7. Collez un 1 cm x 1 cm quartz plaque arrière sur le substrat à motifs avec séchage UV époxy.
   1. Étaler une seule goutte de séchage UV époxy sur le côté de cuivre de l'échantillon dans un carré de 1 cm x 1 cm couvrant la zone de l'appareil à motifs.
   2. Appliquer une plaque arrière quartz / verre à la surface de cuivre, faire en sorte qu'il recouvre complètement la zone de dispositif à motifs.
   3. Mettez on lunettes de protection UV.
   4. Reposez la plaque arrière et plaquette sur une surface plane, et d'éclairer l'époxy de dessus avec une lampe d'inondation UV pendant environ 30 min.
   5. Éteindre la lampe d'inondation UV et retirer l'échantillon durci.
8. Libérer le dispositif à partir du substrat de silicium dans un bain d'acétone.
   1. Utilisation d'un couteau bien aiguisé, marquer, un chemin fermé lisse autour de la quartz plaque arrière, faire en sorte que la coupe est assez profond pour pénétrer tout le chemin à travers les deux couches de métal et la couche de PMMA-dessus de la plaquette de silicium.
   2. Immerger le substrat dans un bain d'acétone pendant 6-8 heures.
   3. Si après 8 h de l'échantillon de l'appareil n'a pas encore été libéré de la plaquette de silicium naturellement, soulever délicatement l'appareil (y compris la plaque arrière de quartz et les deux couches de métal) de la plaquette de silicium en utilisant une cale mince ou un couteau.
   4. Rincer l'échantillon obtenu avec de l'acétone pendant environ 1 min et le sécher avec N ₂ ou de l'air propre.
   5. Si il are aspérités de métal ou de la colle restante autour de la plaque arrière, garniture soigneusement à l'écart avec un rasoir ou ciseaux laboratoire. Cela permettra d'améliorer la dynamique des fluides lors d'une expérience de piégeage en assurant l'évaporation uniforme sur les bords de la puce.
   6. Conserver l'échantillon dans un récipient propre, anti-poussière pour le transport vers le laboratoire optique.

3. Préparer l'échantillon spécimen

1. Préparer une solution de perles fluorescentes.
   1. Diluer une solution de polystyrène fluorescentes de talon à partir de la concentration du fabricant à 1x10 ⁹ / ml- ¹⁰ 1x10 / ml en ajoutant le volume approprié de 1 ml d'eau.
   2. Ajouter 0,05 ml d'agent tensioactif (octyl phénol éthoxylate) à l'échantillon de spécimen. Le tensioactif réduit la tendance des perles colloïdales de coller à une surface quelconque, et il augmente également légèrement la viscosité du fluide hôte.

4. Calibrer le point de l'optiqueColonnes

Remarque: Une schématique de l'appareil peut être référencée à la figure 8.

