Fabrikasjon og drift av en Nano-Optical transportbånd

Abstract

Teknikken med å bruke fokusert laserstråler for å felle og utøve krefter på små partikler har aktivert mange sentrale funn i nanoskala biologiske og naturvitenskap i løpet av de siste tiårene. Framdriften i dette feltet inviterer videre studier av enda mindre systemer og på en større skala, med verktøy som kan distribueres lettere og gjort mer allment tilgjengelig. Dessverre er de grunnleggende lover diffraksjon begrenser minimumsstørrelsen på brennpunktet for en laserstråle, noe som gjør at partikler som er mindre enn en halv bølgelengde i diameter vanskelig å felle og hindrer generelt en operatør fra skjelne mellom partikler, som er nærmere hverandre enn en halv -wavelength. Dette utelukker den optiske manipulering av flere tett plasserte nanopartikler og begrenser oppløsningen av optiske mekaniske systemer. Videre manipulering ved hjelp av fokusert bjelker krever stråledannende eller styre optikk, som kan være svært plasskrevende og kostbart. Til adressedisse begrensningene i systemet skalerbarhet av konvensjonell optisk fangst vår lab har utarbeidet en alternativ teknikk som benytter nær-feltet optikk å flytte partikler over en chip. I stedet for å fokusere laserstråler i fjernfeltet, frembringer det optiske nærfelt Plasmonic resonatorer den nødvendige lokale optiske intensiteten ekstrautstyr for å overvinne begrensninger av diffraksjon og manipulere partikler ved høyere oppløsning. Kryr resonatorer produsere sterke optiske feller som kan rettes til mekle hånd-off av partikler fra den ene til den neste i et transportbånd-belte-aktig måte. Her beskriver vi hvordan å designe og produsere et transportbånd ved hjelp av en gull overflate mønstret med Plasmonic C-formede resonatorer og hvordan du kan betjene den med polarisert laserlys for å oppnå super-oppløsning nanopartikkel manipulasjon og transport. Nano-optiske transportbånd chip kan produseres ved hjelp litografi teknikker og lett pakket og distribuert.

Introduction

Capture, avhør og manipulering av enkeltnanopartikler blir stadig viktigere i nanoteknologi. Optiske pinsetter har blitt en spesielt vellykket manipulasjon teknikk for eksperimenter i molekylærbiologi ^1-4, kjemi ^5-7 og nano-montering ^7-10, hvor de har gjort det mulig gjennombrudd eksperimenter slik som måling av de mekaniske egenskapene til enkelt DNA-molekyler ^{4 og} sortering av celler ved sine optiske egenskaper ^11,12. Funn på disse grensene åpne opp studiet av enda mindre systemer, og de gjør vei for prosjektering av nye praktisk talt gunstige produkter og teknikker. I sin tur, driver denne trenden behov for nye teknikker for å manipulere mindre, mer elementære partikler. I tillegg er det et trykk for å bygge opp "lab-på-en-brikke" anordninger for å utføre disse funksjonene billigere og i en mindre pakke, for å bringe kjemiske og biologiske tester ut avlab og ut i felten for medisinske og andre formål ^13,14.

Dessverre kan vanlig optisk fangst (COT) ikke oppfyller alle nanoteknologi økende krav. COT opererer på mekanismen ved hjelp av en høy numerisk apertur (NA) objektiv for å bringe laserlyset til en stramt fokus, og skaper en lokalisert topp i optisk intensitet og høye gradienter i den elektromagnetiske felt energi. Disse energi tetthetsgradienter utøver en netto kraft på lys-spredende partikler som generelt trekker dem inn mot midten av fokus. Fangst mindre partikler krever høyere optisk effekt eller en strammere fokus. Imidlertid fokuserte lysstråler adlyde prinsippet for diffraksjon, som begrenser den minimale størrelsen på brennpunktet, og setter en øvre grense for den energi densitetsgradient. Dette har to umiddelbare konsekvenser: barneseng kan ikke felle små gjenstander effektivt, og COT har problemer med å skille mellom tett plasserte partikler, en fangst oppløsningbegrensning kjent som "fete fingre 'problem. I tillegg implementere multiple partikkel overlapping med COT krever systemer av strålestyre optikk eller romlige lysmodulatorene, komponenter som drastisk øker kostnadene og kompleksiteten av et optisk trapping system.

En måte å omgå de fundamentale begrensninger ved konvensjonelle fokuserte lysstråler, som sies å forplante seg i fjernfeltet, er i stedet for å utnytte gradientene av optisk elektromagnetisk energi i nærfeltet. Nær feltet henfaller eksponentielt vekk fra kilder til elektromagnetiske felt, noe som betyr at ikke bare er det svært lokalisert til disse kildene, men det også viser svært høye gradienter i sin energitetthet. De nære felt av nano-metalliske resonatorer, slik som bowtie åpninger, nano søyler, og C-formede graveringer, har vist seg å oppvise ekstraordinære konsentrasjoner av elektromagnetisk energi, forbedres ytterligere ved plasmonic virkningen av gull og sølv ved nær-infrared og optiske bølgelengder. Disse resonatorer er blitt brukt til å fange opp meget små partikler ved høy effektivitet og oppløsning ^15-22. Selv om denne teknikk har vist seg effektive i å fange små partikler, har det også vist seg å være begrenset i sin evne til å transportere partiklene i løpet av vesentlig område, noe som er nødvendig hvis nærfeltet systemer er å kommunisere med systemer fjernfeltet eller MicroFluidics.

