Fabrikation og Drift af et Nano-Optical transportbånd

Abstract

Teknikken med at bruge fokuserede laserstråler til fælde og udøve kræfter på små partikler har gjort det muligt mange pivotale opdagelser i nanostørrelse biologiske og fysiske videnskaber i de seneste årtier. Fremskridtene på dette område indbyder yderligere undersøgelse af endnu mindre systemer og i en større skala, med værktøjer, der kan distribueres lettere og gjort mere bredt tilgængelig. Desværre, de fundamentale love diffraktion begrænse den mindste størrelse af brændpunktet af en laserstråle, der gør partikler mindre end en halv bølgelængde i diameter svært at fælde og generelt forhindrer en operatør forskelsbehandle partikler, som er tættere sammen end en halv -wavelength. Dette udelukker den optiske manipulation af mange tætliggende nanopartikler og begrænser opløsningen af ​​optiske mekaniske systemer. Endvidere manipulation ved hjælp af fokuserede stråler kræver stråledannende eller styretøj optik, som kan være meget pladskrævende og dyre. For at løsedisse begrænsninger i systemet skalerbarhed konventionel optisk indfangning vores laboratorium har udtænkt en alternativ teknik, som udnytter nærfelts optik til at flytte partikler på tværs af en chip. I stedet for at fokusere laserstråler i det fjerneste felt, den optiske nær området plasmoniske resonatorer producerer den nødvendige lokale optiske intensitet ekstraudstyr til overvinde begrænsninger af diffraktion og manipulere partikler ved højere opløsning. Tætliggende resonatorer producerer kraftige optiske fælder, som kan rettes til mægle hånd-off af partikler fra den ene til den næste i et transportbånd-bælte-lignende måde. Her beskriver vi, hvordan at designe og producere et transportbånd ved hjælp af en guld overflade mønstret med plasmoniske C-formede resonatorer og hvordan man betjener den med polariseret laserlys til at opnå super-opløsning nanopartikel manipulation og transport. Nano-optiske transportbånd chip kan fremstilles ved anvendelse litografiteknikker og nemt emballeret og distribueret.

Introduction

Capture, forhør og manipulation af enkelte nanopartikler er af stigende betydning i nanoteknologi. Optisk pincet er blevet en særdeles vellykket manipulation teknik til eksperimenter i molekylærbiologi ^1-4, kemi ^5-7 og nano-samling ^7-10, hvor de har gjort det muligt gennembrud eksperimenter såsom målingen af de mekaniske egenskaber af enkelt DNA-molekyler ^{4 og} sortering af celler ved deres optiske egenskaber ^11,12. Opdagelser på disse grænser åbne op for studiet af endnu mindre systemer, og de gør vejen for konstruktion af nye praktisk gavnlige produkter og teknikker. Til gengæld denne tendens driver behovet for nye teknikker til at manipulere mindre, mere rudimentære partikler. Derudover er der en indsats for at opbygge "lab-on-a-chip 'enheder til at udføre disse funktioner billigere og i en mindre pakke med henblik på at bringe kemiske og biologiske prøver ud aflab og i feltet til medicinske og andre formål ^13,14.

Desværre, kan konventionelle optisk indfangning (COT) ikke opfylde alle nanoteknologi voksende krav. COT opererer på mekanismen for at anvende en høj numerisk apertur (NA) objektivlinsen at bringe laserlys til et stramt fokus, hvilket skaber en lokaliseret top i optiske intensitet og høje gradienter i det elektromagnetiske energifelt. Disse energi densitetsgradienter udøve en netto kraft på lysspredende partikler, der generelt trækker dem ind mod midten af ​​fokus. Fældefangst mindre partikler kræver højere optisk effekt eller et strammere fokus. Imidlertid fokuserede lysstråler adlyder princippet om diffraktion, hvilket begrænser den minimale størrelse af brændpunktet og placerer en øvre grænse for energi densitetsgradient. Dette har to umiddelbare konsekvenser: barneseng kan ikke fælde små genstande effektivt og COT har problemer diskriminere mellem tætliggende partikler, en fældefangst opløsningbegrænsning kendt som "fede fingre 'problem. Hertil kommer, at gennemføre flere partikel fældefangst med COT kræver systemer af stråle-styring optik eller rumlige lysmodulatorer, komponenter, der drastisk øger omkostningerne og kompleksiteten af ​​en optisk fældefangst system.

En måde at omgå de grundlæggende begrænsninger af konventionelle fokuserede lysstråler, siges at udbrede sig i fjernfeltet, er at i stedet udnytte gradienter af optisk elektromagnetisk energi i den nærmeste område. Nærfeltet henfalder eksponentielt væk fra kilder til elektromagnetiske felter, hvilket betyder, at ikke blot er det stærkt lokaliseret til disse kilder, men det er også udviser meget høje gradienter i sin energitæthed. De nær områderne nano-metalliske resonatorer, såsom bowtie åbninger, nano søjler, og C-formede graveringer, har vist sig at udvise usædvanlige koncentrationer af elektromagnetisk energi, yderligere forøget ved plasmoniske virkning af guld og sølv ved nær-INFRARED og optiske bølgelængder. Disse resonatorer er blevet anvendt til at fange ekstremt små partikler med høj effektivitet og opløsning ^15-22. Selv om denne teknik har vist sig effektiv til at tilbageholde små partikler, har det også vist sig at være begrænset i sin evne til at transportere partikler i nævneværdig område, som er nødvendigt, hvis nærfelts systemer til at interface med fjernfelts systemer eller mikrofluidik.