1. Calibrer le focus de la caméra d'imagerie de l'échantillon.
   1. Acquérir une surface réfléchissante de rechange, à motifs, et plat pour les essais et d'étalonnage. Un échantillon mannequin avec des repères d'alignement fonctionne bien.
   2. Allumez la lampe à mercure de microscope et attendre jusqu'à ce que le niveau de lumière est stabilisé, puis ouvrez le volet de la lampe.
   3. Placez la surface de test motifs dans le champ de vision du microscope et déplacer son bord dans le champ de vision centrale. Réglez atténuateurs de lumière pour faire en sorte que la lumière ne soit pas trop lumineuse pour observer à travers l'oculaire, puis regardez à travers l'oculaire et amener le bord dans le foyer.
   4. Déplacer la platine du microscope de telle sorte qu'un motif est présent dans le centre du champ de vision, et ajuster le bouton de mise à maximiser la netteté du motif.
   5. Allumez la caméra d'imagerie de l'échantillon et ajuster la luminosité et le contrastele niveau d'éclairage de microscope.
   6. Réglez la mise de l'appareil photo de l'échantillon jusqu'à ce que le motif est également mise au point de la caméra. Le modèle devrait être mise au point dans la vue de l'appareil photo et dans l'oculaire sans avoir à faire des ajustements focaux lors de la commutation entre les deux.
2. Étalonner la colonne de faisceau de formation d'image pour assurer que l'appareil de formation d'image à faisceau laser se focalise sur le substrat.
   Remarque: On suppose que le laser infrarouge proche a déjà été approximativement collimaté et alignée avec les colonnes d'imagerie de microscope. Une carte de capteur IR est un outil utile pour effectuer cet alignement. Il est recommandé de renforcer l'ensemble du système sur un support de pré-alignement comme un système de cage de sorte que toutes les optiques peut être centré sur le même axe automatiquement. Miroirs dichroïques insérées au faisceau d'imagerie et des longueurs d'onde distinctes sont standard, mais pour la sécurité ne doivent pas fuir plus de 1% de la longueur d'onde laser.
   1. Veiller à ce que chaque chercheur dans la salle met sur Safet lasery lunettes avec une extinction d'au moins 10 ⁷ de la longueur d'onde de fonctionnement du laser (1064 nm) et faire en sorte que l'obturateur de faisceau laser est terminée.
   2. Allumez le système d'alimentation et de refroidissement laser, mais laisser le faisceau volets. Chauffer le milieu de gain de laser.
   3. Une fois les lunettes sont en place et l'obturateur est confirmée fermée, allumer le laser. Placer un bloc de faisceau devant le laser et ouvrir l'obturateur afin de mesurer la sortie du faisceau laser et vérifier, en utilisant un mesureur de puissance, que la puissance de sortie laser est stabilisée. Gardez le bloc de faisceau en place.
   4. Pour protéger l'appareil d'imagerie de l'échantillon à partir des niveaux nocifs de la lumière laser, assurez-vous que les atténuateurs optiques sont en place en face de la caméra d'imagerie de l'échantillon, ainsi que d'un miroir dichroïque pour diriger l'énergie de faisceau restant à une caméra d'imagerie par faisceau séparé. En outre, de moduler la puissance du laser en utilisant des atténuateurs ou un séparateur de faisceau polarisant de sorte que seule une quantité modérée de puissance (10 mW) traverseà l'appareil.
   5. Retirez le bloc de faisceau et permettre au faisceau de voyager à travers l'appareil et à l'automne sur le détecteur de la caméra d'imagerie par faisceau.
   6. Allumez la caméra d'imagerie par faisceau et ajuster la luminosité et le contraste au niveau de lumière laser.
   7. Défocaliser le faisceau laser de telle sorte qu'une grande surface du réflecteur à motif est éclairé par la lumière laser.
   8. La mise au point de l'appareil de formation d'image de faisceau jusqu'à ce que les caractéristiques du motif sont mis au point en même temps que l'image en lumière blanche de l'appareil de formation d'image de l'échantillon, et à traduire l'appareil photo de telle sorte que son champ de vision est centrée sur le champ de vue de l'imagerie de l'échantillon appareil photo. La focale effective décalage entre l'image de la lumière blanche et l'image de faisceau oppose à la différence de longueur focale de l'optique entre le laser et longueurs d'onde visibles.
3. Apportez le laser dans le foyer avec la caméra d'imagerie par faisceau.
   1. Utilisation de la mise au point calibrée dans l'appareil de formation d'image de faisceau, ajuster le laserfocalisation du faisceau jusqu'à ce qu'il se concentre à un endroit serré, et d'ajuster la position de mise au point de la poutre de sorte qu'il tombe dans le centre du champ de vue. En utilisant le logiciel d'annotation ou d'une autre méthode de choix, marquer l'emplacement de la poutre dans le champ de vision de la caméra de l'échantillon.
   2. Fermer l'obturateur de faisceau laser.

5. Piège et manipuler des échantillons avec énergie optique

Remarque: Une schématique de l'appareil peut être référencée à la figure 8.