Nylig har vår gruppe foreslått en løsning på dette problemet. Når resonatorer er plassert svært nær hverandre, kan en partikkel i prinsippet migrere fra en nær-felt optisk felle til den neste uten å bli frigjort fra overflaten. Transportretningen kan bestemmes hvis tilstøtende feller kan slås av og på separat. En lineær oppstilling av tre eller flere adresser resonatorer, hvor hver resonator er følsom for en polarisering eller bølgelengde av lys som er forskjellig fra sine naboer, virker som en optisk transportbånd, transport nanoparticles over en avstand på flere mikrometer på en chip.

Den såkalte "Nano-Optical transportbånd" (NOCB) er unik blant Plasmonic resonator fangst ordninger, som ikke bare kan det holde partiklene på plass, men det kan også flytte dem i høy hastighet langs mønstrede spor, samle eller spre partikler, mikse og kø dem, og selv sortere dem etter egenskaper som deres mobilitet ^23. Alle disse funksjoner styres ved å modulere polarisering eller bølgelengde for belysning, uten behov for strålestyrings optikk. Som et nærfeltet optisk felle, den NOCB overlapping oppløsning er høyere enn den for konvensjonelle fokuserte stråle optiske feller, slik at det kan skille mellom partikler i umiddelbar nærhet; fordi den bruker en metall nanostrukturen å konsentrere lys inn en fangst vel, det er strømsparende, og krever ikke dyre optiske komponenter som en høy NA objektiv. Videre kan mange NOCBs drives i parallell, ved høy paknings hulesity, på samme underlaget, og en W effekt kan kjøre over 1 200 åpninger ^23.

Vi har nylig vist den første polarisasjonen drevne NOCB, jevnt driv en nanopartikkel og tilbake langs et spor ²⁴ 4,5 mikrometer. I denne artikkelen presenterer vi de nødvendige skritt for å designe og dikte enheten, optisk aktivere den og reprodusere transport eksperimentet. Vi håper at det å gjøre denne teknikken mer allment tilgjengelig vil hjelpe bro størrelsen gapet mellom MicroFluidics, fjernfeltet optikk, og nanoskala enheter og eksperimenter.

Protocol

1. Design C-formede Gravering (CSE) Array

1. Designe rekken mønster.

Figur 1. CSE Layout. Visning av transportbånd gjenta element. Vellykket transport er oppnådd ved hjelp av d _y = 320 nm og d _{x =} 360 nm. Tilstøtende par av graveringer har en 60º relativ rotasjons utlignet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

1. Bestem den ønskede bane av partikler over et plant underlag.
2. Ved hjelp av et CAD-program, genererer en dobbel lineær oppstilling av C-formede polygoner langs banen, hvert polygon i hvert par etter hverandre dreiet 30 ± 90 ° om sin konvekse skrog som vist i figur 1. Fordi en partikkel egen vbestemmer Kanonvolumet grovt sin overlevering range ^22, la ikke mer enn en partikkeldiameter skille påfølgende par, og la ikke mer enn 90% av denne avstanden mellom polygon sentrene i et par.
   Merk: For referanse, har tidligere studier vist at isopor kuler av 390 nm i diameter og over er mest egnet for transport langs en slik CSE array. Perler så små som 200 nm kan manipuleres, men ikke på en pålitelig måte. Men perler større enn 500 nm føler sterkere konkurrerende krefter fra en fokusert belysning stråle.

2. Kontroller overleverings-krefter langs rekken mønster ved hjelp av en numerisk metode for å løse Maxwells ligninger. Mens fremgangsmåten som er beskrevet her gjelder det Finite Element Method (FEM) implementert av kommersiell programvare COMSOL, er det mulig å tilpasse denne fremgangsmåte for andre numeriske metoder og implementeringer.
   1. Tegn opp en numerisk metode geometri som huser dimensjonene og ext planar mønsterslutter på minst 200 nm under mønsteret flyet og 600 nm over flyet. Under planet, omfatter et domene for å representere substratet og over planet et domene for å representere fluidkammeret. Ekstrudere planar C-formet mønster 150 nm ned i underlaget, noe som skaper 3D-domener for å representere det indre av graveringer. Innføre en partikkel domene med den ønskede form.
      1. Sørg for at det er minst 200 nm plass mellom toppen av partikkel og taket av simuleringen volum og justere simulerings omfang som er nødvendig. Legg perfekt matchet sjikt på minst 500 nm i tykkelse til den åpne grensene for simulering for å absorbere stråling utover.
   2. Angi de elektromagnetiske materialegenskapene til domenet over grenseflaten til de av vann, materialegenskapene til det indre av den C-formede graveringer på de av hydrogen-silsesquioksan (HSQ), og materialegenskapene til det gjenværende materialet som de i gold. Angi materialegenskapene til partikkelen til de av polystyren eller et annet materiale av valget. For enkelhets skyld bruker lineære elektromagnetiske materialmodeller.
      Note:. En prøve fullstendig 3D-geometri er vist i figur 2 i dette tilfellet, PML vesentlige domener i det kartesiske ± x, ± y, og z + grenser absorbere felt ment å forplante seg til uendelig. PML tykkelse er definert til å være 5 ganger den maksimale tetraedrisk mesh størrelse element, tilsvarende 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Hvis permitivitet ɛ _r og permeabilitet μ _r kreves innganger for den numeriske løser for hånden, bruk en relativ permittivitet på 1,96 for HSQ, 1,77 for vann, og -52,15 - 3.57i for gull. Still alle relative permeabilitetene til 1. Dersom en elektromagnetisk materiale eiendom enn permittiviteten og permeabilitet er nødvendig, bruke disse verdiene til å utlede de nødvendige inngangene i henhold til standard elektro identiteter. Bruk riktig tegn of den imaginære delen av gull i henhold til det komplekse tid harmoniske tegn konvensjon av tall Solver (det skal være negativt under exp (+ iωt) konvensjonen og positiv under exp (- jeg co t) konvensjonen).