For nylig har vores gruppe foreslået en løsning på dette problem. Når resonatorer er placeret meget tæt på hinanden, kan en partikel i princippet migrere fra en nær-felt optisk fælde til den næste uden at blive frigivet fra overfladen. Retningen af ​​transporten kan bestemmes, hvis tilstødende fælder kan tændes og slukkes hver for sig. Et lineært array af tre eller flere adresserbare resonatorer, hvori hver resonator er følsom over for en polarisering eller bølgelængde af lys forskellig fra sine naboer, virker som en optisk transportbånd, der transporterer nanoparticykler over en afstand af flere mikrometer på en chip.

Den såkaldte 'Nano-Optical Conveyor Belt «(NOCB) er unik blandt plasmoniske resonator fældefangst ordninger, som ikke alene kan det holde partikler på plads, men det kan også flytte dem ved høj hastighed langs mønstrede spor, samle eller sprede partikler, blandes og kø dem, og endda sortere dem efter egenskaber, såsom deres mobilitet ^23. Alle disse funktioner styres ved at modulere polarisering eller bølgelængde af belysning, uden behov for beam-styrende optik. Som en nær-felt optisk fælde, at NOCB indfangning opløsning er højere end den for konventionelle fokuseret-beam optiske fælder, så den kan skelne mellem partikler i tæt nærhed; fordi den bruger en metal nanostruktur at koncentrere lyset i en fælde godt, det er strømbesparende, og kræver ikke dyre optiske komponenter såsom en høj NA mål. Endvidere kan mange NOCBs drives parallelt, ved høj pakning hulefoldighed, på det samme substrat, og 1 W af magt kan køre over 1200 åbninger ^23.

Vi har for nylig vist den første polarisation-drevet NOCB, glat fremdrive en nanopartikel frem og tilbage langs en ​​4,5 um spor ^24. I denne artikel præsenterer vi de nødvendige for at designe og fabrikere enheden trin, optisk aktivere den og reproducere transport eksperiment. Vi håber, at gøre denne teknik mere bredt tilgængelige, vil hjælpe bygge bro størrelsen kløften mellem mikrofluidik, fjernfelts optik og nanoskala enheder og eksperimenter.

Protocol

1. Design C-formede Gravering (CSE) Array

1. Design array mønster.

Figur 1. CSE Layout. Afbildning af transportbånd gentage element. Vellykket transport er opnået ved hjælp af d _y = 320 nm og d _{x =} 360 nm. Tilstødende par af graveringer har en 60º relativ roterende offset. Klik her for at se en større version af dette tal.

1. Bestem den ønskede bane af partikler over et plant substrat.
2. Ved hjælp af en CAD-program, generere en dobbelt-lineære system af C-formede polygoner langs stien, hver polygon i hvert par efter hinanden drejet 30 ± 90 ° omkring sin konvekse som vist i figur 1. Da en partikel egen vlydstyrken groft bestemmer dens handoff område ^22, forlader ikke mere end én partikeldiameter adskille på hinanden følgende par, og efterlader ikke mere end 90% af afstanden mellem centrene polygon i et par.
   Bemærk: For reference, har tidligere undersøgelser vist, at polystyren kugler af 390 nm i diameter og derover er mest egnet til transport ad en sådan CSE array. Perler så små som 200 nm kan manipuleres, men ikke pålideligt. Men perler større end 500 nm føler stærkere konkurrerende kræfter fra en fokuseret belysningsstråle.

2. Kontroller handoff kræfter langs arraymønster ved hjælp af en numerisk metode til at løse Maxwells ligninger. Mens proceduren beskrevet heri vedrører Finite Element Method (FEM) gennemført af kommerciel software COMSOL, er det muligt at tilpasse denne fremgangsmåde til andre numeriske metoder og implementeringer.
   1. Udarbejd en numerisk metode geometri, der kan rumme de plane mønster dimensioner og extslutter mindst 200 nm under mønstret flyet og 600 nm over planet. Under planet, omfatter et domæne til at repræsentere substratet og over planet et domæne til at repræsentere væskekammeret. Ekstrudere plane C-formet mønster 150 nm ned i substratet, hvilket skaber 3D domæner til at repræsentere det indre af graveringer. Indføre en partikel domæne med den ønskede form.
      1. Sørge for, at der er mindst 200 nm afstanden mellem toppen af ​​partiklen og loftet af simuleringen volumen og justere simulation omfang det er nødvendigt. Tilføj perfekt matchede lag på mindst 500 nm i tykkelse til de åbne grænser simuleringen at absorbere udad stråling.
   2. Sæt de elektromagnetiske materialeegenskaber domænet ovenfor grænsefladen til dem vand, materialeegenskaber det indre af det C-formede graveringer til dem af hydrogen-silsesquioxan (HSQ) og materialeegenskaberne af det resterende materiale til dem i gold. Indstil materialeegenskaber partiklen til de af polystyren eller andet materiale af valg. For nemheds skyld bruge lineære elektromagnetiske materialemodeller.
      Note:. En prøve komplet 3D geometri er vist i figur 2 i dette tilfælde, PML materiale domæner på kartesiske ± x, y ± og + z grænser absorbere felter betød at forplante sig til uendelig. PML tykkelse defineres som 5 gange den maksimale tetrahedrale mesh element størrelse, svarende til 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Hvis permitivitet ɛ _{r og} permeabilitet μ _r kræves input til den numeriske solver ved hånden, kan du bruge en relativ permittivitet på 1,96 for HSQ, 1,77 for vand, og -52,15 - 3.57i for guld. Indstil alle relative permeabiliteter til 1. Hvis et elektromagnetisk materiale end permitivitet og permeabilitet ejendom er nødvendige, bruge disse værdier til at udlede de krævede input ifølge standard elektromagnetiske identiteter. Brug den relevante tegn of den imaginære del af guld i henhold til den komplekse tid harmoniske tegnkonvention af den numeriske solver (det skal være negativt under exp (+ iωt) konvention og positiv under exp (- jeg w t) konventionen).

