Fabrikation og Drift af et Nano-Optical transportbånd
Summary
The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.
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
Representative Results
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. V…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Professor Yuzuru Takashima at the University of Arizona for discussions on optical imaging, Mr. Karl Urbanek for assistance with high power lasers, and Max Yuen for discussions of Brownian motion. The authors send further thanks to Professor Kenneth Crozier at Harvard University for helpful discussions on optical trapping experiments. Funding was provided in part by the United States National Science Foundation (award number 1028372).
Materials
| 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 |
References
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M. Optical Trapping and Manipulation Of Viruses and Bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
- Svoboda, K., Block, S. M. Biological Applications of Optical Forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).
- Neuman, K., Block, S. Optical Trapping. Rev. Sci. Instrum. 75 (9), 2787-2809 (2004).
- Fazal, F. M., Block, S. M. Optical Tweezers Study Life Under Tension. Nat. Photonics. 5 (6), 318-321 (2011).
- Bockelmann, U., Thomen, P., Essevaz-Roulet, B., Viasnoff, V., Heslot, F. Unzipping DNA with Optical Tweezers: High Sequence Sensitivity and Force Flips. Biophys. J. 82 (3), 1537-1553 (2002).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical Trapping of Single Protein. Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).
- Dholakia, K., Čizm̌aŕ, T. Shaping the Future of Manipulation. Nat. Photonics. 5 (6), 335-342 (2011).
- Grier, D. G., Roichman, R. Holographic Optical Trapping. Appl. Opt. 45 (5), 880-887 (2006).
- Korda, P. T., Taylor, M. B., Grier, D. G. Kinetically Locked-in Colloidal Transport in an Array of Optical Tweezers. Phys. Rev. Lett. 89 (12), 128301 (2002).
- Pelton, M., Ladavac, K., Grier, D. G. Transport and Fractionation in Periodic Potential-energy Landscapes. Phys. Rev. E. 70 (3), 031108 (2004).
- Eriksson, E., et al. A Microfluidic System in Combination with Optical Tweezers for Analyzing Rapid and Reversible Cytological Alterations in Single Cells upon Environmental Changes. Lab Chip. 7 (1), 71-76 (2007).
- Applegate, R. W., Squier, J., Vestad, T., Oakey, J., Marr, D. W. M. . Optical Trapping, Manipulation, and Sorting of Cells and Colloids in Microfluidic Systems with Diode Laser. 12 (19), 4390-4398 (2004).
- MacDonald, G. C., Spalding, G. C., Dholakia, K. Microfluidic Sorting in an Optical Lattice. Nature. 426 (6965), 421-424 (2003).
- Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. All-optical Control of Microfluidic Components using Form. Nat. Mater. 4 (7), 530-533 (2005).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, R. Plasmon Nano-optical Tweezers. . Nat. Photonics. 5 (6), 349-356 (2011).
- Kwak, E. S., et al. Optical Trapping with Integrated Near-Field Apertures. J. Phys. Chem. B. 108 (36), 13607-13612 (2004).
- Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape. Nat. Phys. 3 (7), 477-480 (2007).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and Sensing 10 nm Metal Nanoparticles using Plasmonic Dipole Antennas. Nano Lett. 10 (3), 1006-1011 (2010).
- Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. Trapping and Rotating Nanoparticles using a Plasmonic Nano-tweezer with an Integrated Heat Sink. Nat. Commun. 2, 469 (2011).
- Shi, X., Hesselink, L., Thornton, R. Ultrahigh Light Trans- mission through a C-shaped Nanoaperture. Opt. Lett. 28 (15), 1320-1322 (2003).
- Chen, K., Lee, A., Hung, C., Huang, J., Yang, Y. Transport and Trapping in Two-Dimensional Nanoscale Plasmonic Optical Lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., et al. Sorting Nanoparticles with Intertwined Plasmonic and Thermo-Hydrodynamical Forces. Nano Lett. 13, 4230-4235 (2013).
- Hansen, P., Zheng, Y., Ryan, J., Hesselink, L. Nano-Optical Conveyor Belt, Part I: Theory. Nano Lett. 14, 2965-2970 (2014).
- Zheng, Y., et al. Nano-Optical Conveyor Belt, Part II: Demonstration of Handoff Between Near-Field Optical Traps. Nano Lett. 14, 2971-2976 (2014).
- Vogel, N., Zieleniecki, J., Koper, I. As flat as it gets: Ultrasmooth Surfaces from Template-stripping Procedures. Nanoscale. 4 (13), 3820-3832 (2012).
- Zhu, X., et al. Ultrafine and Smooth Full Metal Nanostructures for Plasmonics. Adv. Mater. 22 (39), 4345-4349 (2010).
- Kaleli, B., et al. Electron Beam Lithography of HSQ and PMMA Resists and Importance of their Properties to Link the Nano World to the Micro World. , 105-108 (2010).