Figur 2. Simulering geometri. Eksempel på numerisk simulering geometri i det kommersielle Finite Element Method programvare COMSOL. To bånd perioder er simulert med d _y = 320 nm og d _{x =} 360 nm og en 500 nm diameter sfære. Skraverte materielle regionene er a) HSQ, b) isopor, c) gull, og d) vann. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

4. Diskretiserer simuleringen volum med en adaptiv tetrahedral mesh. Begrense den maksimale størrelsen av maskeelementene til ikke større enn 100 nm i bulk. Videre begrense den maksimale størrelsen på nettingelementene til 30 nm på kula overflate og 30 nm på grave flater for å øke nøyaktigheten på kritiske strukturer. En moderat mesh vekstrate på omtrent 1,4 bør benyttes for å bevare mesh element kvaliteten i disse områdene, og en minste maskevidde kan også defineres i volumet for å begrense uforutsigbar adaptive mesh oppførsel.
5. For optisk eksitasjon, definere en bakgrunn harmonisk plan bølge med en ledig plass bølgelengde på 1064 nm som normalt hendelsen og reflektert ut av planar gull underlaget som om graveringer og partikkel var fraværende. Bruk evaluert ved en normal innfallsvinkel Fresnel ligninger til å beregne plan bølge refleksjons- og transmisjons koeffisienter. Velge polarisasjonen av den bølge slik at det elektriske feltet er på linje med kanten av en C-formet gravering. Normalisere intensiteten av den plane bølgetil 1 mW / mikrometer ^to.
6. Løse for den spredte elektromagnetiske felt i en gruppe med simuleringer, sveiper partikkelposisjonsparameteren fra den ene ende av banen til den andre ved å holde partikkelens høyde konstant på bare noen få nanometer utenfor overflaten. Høyder så lavt som 5 nm pleier å forutsi meget sterke fangst potensialer, mens større høyder forutsi jevnere fangst potensialer. Faktisk vil Brownske bevegelser sikre at en reell partikkel vil utforske forskjellige høyder over overflaten.
   Merk: Computational ressurser og tid vil variere med numerisk systemstørrelse, numerisk metode, og maskinvare.
7. Gjenta trinn 1.2.5 og 1.2.6 for polarisasjon innrettet med hver av de andre to polarisasjonstilstander-distinkte C-form orienteringer, som polariseringsvinkelen er tatt modulo 180 °.
8. For hver simulering i de tre grupper, beregne netto kraft på partikkelen ved å integrere fluksen av Maxwell-Minkowski Stress Tensor gjennom en flate som fullstendig omslutter partikkelen, men krysser ikke vesentlige grenseflater.
9. For hver polarisering, beregner det arbeid som utføres mot optiske styrker ved å utføre en bane integralet av negativ netto optiske kraft over banen som partikkelen følger i hver gruppe, som vist i figur 3.

Figur 3.-overlapping Verification. Stabil fangst kan påvises ved å plotte den optiske potensialet i aktiverings stater. En enkelt periode på bare tre søkemotorer er analysert for enkelhet. Faktisk er tilstrekkelig samlet felle dybde (> 10 k _B T) for stabil fangst på aktivert gravering for hver stat A, B og C. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

ove_content ">
Figur 4. Handoff Verification. Handoff kan demonstreres ved å plotte den optiske potensialet av gamle (rødt lys), og nye (rød) aktiveringstilstander i rekkefølge. En enkelt periode på bare tre søkemotorer er analysert for enkelhet. Under omruting fra A til B og B til C, er den potensielle barriere i retning av ønsket bevegelse mellom disse to stillinger både små (1 k _B T), og mindre enn den i motsatt retning, noe som indikerer at omrutingen er kontrollert sannsynlig. Overlevering fra C til A er mest vanskelig fordi den inter-fellen barriere fortsatt betydelig på alle polarizations. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