Figur 2. Simulering Geometry. Eksempel på numerisk simulering geometri i den kommercielle Finite Element Method software COMSOL. To transportbånd perioder simuleres med d _y = 320 nm og d _{x =} 360 nm og en 500 nm i diameter sfære. Skraverede materiale regioner er a) HSQ, b) polystyren, c) guld, og d) vand. Klik her for at se en større version af dette tal.

4. Diskretisere simuleringen volumen med en adaptiv tetrahedral mESH. Fikser den maksimale størrelse af gitterelementers til ikke større end 100 nm i bulk. Endvidere begrænser den maksimale størrelse af netelementer til 30 nm på kuglen overflade og 30 nm på graveringen overflader for at forøge nøjagtigheden kritiske strukturer. En moderat mesh vækstrate på omkring 1,4 bør anvendes til at bevare mesh element kvalitet i disse regioner, og et minimum maskestørrelse kan også defineres i mængden for at begrænse uforudsigelig adaptive mesh adfærd.
5. Til optisk excitation, definerer en baggrund harmonisk plan bølge med en ledig plads bølgelængde på 1.064 nm, som normalt er indfaldende og reflekterede ud af den plane guld substrat, som om de indgraveringer og partikel var fraværende. Brug Fresnel ligningerne evalueret på et normalt indfaldsvinkel til at beregne plane bølger refleksion og transmission koefficienter. Vælg polariseringen af ​​denne bølge, således at det elektriske felt flugter med rygningen af ​​en C-formet gravering. Normalisere intensiteten af ​​plane bølgetil 1 mW / um ^2.
6. Løs for de spredte elektromagnetiske felter i et parti af simuleringer, fejer partikelposition parameter fra den ene ende af stien til den anden, mens du holder partiklens højde konstant på blot et par nanometer af overfladen. Højder så lave som 5 nm tendens til at forudsige meget stærke fældefangst potentialer, mens større højder forudsige glattere fældefangst potentialer. Faktisk vil Brownsk bevægelse sikrer, at en reel partikel vil undersøge en række højder over overfladen.
   Bemærk: Computational ressourcer og tid vil variere med numerisk system, størrelse, numerisk metode, og edb-hardware.
7. Gentag trin 1.2.5 og 1.2.6 for polarisering på linie med hver af de andre to polarisering-særskilt C-shape orienteringer, som polarisationsvinkel tages modulo 180 °.
8. For hver simulering i de tre batcher, beregne nettokraft på partiklen ved at integrere flux af Maxwell-Minkowski Stress tensor gennem en overflade, som fuldstændigt omslutter partiklen men krydser ikke nogen væsentlige grænseflader.
9. For hver polarisering, beregne arbejde mod optiske kræfter ved at udføre en sti integreret af den negative indre optiske kraft over stien, at partiklen følger i hvert parti, som vist i figur 3.

Figur 3. Trapping Verifikation. Stabil trapping kan påvises ved at plotte den optiske potentiale aktivering stater. En enkelt periode på blot tre tilpassede søgemaskiner analyseres for enkelhed. Faktisk overordnede fælde dybde er tilstrækkelig (> 10 k _B T) for stabil diffusering på den aktiverede gravering for hver stat A, B, og C. Klik her for at se en større version af dette tal.

ove_content ">
Figur 4. Handoff Verifikation. Handoff kan påvises ved at plotte den optiske potentiale gamle (lys rød) og nye (lys rød) aktivering stater i rækkefølge. En enkelt periode på blot tre tilpassede søgemaskiner analyseres for enkelhed. Under overdragelse fra A til B og B til C, potentialbarrieren i retning af den ønskede bevægelse mellem disse to stillinger er både små (1 _Kb T) og mindre end i den modsatte retning, hvilket indikerer, at kontrolleret handoff er sandsynlig. Handoff fra C til A er mest vanskeligt, fordi den inter-fælden barriere stadig betydelig på alle polariseringer. Klik her for at se en større version af dette tal.

