Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

Summary

Die Skalierbarkeit und Auflösung herkömmlicher optischer Manipulationstechniken sind durch Beugung begrenzt. Wir umgehen die Beugungsgrenze und beschreiben eine Methode zum optischen Transport von Nanopartikeln über einen Chip unter Verwendung einer Goldoberfläche, die mit einem Pfad aus eng beieinander liegenden C-förmigen plasmonischen Resonatoren strukturiert ist.

Abstract

Die Technik, fokussierte Laserstrahlen zu verwenden, um kleine Teilchen einzufangen und Kräfte auf sie auszuüben, hat in den letzten Jahrzehnten viele entscheidende Entdeckungen in den nanoskaligen biologischen und physikalischen Wissenschaften ermöglicht. Die auf diesem Gebiet erzielten Fortschritte geben Anlass zu weiteren Untersuchungen noch kleinerer Systeme und in größerem Maßstab, mit Werkzeugen, die leichter verbreitet und breiter verfügbar gemacht werden könnten. Leider begrenzen die fundamentalen Gesetze der Beugung die minimale Größe des Brennflecks eines Laserstrahls, was Partikel mit einem Durchmesser von weniger als einer halben Wellenlänge schwer zu fangen macht und einen Bediener im Allgemeinen daran hindert, zwischen Teilchen zu unterscheiden, die näher als eine Halbwellenlänge beieinander liegen. Dies schließt die optische Manipulation vieler eng beieinander liegender Nanopartikel aus und schränkt die Auflösung optisch-mechanischer Systeme ein. Darüber hinaus erfordert die Manipulation mit fokussierten Strahlen eine Strahlformungs- oder Lenkoptik, die sehr sperrig und teuer sein kann. Um diese Einschränkungen in der Systemskalierbarkeit herkömmlicher optischer Fallen zu beheben, hat unser Labor eine alternative Technik entwickelt, bei der Nahfeldoptiken verwendet werden, um Partikel über einen Chip zu bewegen. Anstatt Laserstrahlen im Fernfeld zu fokussieren, erzeugt das optische Nahfeld plasmonischer Resonatoren die notwendige lokale optische Intensitätsverstärkung, um die Einschränkungen der Beugung zu überwinden und Teilchen mit höherer Auflösung zu manipulieren. Eng beieinander liegende Resonatoren erzeugen starke optische Fallen, die angesprochen werden können, um die Weitergabe von Teilchen von einem zum nächsten wie ein Fließband zu vermitteln. Hier beschreiben wir, wie man ein Förderband mit einer Goldoberfläche, die mit plasmonischen C-förmigen Resonatoren strukturiert ist, entwirft und herstellt und wie man es mit polarisiertem Laserlicht betreibt, um eine superaufgelöste Manipulation und den Transport von Nanopartikeln zu erreichen. Der nanooptische Förderbandchip kann mit Hilfe von Lithographietechniken hergestellt und einfach verpackt und vertrieben werden.

Introduction

Das Einfangen, Abfragen und Manipulieren einzelner Nanopartikel ist in der Nanotechnologie von wachsender Bedeutung. Die optische Pinzette hat sich zu einer besonders erfolgreichen Manipulationstechnik für Experimente in der Molekularbiologie^1-4, der Chemie^5-7 und der Nanoassemblierung^7-10 entwickelt, wo sie bahnbrechende Experimente wie die Messung der mechanischen Eigenschaften einzelner DNA-Moleküle⁴ und die Sortierung von Zellen nach ihren optischen Eigenschaften ermöglicht hat^11,12. Entdeckungen an diesen Grenzen eröffnen die Erforschung noch kleinerer Systeme und ebnen den Weg für die Entwicklung neuer, prak....

Protocol

1. Entwerfen des C-förmigen Gravur-Arrays (CSE)

1. Entwerfen Sie das Arraymuster.

Abbildung 1. CSE-Layout. Darstellung eines sich wiederholenden Elements des Förderbandes. Der erfolgreiche Transport wurde mit d_y = 320 nm und d_x = 360 nm erreicht. Benachbarte Gravurpaare haben einen relativen Rotationsversatz von 60º. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version....

Results

Abbildung 7 ist ein Bild des endgültigen Geräts. Im Zentrum der 1 cm x 1 cm großen Goldoberfläche befindet sich die Matrix aus CSE und Fördermustern, die aus schräger Sicht kaum zu erkennen ist. Abbildung 6 ist ein Rasterelektronenmikroskopie-Bild eines Beispiel-CSE-Musters auf dem Endgerät.

Die Partikelbewegung einer 390 nm Polystyrolkugel, die sich über ein nanooptisches Förderband mit einer Länge von 5 μm bewegt, ist in Abbildung 9 dargeste.......

Discussion

Das NOCB kombiniert die starken Fangkräfte und die geringe Fallengröße plasmonischer Ansätze mit der Fähigkeit, Teilchen zu transportieren, die lange Zeit nur für herkömmliche fokussierte Strahltechniken verfügbar war. Die Einfang- und Transporteigenschaften des Systems sind das Ergebnis der Oberflächenstrukturierung und nicht der Formung des Beleuchtungsstrahls. Vorausgesetzt, die Beleuchtung ist hell genug und ihre Polarisation oder Wellenlänge kann moduliert werden, können Teilchen in komplizierten Protokollen auf der.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
HSQ E-Beam-Resist	Dow Corning	XR-1541-006
PMMA	MicroChem	950A2 M230002
Schnell aushärtender optischer Klebstoff	Norland Optischer Klebstoff	NOA 81
Fluoreszierende Carboxyl-Mikrosphären	Bangs Laboratories	FC02F, FC03F
Fluoreszierende Carboxylat-modifizierte Mikrosphären	Molekulare Sonden	F-8888
Quarz-Objektträger	SPI liefert	1020-AB
Inverses Fluoreszenzmikroskop	Nikon	ECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG-Laser	Lightwave Electronics	221-HD-V04
sCMOS-Kamera	PCO	EDGE55
CCD-Kamera	Watec	WAT-120N
Halbwellenplatte nullter Ordnung	Thorlabs	WPH05M-1064
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T8787
Destilliertes Wasser	Invitrogen	10977-023
Si Wafer	Silicon Quest International	708069
Optische Linsen	Thorlabs