10. Kontroller for hver polarisasjon A, B, C og at det er en energibarriere på minst 10 kB T i høyden på hver side av den potensielle minimum i hver periode av tre Cs. Se Figur 3 for en visuell identifisering av potensialet minima og barrierer.
    Merk: Dette trinnet bestemmer om partikkelen vil bli stabilt fanget på den foreslåtte transportbåndet uten å hoppe frem og tilbake. På grunn av linearitet av elektromagnetiske bølger, og ved bruk av lineære materialmodeller, er energibarrieren proporsjonal med spennende planbølgeintensitet.
11. Kontroller at energi barrierene mellom tilstøtende A feller og B feller dukkert under en k _B T når polarisering kontinuerlig roteres fra A til B i løpet av partikkel overlevering. Gjenta for polarisasjonsrotasjon fra B til C, og fra C til A. Se figur 4 for en visuell identifisering av disse overlevering overgang potensial minima og barrierer.
    Merk: Dette trinnet bestemmer om partikkelen vil sikkert overføre fra en felle A til en felle B under polarisasjonsrotasjon. En partikkelvil lett overvinne en barriere av en høyde k _B t til å bevege seg til en dypere potensialbrønn.
12. Hvis det er noen tilstrekkelig energi barriere i trinn 1.2.10 eller noe energi barriere som er for sterk i trinn 1.2.11, justere design. Generelt, for å øke energi barrierer, øke avstanden dele C-formede graveringer. For å senke energi barrierer, bringe graveringer tettere sammen. Unngå å bringe dem nærmere hverandre enn to hud dyp (40 nm), som graveringer som er for nær hverandre kan forstyrre hverandres resonans strømninger, som senker samlede fangst effektivitet. Gjenta steg 1,2 til re-verifisere den optiske potensial.

2. Frem CSE Array

Merk:. Fremgangsmåten skjema er vist på figur 5 blir denne prosessen inspirert av arbeidene i ref. 25 og 26.

Figur 5. CSE Prosess. Prosessflytskjema av to lag templat-strippeprosessen. E-stråle-litografi med 100 keV energi blir brukt til å eksponere transportøren mønsteret på HSQ motstå. Den tynne PMMA lag under HSQ er ment å lette den endelige strip-off (release) av enheten fra Si underlaget. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

1. Anskaffe en ren, polert silisium wafer og bringe den til et rent rom utstyrt for silisium litografi prosesser.
2. Rens silikonplaten for å fjerne organiske forurensninger og oksyder på overflaten.
   1. Dypp platen i en 9: 1 _H 2 SO _4: H _{2 O 2-løsning} ved 100 ° C i 10 min. Et bad på minst 1 L sikrer robust rengjøring, men mindre kjemikaliet kan tillate tryggere og enklere wafer behandling som anlegg krever.
   2. Dypp Wafer i et 50: 1 HF-løsning i 30 sek. Et bad på minst 1 L sikrer robust rengjøring, men mindre kjemikaliet kan tillate tryggere og enklere wafer behandling som anlegg krever.
   3. Skyll wafer med DI vann og spinn-tørke den.
3. Spin coat 50 nm PMMA (tykkelse er ikke kritisk).
   1. Svi bake skiven ved 150 ° C i 30 min.
   2. Spin belegge en polert, rene silisiumskive med 2% 950K poly-metyl-metakrylat (PMMA) ved 5000 rpm i 40 sekunder. Påfør PMMA med en pipette, landing 20-25 dråper motstå på midten av skiven før begynnelsen av spinn.
   3. Post bake PMMA motstå på kokeplate ved 200 ° C i 2 min.
4. Spin frakk 150 nm HSQ (samme dag som følgende trinn).