10. Kontroller for hver polarisering A, B og C, at der er en energi barriere på mindst 10 kB T i højden på hver side af den potentielle minimum i hver periode på tre Cs. Der henvises til figur 3 for en visuel identifikation af mulighederne minima og barrierer.
    Bemærk: Dette trin bestemmer, om partiklen vil blive stabilt fanget på den foreslåede transportbåndet uden at springe frem og tilbage. På grund af lineariteten af ​​elektromagnetiske bølger og anvendelse af lineære materialemodeller, energibarrieren er proportional med den spændende plan bølge intensitet.
11. Kontroller, at barriererne energi mellem hosliggende A fælder og B fælder dip under 1 _Kb T, når polariseringen roteres kontinuerligt fra A til B under partikel handoff. Gentag for polarisering rotation fra B til C og fra C til A. Der henvises til Figur 4 for en visuel identifikation af disse handoff overgang potentielle minima og barrierer.
    Bemærk: Dette trin bestemmer, om partiklen pålideligt vil overføre fra en fælde A til en fælde B under polarisering rotation. En partikelvil nemt overvinde en barriere af højden 1 _Kb T for at flytte til en dybere potentialbrønden.
12. Hvis der er nogen tilstrækkelig energi barriere i trin 1.2.10 eller nogen energi barriere, der er for stærk i trin 1.2.11, justere designet. Generelt at øge energi barrierer, øge den plads dividere C-formede graveringer. For at sænke energi barrierer, bringe indgraveringer tættere sammen. Undgå at bringe dem tættere sammen end to hud dybder (40 nm), som indgraveringer, der er for tæt på hinanden, kan forstyrre hinandens resonans strømninger, der sænker den samlede fældefangst effektivitet. Gentag trin 1.2 til fornyet kontrol af de optiske potentiale.

2. fremstille CSE Array

Bemærk:. Procesdiagrammet er vist i figur 5 er denne proces inspireret af arbejdet i ref. 25 og 26.

Figur 5. CSE-processen. Procesdiagram af dual-layer template-stripping proces. E-beam litografi med 100 keV energi bruges til at eksponere transportøren mønster på HSQ modstå. Det tynde PMMA lag nedenunder HSQ til formål at lette den endelige strip-off (release) af enheden fra Si substrat. Klik her for at se en større version af dette tal.

1. Anskaf en ren, poleret silicium wafer og bringe det til et rent rum udstyret til silicium litografi processer.
2. Rengør siliciumskiven at fjerne organisk forurening og oxider på overfladen.
   1. Nedsænk wafer i en 9: 1 H _{2 SO 4:} H _{2 O 2-opløsning} ved 100 ° C i 10 minutter. Et bad på mindst 1 L sikrer robust rengøring, men mindre kemikalie kan tillade sikrere og nemmere forarbejdning wafer som faciliteter kræver.
   2. Dyp wafeR i en 50: 1 HF-opløsning i 30 sek. Et bad på mindst 1 L sikrer robust rengøring, men mindre kemikalie kan tillade sikrere og nemmere forarbejdning wafer som faciliteter kræver.
   3. Skyl grundigt wafer med DI-vand og spin-tørre den.
3. Spin coat 50 nm PMMA (tykkelse er ikke kritisk).
   1. Singe bage wafer ved 150 ° C i 30 minutter.
   2. Spin coat en poleret, ren silicium wafer med 2% 950k poly-methyl-methacrylat (PMMA) ved 5.000 rpm i 40 sek. Påfør PMMA med en pipette, landing 20-25 dråber modstå på midten af ​​skiven, før du begynder spin.
   3. Indlæg bage PMMA modstå på varmeplade ved 200 ° C i 2 minutter.
4. Spin frakke 150 nm HSQ (samme dag som følgende trin).
   1. Spin på HSQ negative tone modstå ved 900 rpm i 1 min. Påfør HSQ med en plastik pipette, igen lander 20-25 dråber modstå på midten af ​​skiven, før du begynder spin.
   2. Indlæg bage HSQ modstå på hotplspiste ved 80 ° C i 2 minutter.
5. Expose og udvikle mønsteret hjælp elektronstrålelitografi teknikker (samme dag som foregående trin). Processen følger af PMMA / HSQ dual-layer demonstration i ref. 27.
   1. Oversæt silhuetten design til GDSII format til elektronstråle mønster på en dosis array. Omfatter opretningsmærker og kommentarer, der er mindst 5 um i størrelse med henblik på at identificere de nanostrukturer under et optisk mikroskop. Dosis array skal ligge i området fra 800-4,000 pC / ^cm2.
   2. Brug en elektronstråle litografi eksponeringsværktøj at blotlægge arrayet ved 100 kV accelererende spænding og en åbning på 60 um, som frembringer en strøm på 500 pA. Elektronstråle eksponering er også mulig under lavere accelererende spændinger forudsat stråle strøm, dosis, og korrektion nærhed mønstret justeres i overensstemmelse hermed.
   3. Udvikle udsat HSQ ved at nedsænke skiven i en 2,2% tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) developer løsning til 90 sek. Agitere forsigtigt opløsningen ved skubbet udvikleren skål hver 10 sek. Efter udviklingen tid er gået, skal du straks stoppe udviklingen ved at skylle overfladen med vand i 60 sek.
6. Coat et lag af guld 200 nm i tykkelse, efterfulgt af et lag af kobber 1.000 nm i tykkelse ved magnetronforstøvning. Sørg for at bruge en sputtering værktøj, hvis guld sputtering sats er kalibreret således at målet tykkelse opnås inden for 20%. Sputtering satser vil variere blandt værktøjer. Overskridelse i guld tykkelse er acceptabel, så er overskridelse i kobber.
7. Lim en 1 cm x 1 cm kvarts bagplade på mønstret substrat med UV-hærdende epoxy.
   1. Spred en enkelt dråbe UV-hærdende epoxy på kobber side af prøven i en 1 cm x 1 cm kvadrat dækker den mønstrede enhedsområdet.
   2. Påfør et kvarts / glas bagplade til kobber overflade, og sørg for, at den helt dækker mønstrede enhedsområdet.
   3. Put on UV beskyttelsesbriller.
   4. Hvil bagpladen og wafer på en plan overflade, og belyse epoxy fra oven med en UV oversvømmelse lampe til ca. 30 min.
   5. Sluk for UV-oversvømmelse lampen og fjern den hærdede prøve.
8. Slip enheden fra silicium substrat i et acetonebad.
   1. Ved hjælp af en skarp kniv, score en glat, lukket bane omkring kvarts bagplade, at sikre, at snittet er dyb nok til at trænge hele vejen gennem de to metallag og PMMA lag over siliciumskiven.
   2. Nedsænk substratet i et acetonebad til 6-8 timer.
   3. Hvis der efter 8 timer enheden prøven endnu ikke er blevet frigivet fra siliciumskiven naturligvis omhyggeligt lirke enheden (herunder kvarts bagpladen og begge metallag) fra siliciumskiven hjælp af en tynd kile eller kniv.
   4. Skyl resulterende prøve med acetone i ca. 1 min og tør den _med N2 eller ren luft.
   5. Hvis der are uslebne kanter af metal eller lim tilbage omkring bagpladen, omhyggeligt trimme dem væk med en barberkniv eller lab saks. Dette vil forbedre fluid dynamik i løbet af en fældefangst eksperiment ved at sikre en ensartet fordampning omkring chip kanter.
   6. Prøven Opbevar i en ren, støvtæt beholder til transport til den optiske laboratorium.

