ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

サマリー

従来の光学操作技術のスケーラビリティと解像度は、回折によって制限されます。回折限界を回避し、間隔の狭いC字型プラズモニック共振器の経路でパターン化された金表面を使用して、チップ上をナノ粒子を光学的に輸送する方法を説明します。

要約

トラップに集束レーザービームを用いる技術と小さな粒子に力を発揮するには、過去数十年にわたりナノスケールの生物学的および物理学の多くの重要な発見を可能にしました。この分野での進展をより容易に分散され、より広く利用可能にすることができたツールを使って、さらに小さなシステムの、大規模でのさらなる研究を誘います。トラップにハード直径半波長よりも粒子が小さくなり、一般に、1つの半分以上互いに接近している粒子とを区別からオペレータを防ぎ、レーザビームの焦点スポットの残念ながら、回折限界の基本法則は、最小サイズ、 -wavelength。これは、多くの密集したナノ粒子の光学的操作を排除し、光学機械システムの分解能を制限します。また、収束ビームを使用して操作が非常にかさばるし、高価になることができ、ビーム形成またはステアリング光学系を必要とします。対処するために、これらの制限は、従来の光トラッピングのシステムのスケーラビリティに私たちの研究室は、チップ全体の粒子を移動させるために、近接場光学系を利用した代替技術を考案しました。代わりに、遠視野でのレーザビームの集束、プラズモン共振器の近接場光は、回折の制限を克服し、より高い解像度で粒子を操作するために必要な局所光強度強化を生み出します。密集した共振器は、コンベヤーベルト状の次に1からの粒子のハンドオフを媒介するために対処することができる強力な光トラップを生成します。ここでは、設計と生産プラズモンC字型共振器を用いてパターニング金表面を使用して、コンベアベルトをし、超解像のナノ粒子の操作と輸送を達成するために、偏光レーザ光とそれを操作する方法する方法について説明します。ナノ光学コンベヤベルトチップは、リソグラフィー技術を用いて製造され、容易にパッケージ化して配布することができます。

概要

シングルナノ粒子の捕獲、尋問や操作はナノテクノロジーの成長に重要です。光ピンセットは、彼らがそのような単一DNA分子⁴の機械的特性の測定などの画期的な実験を有効にしている分子生物学^1-4、5-7化学とナノアセンブリ^7-10に実験に特に成功した操作技術となっていると、その光学特性^11,12による細胞の選別。これらのフロンティア上の発見があっても小規模なシステムの研究を開き、彼らは新しい事実上有益な製品や技術のエンジニアリングのための方法を作ります。今度は、この傾向はより小さく、より基本的な粒子を操作するための新しい技術の必要性を駆動します。また、外の化学的および生物学的試験をもたらすために、より安く、より小さなパッケージでこれらの機能を実行するには、「ラボオンチップ」デバイスを構築するためのプッシュがあります医療や他の目的^13,14のための実験室とフィールドへ。

残念ながら、従来の光トラッピング（COT）は、ナノテクノロジーの増大する要求をすべて満たすことができません。 COTは、光強度と電磁界エネルギーの高い勾配の局所的ピークを作成し、タイトな焦点にレーザー光をもたらすために、高開口数（NA）の対物レンズを使用するメカニズムで動作します。これらのエネルギー密度勾配は、一般に、焦点の中心に向かってそれらを描画する光散乱粒子上に正味の力を及ぼします。小さい粒子を捕捉するこ....

プロトコル

1.デザインC字型彫刻（CSE）アレイ

1. アレイパターンを設計します。

コンベアベルトの繰り返し要素の図1. CSEレイアウト。描写。成功したトランスポートは_、D、Y = 320nmであり、d _{はx =} 360 nmのを使用して達成されました。彫刻の隣接する対は、オフセット60°の相対的な回転を持っている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

1. 平面基板全体の粒子の所望の経路を決定します。
2. 図1に示すように、CADプログラムを使用して、経路に沿ってC字形状のポリゴンの二重線形アレイを生成し、各ペアの各ポリゴンが連続して、粒子自身のVから。その凸包約30±90°回転olumeおおよそそのハンドオフ範囲^{22を決定し} 、連続したペアを分離する1以下の粒子径を残し....

結果

図7は 、最終的なデバイスの写真です。 cmで1×1 cmでの中心金表面にわずかに傾斜した図から分かるCSEコンベヤパターンの行列である。 図6に、最終的なデバイス例のCSEのパターンの走査型電子顕微鏡の画像です。

長さのナノ光コンベヤーベルト5μmの上を移動する390ナノメートルのポリスチレンビーズの粒子運動は、 図9に示されている。曲線は、レーザー偏光角の関数としての粒子の位置を示しています。プロトコルで述べたように、輸送が成功しなかったか、近接場トラップが開始しない場合があります。最善の行動は、より良い条件であってもよく、異なるパターンを、試してみることです。

CSEのArの図6のSEM像

ディスカッション

NOCBのみ、従来の集束ビーム技術のための長い利用可能な粒子を輸送するために強力なトラップ力と能力を備えたプラズモニックアプローチの小さなトラップサイズを兼ね備えています。 NOCBにユニークな、システムのトラップおよび輸送特性は、表面パターンの結果ではなく、照射ビームを整形します。提供される照明は十分に明るく、その偏光または波長を調節することができる粒子が保持され、表面上に複雑なプロトコルに移動させることができます。我々はNOCBも急速にモビリティ²³に基づいて粒子をソートすることができ、そのシミュレーションにより実証しました。近接場トラップは、単一分子の化学的性質のためのような小さな反応容積を提供することができ、およびNOCBの固有の並列化は、それが、セットアップを実行し、チップに詰め、で照明することができる限り多くの同時実験を切断するために使用できることを意味します一回。

NOCB作業を取得するには、近接場O保持し、ナノ粒子をハンドオフptical力が他の粒子と基板自体との粘性抵抗、従来の光トラッピング（照明ビームの力）、熱泳動、および接触力の競合力.......

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
HSQ 電子ビームレジスト	ダウコーニング	XR-1541-006
PMMA	MicroChem	950A2 M230002
速硬化型光学接着剤	Norland 光学接着剤	NOA 81
蛍光カルボキシルミクロスフェア	Bangs Laboratories	FC02F, FC03F
蛍光カルボン酸修飾ミクロスフェア	モレキュラープローブ	F-8888
クォーツスライド	SPI サプライ	1020-AB
倒立型蛍光顕微鏡	ニコン	ECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG レーザー	Lightwave Electronics	221-HD-V04
sCMOS カメラ	PCO	EDGE55
CCD カメラ	Watec	WAT-120N
ゼロオーダー半波長板	Thorlabs	WPH05M-1064
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T8787
蒸留水	Invitrogen	10977-023
Si Wafer	Silicon Quest International	708069
光学レンズ	Thorlabs

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