   1. Spinn på HSQ negativ tone motstå ved 900 rpm i 1 min. Påfør HSQ med en plastpipette, igjen landing 20-25 dråper motstå på midten av skiven før begynnelsen av spinn.
   2. Post bake HSQ motstå på hotplspiste ved 80 ° C i 2 min.
5. Avsløre og utvikle et mønster ved hjelp av elektronstråle litografi teknikker (samme dag som forrige trinn). Prosessen følger av PMMA / HSQ dual-layer demonstrasjon i ref. 27.
   1. Oversett silhuetten design til GDSII format for elektronstråle mønster i en dose array. Omfatter innretningsmerker og kommentarer som er minst 5 mikrometer i størrelse for å kunne identifisere de nanostrukturer under et optisk mikroskop. Dosen matrisen bør ligge i området fra 800-4,000 jjC / cm ^2.
   2. Benytte en elektronstråle litografi utsettelse redskap for å avdekke oppstillingen ved 100 kV akselerasjonsspenning og en åpning på 60 pm, som produserer en strøm av 500 pA. Elektronstråle eksponering er også mulig under nedre akselererende spenninger gitt strålestrømmen, dose, og nærhet mønster korreksjon er justert tilsvarende.
   3. Utvikle den eksponerte HSQ ved å senke wafer i en 2,2% tetrametylammoniumhydroksyd (TMAH) deutvikleren løsning i 90 sek. Beveg lett løsningen ved brå bevegelser utbygger parabolen hver 10 sek. Etter utbyggingen tiden har gått, umiddelbart stoppe utviklingen ved å spyle overflaten med vann i 60 sek.
6. Belegge et lag av gull 200 nm i tykkelse, etterfulgt av et lag av kobber 1000 nm i tykkelse, ved sputtering. Sørg for å bruke en sprute verktøy som gull sputtering rate har blitt kalibrert slik at målet tykkelse oppnås innenfor 20%. Sputtering prisene vil variere mellom verktøy. Sving i gull tykkelse er akseptabelt, som er oversving i kobber.
7. Lim en 1 cm x 1 cm kvarts bakplaten på mønstrede substrat med UV-herdbare epoxy.
   1. Spre en eneste dråpe av UV-herdbare epoxy på kobber side av prøven i en 1 cm x 1 cm i firkant som dekker det mønstrede enheten området.
   2. Påfør en kvarts / glass bakplate til kobberoverflaten, noe som gjør at den dekker hele mønstret enhet området.
   3. Sett on UV vernebriller.
   4. Hvil bakplaten og kjeks på et plant underlag, og belyse epoxy ovenfra med en UV flom lampe for ca 30 min.
   5. Slå av UV flom lampe og fjerne herdet prøven.
8. Slipp enheten fra silisium substrat i en aceton bad.
   1. Bruk en skarp kniv, score en glatt, lukket bane rundt kvarts bakplaten, og pass på at kuttet er dypt nok til å trenge hele veien gjennom de to metall lag og PMMA lag over silikonplaten.
   2. Senk substratet i et aceton-bad etter 6-8 timer.
   3. Hvis det etter 8 timer enheten sample det har ennå ikke blitt frigjort fra silikonplaten naturlig forsiktig å lirke anordningen (inkludert kvarts bakplaten og begge metallag) bort fra silikonplaten ved hjelp av en tynn kile eller kniv.
   4. Skyll den resulterende prøven med aceton i ca 1 min og tørk den med N ₂ eller ren luft.
   5. Hvis det are røffe kanter av metall eller lim blir igjen rundt bakplaten, nøye klippe dem bort med en barberhøvel eller lab sakser. Dette vil forbedre fluiddynamikk under en fangst eksperiment ved å sikre ensartet fordampning rundt chip kantene.
   6. Oppbevar prøven i et rent og støvtett beholder for transport til optisk lab.