3. Forbered Specimen Sample

1. Forbered en fluorescerende polystyren perle løsning.
   1. En fluorescerende polystyren perleopløsning fra producentens koncentration fortyndes til 1x10 ⁹ / ml- 1x10 ¹⁰ / ml ved tilsætning af det passende volumen til 1 ml vand.
   2. Tilføj 0,05 ml tensid (octylphenol ethoxylat) til modellen prøven. Det overfladeaktive reducerer tendensen af ​​de kolloide kugler at holde sig til alle overflader, og det er også lidt forøger viskositeten af ​​værtens væske.

4. Kalibrer Focus af OpticalKolonner

Bemærk: En skematisk af apparatet kan refereres i figur 8.

1. Kalibrer fokus prøven imaging kamera.
   1. Anskaf et ekstra, mønstret, og flad reflekterende overflade til test og kalibrering. En dummy prøve med opretningsmærker fungerer godt.
   2. Tænd mikroskopet kviksølv lampe og vente, indtil lysniveauet har stabiliseret, derefter åbne lampen lukkeren.
   3. Placer mønstret prøveoverfladen i mikroskopet synsfelt og flytte sin kant i synsfeltet center. Juster lys attenuatorer for at sikre, at lyset ikke er for lyst til at observere gennem okularet, så se gennem okularet og bringe kanten i fokus.
   4. Flyt mikroskopbordet således at et mønster er nu i midten af ​​synsfeltet, og juster fokusskruen at maksimere skarpheden på det mønster.
   5. Tænd prøven billedbehandling kamera og justere lysstyrke og kontrast tilmikroskopet belysningsniveau.
   6. Juster prøven kamera fokus, indtil det mønster er også i fokus for kameraet. Mønstret skal være i fokus i både kameraets synspunkt og i okularet uden at skulle foretage nogen fokale justeringer, når du skifter mellem de to.
2. Kalibrere strålen imaging kolonne for at sikre, at laserstrålen billedkamera fokuserer på substratet.
   Bemærk: Det antages, at den nærmest IR laser allerede er blevet groft kollimeret og på linie med mikroskop imaging kolonner. En IR-sensor kort er et nyttigt værktøj til at udføre denne justering. Det anbefales at bygge hele systemet på en forud justeret understøtning, såsom et bur, således at alle optikken kan være centreret på samme akse automatisk. Dikroiske spejle indsat til separate stråle og billedbehandling bølgelængder er standard, men for en sikkerheds må ikke lække mere end 1% af laserbølgelængden.
   1. Sørg for, at hver enkelt forsker i rummet lægger på laser Safety beskyttelsesbriller med en ekstinktions på mindst 10 ⁷ ved bølgelængden laseroperation (1.064 nm) og sikre, at laserstrålen lukkeren er lukket.
   2. Tænd for laseren strømforsyning og kølesystem, men lad strålen tilskoddede. Varm op laser gevinst medium.
   3. Når beskyttelsesbriller er på plads, og lukkeren er bekræftet lukket, tænde for laseren. Placer en stråle blokeret foran laseren og åbne lukkeren at måle output af laserstrålen, verificerer ved hjælp af en power meter, at laseren udgangseffekt er stabiliseret. Hold strålen blokken på plads.
   4. For at beskytte prøven billedkamera mod skadelige niveauer af laserlys, sørge beam dæmpningsled er på plads foran prøven billedkamera, samt et dikroisk spejl til at dirigere den resterende stråleenergi til en separat stråle billedkamera. Også modulere laserens effekt ved hjælp af dæmpere eller en polariserende stråledeler således at kun en moderat mængde effekt (10 mW) passerer gennemtil apparatet.
   5. Fjern strålen blok og tillade stråle til at bevæge gennem apparatet og falder på stokken billedkamera detektor.
   6. Tænd bjælken billedbehandling kamera og justere lysstyrke og kontrast til laserlyset niveau.
   7. Defokusere laserstrålen således at et stort område af den mønstrede reflektor belyses med laserlys.
   8. Justere fokus af bjælken billedkamera, indtil funktionerne i mønsteret er i fokus samtidig med hvidt lys billede af prøven billedkamera, og omsætte kameraet, så at dens synsfelt er centreret på synsfeltet af prøven imaging kamera. Den effektive fokale offset mellem det hvide lys billede og strålen billedet modvirker brændvidden uoverensstemmelse af optikken mellem laseren og synlige bølgelængder.
3. Bring laseren i fokus med bjælken billedkamera.
   1. Brug af den kalibrerede fokus i bjælken billedkamera, justere laserbeam fokus indtil det fokuserer på en stram stedet, og justere strålen fokus position, således at den falder i midten af ​​synsfeltet. Brug annotation software eller en anden metode til valg, markere placeringen af ​​strålen i prøven kameraets synsfelt.
   2. Luk laserstrålen lukkeren.