1. Image les billes de polystyrène fluorescentes.
   1. Remplacer l'échantillon factice et lamelle avec une lamelle propre dans le support du microscope de l'échantillon.
   2. Placez une pointe à l'extrémité de décharge de la micro-pipette et extraire 2-4 ul de solution de particule fluorescente dilué avec la pipette.
   3. Une décharge lente de la solution sur la lamelle. Si il ya des bulles, retirez-les en soufflant doucement l'air propre sur la goutte de solution.
   4. Carefully placer l'appareil sur le dessus de la goutte de solution avec la surface de l'or vers le bas. La solution doit se propager dans toute la zone sous le dispositif.
   5. Déplacer la platine du microscope de telle sorte qu'un bord de la puce à réseau de résonateur est proche du centre du champ de vision. Établir l'accent sur le bord de la puce.
   6. Traduire la platine du microscope de telle sorte que le motif de résonance est proche du centre du champ de vision. Focus sur les nanostructures en apportant des repères d'alignement sombres dans le foyer, et notez que les résonateurs eux-mêmes apparaissent comme des taches sombres dans le réflecteur arrière-plan lumineux.
   7. Insérer un filtre passe-bande étroit en face de la lampe à mercure qui bloque toutes les couleurs autres que celle correspondant à l'absorption de pic des billes fluorescentes.
   8. Insérer un filtre passe-bande étroit en face de l'appareil de formation d'image de l'échantillon qui bloque toutes les couleurs autres que celle correspondant à l'émission de crête des perles fluorescentes.
   9. Apportez l'image fluorescente de ee perles dans le foyer, notant leur vitesse de dérive moyenne collective contre leur mouvement brownien aléatoire individuellement. Attendez jusqu'à ce que la vitesse de dérive moyenne des perles ralentit à moins de 10 um / sec.
      Remarque: En raison de l'évaporation au niveau des bords de la puce, et en raison des forces de sédimentation dynamique du fluide sous le poids de la puce, il peut y avoir des courants visiblement apparente (dizaines de um / s ou plus) dans le fluide échantillon. Si l'évaporation est pas trop asymétrique le long du bord de la puce, ces courants vont finalement diminuent à un niveau acceptable pour réaliser une expérience.
2. Utiliser le faisceau laser focalisé à un piège de billes de polystyrène.
   1. Veiller à ce que tous les chercheurs ont mis des lunettes de sécurité laser appropriés, puis la tourner sur le laser tout en gardant l'obturateur de faisceau laser fermé. Assurez-vous que la sortie du laser est inférieure à 10 mW. Assurez-vous que la puissance du laser est stabilisée en testant la sortie de faisceau avec un faisceau de bloc en place qui empêche le rayonnement laserd'entrer dans le microscope.
   2. Une fois la puissance du laser est stabilisée, retirez le bloc de faisceau et noter la tache laser dans l'image du faisceau. Si la tache est de mise au point, la mise au point de laser jusqu'à ce Spot AF minimal est atteint.
   3. Tout en assurant que les atténuateurs suffisantes sont placés en face de l'image de faisceau afin d'éviter la saturation du détecteur de faisceau, la puissance de sortie du laser d'augmenter graduellement jusqu'à une bille dérive peut être capturée de manière stable au niveau du foyer du faisceau. Balayage de la platine du microscope peut aider à piéger un bourrelet qui est décentré.
   4. Vérifiez que le cordon piégé est situé à ou près de la marque faite plus tôt pour suivre la position de focalisation du laser dans l'image de l'échantillon. Si il ya une différence entre la position du talon et la marque de focalisation du laser, corriger la marque de focalisation du laser pour correspondre à la nouvelle position de la perle.
   5. Maintenant, ajuster l'entrepreneur de faisceau intégré à la trajectoire du faisceau jusqu'à ce que le point de faisceau est élargi à 9 m de diamètre à mi-hauteur quand il est entièrement au point. Mesurer cela comme unsection d'intensité directement à travers le centre de la tache du faisceau dans l'image du faisceau.
   6. Si la perle piégé original a été perdu lors de ce réglage, utiliser la platine de translation pour rechercher et de piéger une autre perle.
      1. Si l'élargissement de la tache du faisceau a déstabilisé le piège optique (en raison d'un gradient d'intensité diminué), augmenter la puissance nécessaire pour atteindre le piégeage optique stable du faisceau. Si l'augmentation de la taille de la tache focale a déplacé le centre de la poutre de sa position d'origine, re-marquer la position moyenne de la bille piégée dans l'image de l'échantillon comme le centre du faisceau.
3. Mettre en place le piégeage de champ proche et de manipuler une bille de polystyrène sur une matrice de gravure en forme de C.
   1. Allumez la lampe d'éclairage de fond et augmenter sa puissance jusqu'à ce que le motif de substrat peut être vu dans l'arrière-plan derrière les images de billes fluorescentes.
   2. Avec un cordon piégé par le faisceau faiblement concentré, utiliser la platine du microscope to déplacer le motif de substrat de sorte que l'extrémité d'un réseau de résonateurs peut être vu directement derrière le bourrelet emprisonné. Si le mouvement brownien aléatoire de la perle devient considérablement réduite, cela signifie que le cordon est piégé par le champ proche d'un résonateur excité.
      Remarque: Si le bourrelet n'a pas encore été piégés par le champ proche optique, ajuster la position de la matrice de résonateur plasmonique en dessous du bourrelet. Cet ajustement pourrait apporter le talon en contact étroit avec un résonateur qui est mieux aligné avec le courant de polarisation de la lumière laser. Si ce processus ne pas induire en champ proche piégeage, la focalisation du faisceau peut être légèrement au-dessus du plan du substrat. Dans ce cas, la mise au point laser légèrement de sorte que la tache focale approche de la surface du substrat.
   3. Si, après de petits ajustements de discussion scène et laser le cordon n'a toujours pas été piégé par le champ proche optique, trouver un autre tableau sur le substrat et répétez le processus de piégeage en champ proche, à partirà l'étape 5.3.2.
      Remarque: les défauts de fabrication causent deux variations systématiques et aléatoires dans la performance de résonateur. Non-fonctionnement des réseaux de résonateurs sont courantes jusqu'à ce que les résultats de la fabrication ont été entièrement caractérisé et sont reproductibles.
   4. Une fois en champ proche piégeage a été établi, déplacer la phase de traduction de microscope de sorte que le centre de la tache laser réside plus près du centre de la bande transporteuse. Cette action aura tendance à tirer le cordon avec le centre de la laser focalisé, de sorte que seuls de petits ajustements peuvent être faits de cette façon. Si un cordon devient délogé, réduire le mouvement. Ceci est la quantité de déplacement de faisceau tolérable par les pièges de champ proche.
   5. Après avoir déplacé légèrement le faisceau dans l'étape précédente, tourner une lame demi-onde placée dans le trajet du faisceau laser pour faire tourner l'angle de polarisation linéaire. Ceci active résonateurs dans une séquence sur le tableau et induit contrôlée, un mouvement linéaire dans la bille fluorescente. Une platine motorisée rotative peut-illp produire une rotation plus régulière dans la plaque demi-onde et le mouvement de perles donc plus stable.
   6. Pour suivre la progression des données de perles et de capture sur sa position, éteindre la lampe d'éclairage de fond et utiliser un utilitaire de capture vidéo pour capturer des images de la motion de perles. Post-traitement de la motion de particules peut être réalisé en utilisant le script MATLAB fourni.