3. Klargjør Specimen Sample

1. Forbered et fluorescerende polystyrenkule løsning.
   1. Fortynne et fluorescerende polystyrenkule løsning fra produsentens konsentrasjon til 1x10 ⁹ / ml- 1x10 ^{10 /} ml ved å tilsette riktig volum til 1 ml vann.
   2. Tilsett 0,05 ml av overflateaktivt middel (oktylfenol etoksylat) til prøven prøven. Det overflateaktive middel reduserer tendensen av de kolloidale kuler for å holde seg til alle overflater, og det er også litt øker viskositeten til verten fluid.

4. Kalibrer Fokus OpticalKolonner

Merk: Et skjematisk riss av apparaturen kan refereres til i figur 8.

1. Kalibrere fokus for prøven økende kamera.
   1. Tilegne seg en ekstra, mønstret, og flat reflekterende overflate for testing og kalibrering. En dummy prøve med justeringsmerkene fungerer godt.
   2. Slå på mikroskopet kvikksølvlampe og vente til lysnivået har stabilisert seg, og deretter åpne lampe lukkeren.
   3. Plasser mønstrede testoverflaten inn i mikroskopet synsfelt og beveger sin kant inn i synsfeltet sentrum. Justere lys Attenuators å sørge for at lyset ikke er for lyst til å observere gjennom okularet, så ser gjennom okularet og bringe den kanten i fokus.
   4. Flytt mikroskop scenen slik at et mønster er nå i midten av synsfeltet, og justere fokus knappen for å maksimere skarphet av mønsteret.
   5. Slå på prøven økende kamera og justere lysstyrke og kontrast tilmikroskop belysning nivå.
   6. Juster prøven kamera fokus før mønsteret er også i fokus for kameraet. Mønsteret skal være i fokus i både kameraet syn og i okularet uten å måtte gjøre noen fokale justeringer når du bytter mellom de to.
2. Kalibrer stråle bilde kolonnen for å sikre at laserstrålen bildekamera fokuserer på substratet.
   Merk: Det antas at nær-IR-laser allerede har vært omtrent kollimert og innrettet med mikroskop avbildnings kolonner. En IR-sensor kortet er et nyttig verktøy for å utføre denne justeringen. Det er anbefalt å bygge opp hele systemet på en pre-justert bærer slik som et bur system slik at alle optikken kan være sentrert på den samme aksen automatisk. Dikroiske speil settes inn i separate bjelker og bildebølgelengder er standard, men for sikkerhets bør ikke lekke mer enn 1% av laserbølgelengden.
   1. Sørg for at hver forsker i rommet setter på laser safety briller med en ekstinksjon på minst 10 ⁷ ved bølgelengden for laseroperasjon (1064 nm), og at laserstrålen lukkeren er lukket.
   2. Slå på laser strømforsyning og kjølesystemet, men la strålen ødelagt. Varm opp laseren gevinst medium.
   3. Når brillene er på plass og lukkeren er bekreftet lukket, slå på laseren. Plasser en bjelke blokk foran laseren og åpne lukkeren for å måle produksjonen av laserstrålen og kontrollerer ved hjelp av en kraftmåler, som lasereffekten har stabilisert seg. Hold bjelken blokken på plass.
   4. For å beskytte prøven økende kamera mot skadelige nivåer av laserlys, sørge for at bjelke attenuatorene er på plass foran prøven bildekameraet, samt et dikroisk speil for å lede den gjenværende stråleenergien til en separat stråle bildekamera. Også modulere strømmen av laseren ved hjelp av dempeledd eller en polariserende stråledeler, slik at bare en moderat mengde strøm (10 mW) passerer igjennomtil apparatet.
   5. Fjern bjelken blokken og tillater strålen å reise gjennom apparatet, og faller inn på bjelken avbildningskameradetektoren.
   6. Slå på bjelken økende kamera og justere lysstyrke og kontrast til laserlyset.
   7. Uskarp laserstrålen, slik at et bredt område av mønstrede reflektoren er opplyst av laserlys.
   8. Juster fokus på strålen økende kamera til funksjonene i mønsteret er i fokus samtidig med hvitt lys bilde av prøven økende kamera, og oversette kameraet slik at dens synsfelt er sentrert på synsfeltet av prøven bildebehandling kamera. Den effektive brennvidde forskyvning mellom det hvite lyset bildet og bjelken bilde motvirker brennvidde avviket av optikken mellom laseren og synlige bølgelengder.
3. Ta med laser i fokus med bjelken økende kamera.
   1. Bruke kalibrert fokus i strålen økende kamera, justere laserbeam fokus til det fokuserer på et stramt spot, og justere strålen fokus posisjon slik at den faller i midten av synsfeltet. Bruke annotering programvare eller en annen metode for valg, og merk plasseringen av strålen i prøven kameraets synsfelt.
   2. Lukk laserstrålen lukkeren.