5. Trap og manipulere Prøve med optisk energi

Bemærk: En skematisk af apparatet kan refereres i figur 8.

1. Billede de fluorescerende polystyrenkugler.
   1. Udskift dummy prøve og dækglasset med en ren dækglas i prøveholderen af ​​mikroskopet.
   2. Placer en tip på udløbsenden af ​​mikro-pipette og udtrække 2-4 pi fortyndet fluorescerende partikel løsning med pipetten.
   3. Aflades langsomt opløsningen på dækglasset. Hvis der er bobler, fjerne dem ved forsigtigt at blæse ren luft på dråbe opløsning.
   4. Carefully placere enheden på toppen af ​​opløsningen klat med guld overflade vender nedad. Opløsningen bør spredt ud over hele området under enheden.
   5. Flyt mikroskopbordet således at en kant af resonator-chip er tæt på midten af ​​synsfeltet. Etablere fokus på kanten af ​​chippen.
   6. Oversætte objektbordet således at resonator mønster er nær centrum af synsfeltet. Fokus på nanostrukturer ved at bringe mørke opretningsmærker i fokus, og bemærk, at resonatorer selv fremstår som mørke pletter i den lyse reflektor baggrund.
   7. Sæt et smalt båndpasfilter foran lampen som blokerer alle farver bortset fra den, der svarer til de fluorescerende kugler 'absorptionstop kviksølv.
   8. Sæt et smalt båndpasfilter foran modellen billedkamera, som blokerer alle farver bortset fra den, der svarer til de fluorescerende kugler 'emission peak.
   9. Bring fluorescerende billede af the perler i fokus, bemærke deres kollektive gennemsnitlige afdrift hastighed mod deres individuelt tilfældig Brownsk bevægelse. Vent, indtil perlerne gennemsnitlige drifthastighed bremser til mindre end 10 um / sek.
      Bemærk: På grund af fordampning ved kanterne af chippen, og på grund af dynamiske sedimenteringsegenskaber kræfter fluidet under chip vægt, kan der være synligt tilsyneladende strømme (ti um / s eller derover) i prøven væske. Hvis fordampningen ikke er for asymmetrisk langs kanten af ​​chippen, vil disse strømme til sidst falde til et acceptabelt niveau til at udføre et eksperiment.
2. Brug fokuserede laserstråle til at fange en polystyrenperle.
   1. Sørg for, at alle forskere sat på passende laser sikkerhedsbriller, og tænd derefter laseren samtidig holde laserstrålen lukkeren lukket. Sørg for, at laseren output er mindre end 10 mW. Sørg for, at lasereffekten har stabiliseret ved at teste strålen output med en bjælke blok på plads, som forhindrer laserstrålingkomme ind i mikroskopet.
   2. Når lasereffekten har stabiliseret sig, fjerne bjælken blok og bemærk laser stedet i strålen billedet. Hvis stedet er ude af fokus, justere laseren fokus indtil minimal spot fokus er opnået.
   3. Samtidig sikre at der er tilstrækkelige dæmpeled er placeret foran strålen billedet for at forhindre stråle detektor mætning, gradvist øge laser udgangseffekt indtil en drivende perle kan fanges stabilt på bjælken fokus. Scanning mikroskopbordet kan hjælpe med at fange en kugle, som er off-center.
   4. Kontroller, at fanget perlen er placeret på eller nær varemærke, der tidligere for at spore laserfokus position i prøven billedet. Hvis der er en forskel mellem vulsten position og laserfokus varemærke, korrigere laserfokus mærket svarer til den nye perle position.
   5. Nu justere strålen entreprenøren indbygget i strålegangen indtil strålen stedet udvides til 9 pm i diameter FWHM, når det er i fuld fokus. Mål dette som enlige intensitet tværsnit gennem midten af ​​strålepletten i bjælken billedet.
   6. Hvis den oprindelige fanget perle blev tabt under denne justering, skal du bruge oversættelsen scenen for at søge efter og fælde en anden kugle.
      1. Hvis en udvidelse af strålepletten har de-stabiliseret den optiske fælde (grundet en nedsat styrke gradient), øge stråleeffekten som nødvendigt for at opnå en stabil optisk indfangning. Hvis forøgelse af brændpunktet størrelse er flyttet centrum af strålen bort fra sin oprindelige position, re-markere den gennemsnitlige placering af det fangne ​​perle i prøven billedet som strålen centrum.