Representative Results

Figure 7 est une image du dispositif final. Au centre de la surface d'or de 1 cm x 1 cm est la matrice de CST et de convoyage des motifs, que l'on peut à peine visibles à partir d'un point de vue angulaire. La figure 6 est une image de microscopie électronique à balayage d'un motif exemple de CST sur le dispositif final.

Le mouvement des particules d'une perle de polystyrène de 390 nm à travers un voyage bande transporteuse de nano-optique 5 um de longueur est représentée sur la Figure 9. La courbe montre la position de la particule en tant que fonction de l'angle de polarisation du laser. Comme mentionné dans le protocole, il peut y avoir des cas où le transport ne pas réussir ou en champ proche piégeage ne lance pas. Le meilleur plan d'action est d'essayer un modèle différent, qui peut être en meilleure condition.

Figure 6. image MEB du CST Array. microscope électronique à balayage (MEB) des images des modèles de CST. (a) montre l'image de mesas HSQ après le développement résister. L'échantillon est pulvérisée à 5 nm d'or en tant que couche conductrice SEM pour inspection. (b) -. (c) montrer les modèles définitifs après que l'échantillon est libéré du substrat de silicium S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7. CST tableau Chip. Photo du dispositif final, environ 10 mm x 10 mm de dimension. La photo montre la surface d'or avant de l'appareil. Diffraction de la grille marque d'identification est visible sous forme de carrés multicolores près du centre de la puce. S'il vous plaît clbeurk ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8. Dispositif expérimental. Schématique du dispositif expérimental. Les deux piégeage et l'imagerie sont effectuées en mode de réflexion. Les différents trajets de lumière sont distingués en utilisant des couleurs différentes. Les lignes rouges, vert, pointillé rouge, bleu et jaune représentent les chemins de lumière de piégeage optique (convoyeur de conduite), l'imagerie de fluorescence, l'imagerie laser, l'excitation fluorescente et du champ lumineux d'éclairage respectivement. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9. Perle Trajectoire Plus Double-Rail Convoyeur. Position fonction de l'angle de polarisation pour un cordon de 390 nm se déplaçant sur une longue bande transporteuse 4,5 um à double rail. Images sur le spectacle instantanés gauche de la sphère après chaque période de convoyeur. La courbe sur la droite retrace la position calculée des centres de perles. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Le NOCB combine les forces de piégeage fortes et la petite taille du piège des approches plasmoniques avec la capacité de transporter des particules, à long disponibles uniquement pour les techniques de croisement classiques ciblée. Unique au NOCB, les propriétés de piégeage et de transport du système sont le résultat d'un motif de surface et de mise en forme de pas du faisceau d'illumination. Fourni l'éclairage est suffisamment lumineux et sa polarisation ou de longueur d'onde peut être modulée, particules peut être tenue ou déplacé dans des protocoles complexes sur la surface. Nous avons démontré par simulation qu'un NOCB peut aussi rapidement sorte particules à base de leur mobilité ^23. Champ proche pièges peuvent servir de petits volumes de réaction pour la chimie de molécule unique, et l'parallelizability inhérente à la NOCB signifie qu'il peut être utilisé pour configurer, exécuter et abattre autant expériences simultanées que peut être chargé sur une puce et éclairée la une fois.