5. Trap og manipulere Specimen med optisk Energy

Merk: Et skjematisk riss av apparaturen kan refereres til i figur 8.

1. Bilde fluorescerende polystyren perler.
   1. Sett på dummy prøve og dekkglass med en ren dekkglass i prøven innehaveren av mikroskop.
   2. Plasser en spiss på utløpsenden av mikro-pipette og trekke 2-4 ul av fortynnet fluorescerende partikler løsningen med pipette.
   3. Sakte ut løsningen på dekkglass. Hvis det er bobler, fjerne dem ved å forsiktig blåse ren luft på slipp av løsningen.
   4. Carefully plassere enheten på toppen av løsningen blob med gull flaten ned. Løsningen skal spres over hele området under anordningen.
   5. Bevege objektbordet, slik at en kant av resonatoren matrisen brikken er nær sentrum av synsfeltet. Etablere fokus på kanten av brikken.
   6. Transobjektbordet, slik at resonatoren mønsteret er nær sentrum av synsfeltet. Fokus på nanostrukturer ved å bringe mørke justeringsmerkene i fokus, og merk at resonatorer selv vises som mørke flekker i den lyse reflektor bakgrunn.
   7. Sett et smalt bånd-pass filter foran kvikksølvlampe som blokkerer alle farger annet enn det som tilsvarer de fluoriserende perler 'absorpsjonstopp.
   8. Sett et smalt bånd-pass filter foran prøven økende kamera som blokkerer alle farger annet enn det som tilsvarer de fluoriserende perler 'emisjonstopp.
   9. Ta med fluorescerende bilde the perler i fokus, og bemerker deres kollektive gjennomsnittlig drift hastighet mot deres individuelt tilfeldig Brownske bevegelser. Vent til perlene gjennomsnitts drift hastighet avtar til mindre enn 10 mikrometer / sek.
      Note: På grunn av fordampning ved kantene av brikken, og på grunn av dynamiske innsvingningskrefter i fluidet på undersiden av brikken vekt, kan det være synlig åpen strømmer (titalls um / s eller mer) i prøvevæsken. Hvis fordampningen ikke er for asymmetrisk langs kanten av brikken, vil disse strømmer til slutt redusere til et akseptabelt nivå for å utføre et eksperiment.
2. Bruk fokusert laserstråle til å felle en polystyrenkule.
   1. Sørg for at alle forskere satt på passende laser vernebriller, og deretter slå på laseren samtidig laserstrålen lukkeren lukket. Sørg for at laseren produksjonen er mindre enn 10 mW. Kontroller at lasereffekten har stabilisert ved å teste strålen utgang med en bjelke blokk på plass som hindrer laserstrålingkommer inn i mikroskopet.
   2. Når laseren makt har stabilisert seg, fjerne bjelken blokk og noter laser spot i strålen bildet. Hvis flekken er ute av fokus, justere laser fokus til minimal plass fokus er oppnådd.
   3. Samtidig som man sikrer at tilstrekkelig attenuatorene er plassert i fronten av bjelken bildet for å forhindre detektor metning, gradvis øke laserutgangseffekten til en drivende vulst kan fanges stabilt på bjelken fokus. Skanning av mikroskop scenen kan bistå i å fange en perle som er off-center.
   4. Kontroller at fanget vulsten er plassert på eller nær mark gjort tidligere for å spore den laserfokus posisjon i prøvebildet. Hvis det er en forskjell mellom perle posisjon og laser fokus mark, korrigere laser fokus mark for å matche den nye perle posisjon.
   5. Nå justere bjelken entreprenøren bygget inn i strålebanen til stråle sted ekspanderes til 9 pm i diameter FWHM når den er helt i fokus. Måle dette som enrett intensitet tverrsnitt gjennom sentrum av strålen plass i bjelken bildet.
   6. Hvis den opprinnelige fanget perle gikk tapt i løpet av denne justeringen, bruker oversettelses scenen for å søke etter og felle en annen perle.
      1. Hvis utvidelse strålen stedet har de-stabilisert optisk felle (på grunn av en redusert intensitet gradient), øke stråleenergien som er nødvendig for å oppnå stabil optisk fangst. Ved å øke fokalpunktet størrelsen har beveget seg i sentrum av strålen bort fra sin opprinnelige posisjon, gjen markere den gjennomsnittlige stilling i den innfangede vulsten i prøven bildet som strålesenteret.
3. Etablere nærfeltet fangst og manipulere en polystyrenkule på en C-formet gravering array.
   1. Slå på lys bakgrunn lampen og øke dens effekt inntil substratet mønster kan sees i bakgrunnen bak bilder av fluorescerende kuler.
   2. Med en perle fanget av løst-fokusert stråle, bruke mikroskop scenen to bevege substratet mønster, slik at enden av en rekke resonatorer kan ses direkte bak fanget vulsten. Dersom kulen er tilfeldig Brownske bevegelser blir betydelig redusert, betyr dette at vulsten blir fanget av nærfelt en spent resonator.
      Merk: Når kulen ennå ikke er fanget av det optiske nær feltet, justere plasseringen av den plasmonic resonatoren matrisen under vulsten. Denne justeringen kan bringe perlen i nærmere kontakt med en resonator som er bedre innrettet med den aktuelle polarisasjon av laserlyset. Hvis denne fremgangsmåte ikke induserer nærfeltet overlapping, kan strålen fokuseres litt over planet til substratet. I dette tilfellet justeres laser fokus litt slik at brennpunktet nærmer seg overflaten av substratet.
   3. Hvis etter liten scene og laserfokusjusteringer vulsten har ennå ikke blitt fanget av det optiske nær feltet, finner en annen matrise på substratet, og gjenta nærfeltet overlappingsprosess, begynnermed trinn 5.3.2.
      Merk: Fabrikasjon feil føre til både systematiske og tilfeldige variasjoner i resonator ytelse. Ikke-fungerende resonator arrays er vanlig før fabrikasjon resultatene har blitt fullstendig karakterisert og er repeterbare.
   4. Når nær-felt fangst er etablert, flytte mikroskopet oversettelse scenen slik at midten av laser spot ligger mer nær sentrum av transportøren. Denne virkning vil ha en tendens til å trekke vulsten sammen med midten av den fokuserte lasers, slik at bare små justeringer kan gjøres på denne måte. Hvis en perle blir forskyves redusere bevegelse. Dette er mengden av bjelken forskyvning tålelig ved nærfeltet feller.
   5. Etter forskyvning av bjelken noe i det foregående trinn, rotere en halvbølgeplate plassert i laserstrålens bane for å dreie vinkelen lineær polarisasjon. Dette aktiverer resonatorer i en sekvens ned i matrisen og induserer styrt, lineær bevegelse i det fluorescerende vulsten. En motorisert roterende scene kan hanlp produsere mer jevn rotasjon i halvbølgeplate og derfor mer jevn kulebevegelse.
   6. Å spore fremdriften av perle og samle inn data om sin posisjon, slå av bakgrunnsbelysningen lampen og bruke en video fange verktøyet til å ta bilder av perlen bevegelse. Post-prosessering av partikkelbevegelsen kan oppnås ved hjelp av den medfølgende MATLAB script.