3. Etablere nærfelt indfangning og manipulere en polystyren perle på en C-formet gravering array.
   1. Tænd baggrund belysningslampe og øge dens strøm, indtil substratet mønster kan ses i baggrunden bag billeder af fluorescerende perler.
   2. Med en perle fanget af løst-fokuserede stråle, bruge mikroskopbordet to flytte substratet mønster, så enden af ​​en vifte af resonatorer kan ses direkte bag de fangne ​​perle. Hvis perlen er tilfældig Brownsk bevægelse bliver væsentligt reduceret, betyder det perlen er fanget af nærheden af ​​en ophidset resonator.
      Bemærk: Hvis perlen er endnu ikke blevet fanget af det optiske nærfelt, justere positionen af ​​plasmoniske resonator matrix under perlen. Denne justering kunne bringe perlen i tættere kontakt med en resonator, der er bedre tilpasset de gældende polarisering af laserlys. Hvis denne proces ikke inducerer nær-felt fældefangst, kan strålen fokus være lidt over underlaget flyet. I dette tilfælde justeres laserfokus lidt, så at brændpunktet nærmer sig overfladen af ​​substratet.
   3. Hvis der efter trin og laserfokus justeringer små perlen er endnu ikke blevet fanget af det optiske nærfelt, finde en anden matrix på substratet og gentag nærfelt trapping startendemed trin 5.3.2.
      Bemærk: Fabrication fejl forårsage både systematiske og tilfældige variationer i resonator ydeevne. Ikke-fungerende resonator arrays er fælles indtil fabrikation resultater er blevet fuldt karakteriseret, og er repeterbare.
   4. Når nærfelt er etableret trapping, flytte mikroskopet translation tidspunkt, således at midten af ​​laserpunktet bor mere tæt på centrum af transportøren. Denne handling vil have tendens til at trække perlen sammen med centrum af den fokuserede laser, så der kun kan foretages små justeringer på denne måde. Hvis en perle bliver forrykke sig, reducere bevægelse. Dette er den mængde strålen forskydning tolerabel af nærfeltet fælder.
   5. Efter forskydning af strålen lidt i det foregående trin, rotere en halvbølgeplade placeret i laserstrålebanen at rotere vinklen på lineær polarisering. Dette aktiverer resonatorer i en sekvens ned array og inducerer kontrolleret, lineær bevægelse i den fluorescerende vulst. En motoriseret roterende scene kan hanlp producere mere stabil rotation i halvbølgeplade og derfor mere stabil perle bevægelse.
   6. At spore fremskridt af perlen og fange data på sin position, skal du slukke for baggrundsbelysningen lampe og bruge en videooptagelse hjælpeprogram til at indfange billeder af perlen bevægelse. Efterbehandling af partiklen bevægelse kan opnås ved hjælp af den medfølgende MATLAB script.

Representative Results

Figur 7 er et billede af den endelige indretning. På midten af 1 cm x 1 cm guldoverflade er matrix af CSE og transportbånd mønstre, som kan knapt ses fra en vinklet visning. Figur 6 er et scanningselektronmikroskopi billede af et eksempel CSE mønster på den endelige indretning.

Partikel bevægelse af en 390 nm polystyrenperle rejser på tværs af en nano-optisk transportbåndet 5 um i længden er vist i figur 9. Kurven viser partiklens position som en funktion af laser polarisering vinkel. Som nævnt i protokollen, kan der være tilfælde, hvor transporten ikke lykkes eller nær-området fældefangst ikke indlede. Den bedste fremgangsmåde er at prøve et andet mønster, som kan være i bedre stand.

Figur 6. SEM billede af CSE Array. scanningselektronmikroskop (SEM) billeder af CSE mønstre. (a) viser billedet af HSQ mesas efter modstå udvikling. Prøven spruttede med 5 nm guld som et ledende lag for SEM inspektion. (b) -. (c) viser endelig mønstre efter at prøven er frigivet fra siliciumsubstratet Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7. CSE-chip. Billede af de endelige indretning, omtrent 10 mm x 10 mm i dimension. Billedet viser forsiden guld overflade af indretningen. Diffraktion rivning ID markeringer er synlig som flerfarvede firkanter nær centrum af chippen. Zoom click her for et større version af dette tal.