Pour obtenir le NOCB au travail, le champ proche optical forces qui détiennent et de la main hors nanoparticules doivent surmonter les forces concurrentes de traînée visqueuse, le piégeage optique classique (la force de le faisceau d'éclairage), thermophorèse, et les forces de contact avec d'autres particules et le substrat lui-même. La force optique à champ proche devrait être aussi fort que possible pour une puissance d'éclairage donné; cela nécessite la conception de nanostructures attention et la fabrication, mais dans la pratique, nous avons besoin de produire une gamme de structures de tailles différentes caractéristiques pour sélectionner celui qui fonctionne le mieux pour la longueur d'onde d'éclairage donné. La traînée visqueuse et thermophorèse doivent être supprimés ainsi: alors qu'ils peuvent ne pas être en mesure de tirer des particules de pièges optiques en champ proche, ils peuvent certainement, il est difficile d'obtenir une particule sur le réseau de NOCB en premier lieu.

Lorsque l'échantillon est d'abord placé sous le microscope, les particules vont répartir uniformément dans tout le volume et viennent très rarement à proximité du tableau CST. (Calcutions indiquent qu'une particule doit se déplacer au sein de quelques dizaines de nanomètres de contact de surface pour être piégés.) Lorsque l'éclairage est d'abord allumé, le tableau CST immédiatement réchauffer et créer un gradient thermique dans l'eau qui repousse les particules sur une distance de quelques centaines de nanomètres. Cette barrière est surmontée par le piégeage d'une particule à une certaine distance avec le faisceau d'éclairage focalisé, et manuellement en faisant glisser la particule à travers la barrière thermique dans le domaine de l'ESC de piégeage. Cependant, même cette méthode échouera si le gradient thermique est trop élevée. Dans notre expérience, l'inclusion de la couche de dissipateur thermique en cuivre était crucial pour dessiner la chaleur de l'eau et d'affaiblir les forces thermiques. Le dissipateur de chaleur en cuivre rend également moins probable que l'eau va bouillir sous intensité de l'éclairage normal.

La force du gradient optique sur une très petite particule échelles comme le cube du diamètre des particules. Cela rend beaucoup plus difficile à piéger un 100bourrelet nm à un cordon de 200 nm, puisque la puissance doit être augmenté huit fois en plus le chauffage du substrat par la même quantité. En pratique, nous vous recommandons de piégeage grandes perles premier (400 nm ou 500 nm de diamètre), l'optimisation de la force de piégeage et de minimiser les forces concurrentes, et ensuite tenter le piégeage et le transport des particules plus petites.

Une fois que l'échantillon a été préparé, les expériences peuvent être réalisées pour autant que les particules flottent librement dans l'eau. L'eau sort de l'échantillon par évaporation le long des bords. Dans notre laboratoire ce qui met une limite de temps d'environ 20 min sur des expériences. L'évaporation peut également se traduire par une force de traînée visqueuse concurrence que l'eau est attirée sur les bords de l'échantillon. Si l'échantillon a des caractéristiques rugueuses telles que les bords ou pointes qui l'empêchent de plat sur la lame de verre métalliques tordues-up, la plus grande surface exposée de l'eau permettra d'accélérer l'évaporation. Si un côté est plus élevée que l'autre, l'évaporation sera sollicité verss le côté avec le plus grand écart échantillon-slide et le fluide se déplace rapidement sur les nanostructures, rendant plus difficile à voir, capter et retenir les particules.

Un seul NOCB peut transporter des particules à travers la largeur du faisceau d'illumination, mais pas plus loin. Comme l'intensité du faisceau diminue, la force de rappel du faisceau focalisé devient plus forte et la force de transfert de NOCB devient plus faible, jusqu'à ce que la rotation de la polarisation est plus susceptible de libérer la particule de le faire avancer. Pour l'extension de convoyeurs plus longs ou plus convoyeurs parallèles, la zone d'éclairage doit être augmentée. Diode laser puissant, défocalisé pourrait alimenter une zone beaucoup plus grande que le laser utilisé dans ces expériences. En variante, la zone d'éclairement peut être augmentée par balayage rapide du faisceau au moyen d'un déflecteur acousto-optique.

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