Representative Results

Figur 7 er et bilde av den siste enheten. I midten av 1 cm x 1 cm gulloverflate er matrisen av CSE og transportmønster, som kan knapt sees fra en vinklet vis. Figur 6 er et scanning-elektronmikroskopi bilde av et eksempel CSE mønster på den siste enhet.

Den partikkelbevegelse av et 390 nm polystyrenkule reiser over en nano-optisk transportbånd 5 um i lengde, er vist i figur 9. Kurven viser partikkelens posisjon som en funksjon av laserpolariseringsvinkelen. Som nevnt i protokollen, kan det være tilfeller der transport ikke lykkes eller nær-felt fangst ikke starter. Det beste løpet av handlingen er å prøve et annet mønster, som kan være i bedre stand.

Figur 6. SEM bilde av CSE Array. Scanning elektronmikroskop (SEM) bilder av CSE mønstre. (a) viser et bilde av HSQ mesas etter motstå utvikling. Prøven blir forstøvet med 5 nm gull som et ledende lag for SEM undersøkelse. (b) -. (c) viser endelige mønstre etter at prøven er sluppet fra silikonsubstratet Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7. CSE Array Chip. Bilde av den siste enheten, omtrent 10 mm x 10 mm i størrelse. Bildet viser forsiden gull overflaten av enheten. Diffraksjon fra grating ID-merking er synlig som multi-farge firkanter nær sentrum av brikken. Vennligst click her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8. Eksperimentelle enheter. Skjematisk av den eksperimentelle apparaturen. Både fangst og bildebehandling blir utført i refleksjonsmodus. De ulike lysbanene utmerker bruke forskjellige farger. De røde, grønne, stiplede røde, blå og gule linjer representerer de lette stier optisk fangst (conveyor kjøring), fluorescerende bildebehandling, laser imaging, fluorescerende eksitasjon og lyse felt belysning hhv. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9. Perlene Mønster Over Dobbelt Rail transportbånd. Posisjon vs. polarisering vinkel for en 390 nm perle flytte på en 4,5 mikrometer lang dobbel-rail transportbånd. Bilder til venstre viser øyeblikksbilder av kula etter hver transportør periode. Kurven på høyre spor den beregnede posisjonen til perle sentre. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Den NOCB kombinerer de sterke fangst styrker og liten felle størrelsen Plasmonic tilnærminger med evne til å transportere partikler, lenge bare tilgjengelig for vanlige fokusert stråle teknikker. Unikt for NOCB, fangst og transportegenskaper i systemet er et resultat av overflate mønstring og ikke fra forme belysning bjelke. Forutsatt at belysningen er sterkt nok, og dens polarisasjon eller bølgelengde kan moduleres, partikler kan bli holdt eller flyttes i kompliserte protokoller på overflaten. Vi har vist gjennom simulering som en NOCB kan også raskt slags partikler basert på deres mobilitet ^23. Nærfeltet feller kan tjene som små reaksjonsvolumer for enkelt-molekyl kjemi, og den iboende parallelizability av NOCB betyr at den kan brukes til å sette opp, utføre og rive ned så mange samtidige eksperimenter som kan pakkes på en brikke og opplyst om gang.

For å få NOCB å jobbe, nær-feltet optical krefter som holder og late nanopartikler må overvinne de konkurrerende kreftene viskøst drag, vanlig optisk trapping (kraften fra belysningstrålen), thermophoresis, og kontaktkrefter med andre partikler og selve substratet. Nærfeltet optisk kraft skal være så sterk som mulig for en gitt belysning strøm; Dette krever nøye nanostrukturen design og fabrikasjon, men i praksis må vi produsere en rekke strukturer med forskjellige karakteristiske størrelser å velge den som fungerer best for den gitte belysning bølgelengde. Den viskøse drag og thermophoresis må dempes også: mens de ikke kan være i stand til å trekke partikler ut av nær-feltet optiske feller, kan de sikkert gjøre det vanskelig å få en partikkel på NOCB array i første omgang.

Når prøven først plasseres under mikroskopet, vil partiklene fordele jevnt over hele volumet, og meget sjelden kommer nær til CSE matrisen. (Beregn-sjoner tyder på at en partikkel må bevege seg innenfor noen titalls nanometer av kontaktflate for å bli fanget.) Når belysningen er først slått på, vil CSE rekke umiddelbart varme opp og skape en termisk gradient i vannet som frastøter partikler over en avstand av flere hundre nanometer. Denne barrieren er overvunnet ved å fange en partikkel i en avstand med den fokuserte strålen belysning, og manuelt dra partikkel gjennom den termiske barriere inn i fangstfeltet til CSE. Men selv denne metode vil svikte hvis den termiske gradient er for høy. I vår erfaring, inkludering av kobber kjøleribbe lag var avgjørende for å trekke varmen bort fra vannet og svekke de termiske krefter. Det kobberkjølefinne også gjør det mindre sannsynlig at vannet vil koke under vanlig belysning intensitet.

Den optiske gradient kraft på en meget liten partikkel skalaer som tredje potens av partikkeldiameteren. Dette gjør det mye vanskeligere å felle en 100nm perle enn en 200 nm perle, siden strømmen må økes åtte ganger økende underlaget oppvarming med samme beløp. Som en praktisk sak anbefales det å fange store kuler første (400 nm eller 500 nm i diameter), og optimaliserer felle styrken og minimere konkurrerende krefter, og deretter forsøker fangst og transport av mindre partikler.

Når prøven er blitt fremstilt, kan eksperimenter utføres så lenge som partiklene som flyter fritt i vannet. Vann kommer ut av prøven ved fordampning langs kantene. I vår lab dette setter en omtrent 20 min tidsbegrensning på eksperimenter. Fordampning kan også resultere i en konkurrerende viskøse dragkraft som vann trekkes til kantene av prøven. Hvis prøven har grove funksjoner som bøyde opp metallkanter eller pigger som hindrer den fra å ligge flatt på glass-slide, jo større eksponerte overflaten av vannet raskere fordampning. Hvis en side er høyere enn den annen, vil fordampningen være forutinntatt mots siden med større sample-lysbilde gap og væsken vil bevege seg raskt over de nanostrukturer, noe som gjør det vanskeligere å se, fange og holde partikler.

En enkelt NOCB kan transportere partikler over bredden av belysningstrålen, men ikke videre. Som stråleintensitet faller av, gjenopprette kraft fra fokusert stråle vokser seg sterkere og NOCB overlevering kraft vokser svakere, inntil polarisasjonsrotasjon er mer sannsynlig å slippe partikkelen enn å flytte den frem. For utvidelse til lengre transportbånd eller flere parallelle transportbånd, må belysningen området økes. En kraftig, defokusert laserdiode kunne drive et mye større område enn laseren som brukes i disse forsøkene. Alternativt kan belysningen området kan økes ved hurtig skanning av bjelken ved hjelp av et akusto-optisk deflektor.

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