Figur 8. Eksperimentelle enheder. Skematisk af eksperimentelle enheder. Både fældefangst og billedbehandling udføres i refleksion tilstand. De forskellige lysbaner skelnes ved hjælp af forskellige farver. De røde, grønne, stiplede røde, blå og gule linjer repræsenterer de lyse stier af optisk indfangning (transportbånd kørsel), fluorescerende billeddannelse, laser billeddannelse, fluorescerende excitation og lyse felt belysning henholdsvis. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9. Bead Trajectory Over Dobbelt-Rail Conveyor. Position vs. polarisering vinkel for en 390 nm perle bevæger sig på en 4,5 um lang dobbelt-rail transportbånd. Billeder til venstre viser snapshots af kuglen efter hver transportør periode. Kurven til højre spor den beregnede position perle centre. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Den NOCB kombinerer de stærke fældefangst kræfter og lille fælde størrelse plasmoniske tilgange med evnen til at transportere partikler, lange kun tilgængelig for konventionelle fokuseret-beam teknikker. Unikt for den NOCB, de fældefangst og transport egenskaber ved systemet er et resultat af overflade mønster og ikke af forme belysningsstrålen. Forudsat belysningen er lyst nok og dens polarisering eller bølgelængde kan moduleres, partikler kan holdes eller flyttes i komplicerede protokoller på overfladen. Vi har vist gennem simulering, at en NOCB kan også hurtigt sortere partikler baseret på deres mobilitet ^23. Nærfelt fælder kan tjene som små reaktionsvolumener for enkelt-molekyle kemi og den iboende parallelizability af NOCB betyder, at det kan bruges til at oprette, udføre og rive ned så mange samtidige eksperimenter som kan pakkes på en chip og belyst gang.

For at få den NOCB til at arbejde, nær-feltet optical kræfter, der holder og aflevere off nanopartikler skal overvinde de konkurrerende kræfter tyktflydende træk, konventionel optisk indfangning (den kraft af belysning stråle), thermophoresis, og kontaktoplysninger kræfter med andre partikler og underlaget selv. Den nær-felt optisk kraft skal være så stærk som muligt for en given belysning magt; dette kræver omhyggelig nanostruktur design og fabrikation, men i praksis er vi nødt til at producere en række strukturer med forskellige karakteristiske størrelser for at vælge den, der virker bedst for den givne belysning bølgelængde. Den tyktflydende træk og thermophoresis skal undertrykkes så godt: mens de ikke kan være i stand til at trække partikler ud af nær-felt optiske fælder, kan de helt sikkert gøre det vanskeligt at få en partikel på NOCB array i første omgang.

Når prøven først placeres under mikroskopet, vil partikler distribuere jævnt i volumen og meget sjældent kommer tæt på CSE array. (Beregninger viser, at en partikel skal flytte inden for et par snese nanometer af overfladekontakt at blive fanget.) Når belysningen er i første omgang slået til, vil CSE vifte straks varme op og skabe en termisk gradient i det vand, der frastøder partikler over en afstand på flere hundrede nanometer. Denne barriere overvindes ved at fange en partikel i en afstand med den fokuserede belysningsstrålen og manuelt trække partiklen gennem den termiske barriere i indfangningsfeltet af KF. Men selv denne metode vil mislykkes, hvis den termiske gradient er for høj. Det er vores erfaring, inddragelse af kobber køleprofil lag var afgørende for at trække varmen væk fra vandet og svække de termiske kræfter. Kobber køleplade gør det også mindre sandsynligt, at vandet vil koge ved normal belysning intensitet.

Den optiske gradient kraft på en meget lille partikel skalaer som tredje potens af partikeldiameteren. Dette gør det meget sværere at fange en 100nm perle end en 200 nm perle, da strømmen skal øges otte gange stigende substratet opvarmning med samme beløb. Som et praktisk anliggende anbefaler vi fældefangst større perler først (400 nm eller 500 nm i diameter), optimering af fælden styrke og minimere konkurrerende kræfter, og derefter forsøge indfangning og transport af mindre partikler.

Når prøven er blevet forberedt, kan eksperimenter udføres, så længe partiklerne frit flyder i vand. Vand forlader prøven ved inddampning langs kanterne. I vores laboratorium dette sætter en nogenlunde 20 min frist på eksperimenter. Fordampning kan også resultere i en konkurrerende væskemodstand kraft vand henledes på kanterne af prøven. Hvis prøven ru funktioner såsom opbukkede metal kanter eller pigge, der forhindrer det i at ligge fladt på objektglasset, jo større eksponerede overfladeareal af vandhastigheden fordampning. Hvis den ene side er større end den anden, vil fordampningen være forspændt moder den side med den større prøve-slide hul og væsken vil bevæge sig hurtigt i de nanostrukturer, hvilket gør det sværere at se, opsamling og holde partikler.

En enkelt NOCB kan transportere partikler tværs over bredden af ​​belysningsstrålen men ikke yderligere. Som stråleintensiteten dråber ud, gendannelseskraften fra den fokuserede stråle vokser stærkere og NOCB handoff kraft vokser svagere, indtil polarisering rotation er mere tilbøjelige til at frigive partiklen end bevæge det fremad. Om forlængelse til længere transportører eller flere parallelle transportører, skal belysningen området øges. En kraftig, defocused laserdiode kunne drive et meget større område end laser, der anvendes i disse eksperimenter. Alternativt belysningen området kan øges ved hurtigt at scanne strålen ved hjælp af en akustisk-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