Изготовление и эксплуатация нанооптических конвейерной

Abstract

Техника использования сфокусированных лазерных пучков в ловушку и оказывают силы на малых частиц позволило многим поворотные открытия в наноразмерных биологических и физических наук на протяжении последних нескольких десятилетий. Прогресс, достигнутый в этой области требует дальнейшего изучения, даже небольших систем и в большем масштабе, с инструментами, которые могут быть распределены более легко и более широко доступны. К сожалению, фундаментальные законы дифракции ограничить минимальный размер фокусного пятна лазерного луча, что делает частицы меньше, чем половина длины волны в диаметре трудно ловушку и, как правило предотвращает оператора от различения частиц, которые ближе друг к другу, чем половина по волновой. Это исключает оптический манипуляции многих близко расположенных наночастиц и ограничивает разрешение оптического механических систем. Кроме того, манипуляции с помощью сфокусированные пучки требует формирования луча или рулевые оптики, которые могут быть очень громоздкими и дорогими. Адресоватьэти ограничения в масштабируемости системы условного оптического захвата нашей лаборатории разработал альтернативный метод, который использует ближнего поля оптики для перемещения частиц по чипе. Вместо того чтобы сосредоточиться лазерные лучи в дальнем поле, оптический ближнее поле плазмонных резонаторов производит необходимую локального усиления интенсивности оптического преодолеть ограничения дифракции и манипулировать частицы с более высоким разрешением. Близко расположенных резонаторов производят сильные оптические ловушки, которые могут быть адресованы посредником передачи их частиц от одного к другому в конвейерной, как мода. Здесь мы опишем, как проектировать и производить конвейерную ленту с помощью золотой поверхности с узором плазмонных С-образных резонаторов и как с ней работать с поляризованным светом лазера для достижения наночастиц манипуляции и транспорта супер-разрешения. Конвейер стружки ремня нанооптических могут быть получены с использованием методов литографии и легко упаковать и распределены.

Introduction

Захват, допрос и манипуляции отдельных наночастиц большее значение в области нанотехнологий. Оптический пинцет стали особенно успешными техника манипуляции для экспериментов в области молекулярной биологии, химии ^{1-4 5-7} и нано-сборки ^7-10, где они позволили прорывные эксперименты, такие как измерения механических свойств единичных молекул ДНК ^{4 и} сортировка клеток их оптических свойств ^11,12. Открытия на этих границ открывать исследование еще меньших систем, и они делают путь для техники новых практически полезных продуктов и технологий. В свою очередь, эта тенденция приводит в необходимости новых методов манипулирования меньшие, более элементарные частицы. Кроме того, есть толчок, чтобы построить "лаборатория на чипе" устройств для выполнения этих функций более дешево и в меньшем пакете в целях приведения химических и биологических тестов из рядаЛаборатория и в области медицинских и других целей ^13,14.

К сожалению, обычной оптической ловушки (СОТ), не может удовлетворить все растущие потребности нанотехнологии. СОТ действует на механизме с помощью высокой числовой апертурой (NA) линзы объектива довести лазерное излучение с жесткой фокусировки, создания локализованного пика в оптической интенсивности и высоких градиентов в энергии электромагнитного поля. Эти плотность энергии градиенты оказывают результирующую силу на светорассеивающих частиц, которые, как правило привлекает их в направлении к центру фокуса. Захват мелких частиц, требует более высокой оптической мощности или жесткий фокус. Тем не менее, сосредоточены лучи света подчиняются принципу дифракции, которая ограничивает минимальный размер фокусного пятна и устанавливает верхнюю границу по градиенту плотности энергии. Это имеет два немедленных последствий СОТ не могут подстерегать мелкие предметы эффективно, и СОТ имеет проблемы различения близко расположенных частиц, разрешение улавливанияограничение известно как проблема-х толстые пальцы. Кроме того, реализации нескольких захвата частиц с СОТ требует системы управления лучом оптики или пространственных модуляторов света, компонентов, которые резко увеличивают стоимость и сложность оптической системы захвата.

Один из способов обойти фундаментальные ограничения обычных сфокусированных пучков света, сказал распространяться в дальнем поле, чтобы вместо эксплуатировать градиенты оптического электромагнитной энергии в ближнем поле. Ближнее поле экспоненциально затухает вдали от источников электромагнитных полей, что означает, что она не только сильно локализованы в этих источниках, но это также показывает очень высокие градиенты в его плотности энергии. В районе месторождения нано-металлических резонаторов, таких как галстук-бабочка проемов, колонн, нано и С-образных гравюр, было показано, проявляют необычные концентрации электромагнитной энергии, дополнительно усиливается плазмонного действия из золота и серебра на ближайшем инфрared и оптические длины волн. Эти резонаторы были использованы для улавливания мельчайших частиц при высокой эффективности и разрешения ^15-22. Хотя этот метод оказался эффективным при улавливания мелких частиц, он также доказал быть ограничены в своей способности транспортировать частицы над заметной диапазоне, что необходимо, если системы ближнего поля являются для взаимодействия с системами дальнего поля или микрофлюидики.

Недавно наша группа предложила решение этой проблемы. При резонаторы расположены очень близко друг к другу, частицы могут, в принципе, мигрируют из одного ближнего поля оптической ловушки к другой без выхода из поверхности. Направление транспорта может быть определена, если соседние ловушки может быть включен и выключен отдельно. Линейный массив из трех или более адресуемых резонаторов, в котором каждый резонатор чувствительны к поляризации или длины волны света отличается от своих соседей, работает как оптический конвейерной ленты, транспортировки nanopartiциклы на расстоянии нескольких микрон на чипе.

Так называемый «Нано-оптический Ленточный конвейер" (NOCB) является уникальным среди плазмонных схем резонатора захвата, а не только он может держать частицы на месте, но он также может перемещать их на высокой скорости вдоль узорной треков, собирать или дисперсных частиц, смешивать и ставить их в очередь, и даже сортировать их по свойствам, например, их подвижности ^23. Все эти функции управляются посредством модуляции поляризации или длину волны освещения, без необходимости лучом оптики. В ближней зоне оптической ловушки, то NOCB захвата разрешение выше, чем у обычных сфокусированного пучка оптических ловушек, так что он может различать частиц в непосредственной близости; потому что он использует металлический наноструктуры сосредоточиться свет в захват хорошо, это энергоэффективный и не требует дорогостоящих оптических компонентов, таких как высокая цель НС. Кроме того, многие NOCBs может работать параллельно, при высокой упаковке денплотность, на той же подложке, и 1 Вт мощности может управлять более 1200 отверстий ^23.

Недавно мы продемонстрировали первый поляризационный приводом NOCB, плавно продвигая наночастицы назад и вперед вдоль дорожки ²⁴ 4,5 мкм,. В этой статье мы представляем шаги, необходимые для спроектировать и изготовить устройство, оптически активировать и воспроизводить транспортный эксперимент. Мы надеемся, что делает этот метод более широко доступны поможет преодолеть разрыв между размером микрофлюидики, далеких оптике, и наноразмерных устройств и экспериментов.

Protocol

1. Дизайн С-образный Гравировка (CSE) Массив

1. Дизайн шаблона массива.

Рисунок 1. Схема CSE. Изображение ленточного конвейера повторяющегося элемента. Успешное транспорт был достигнут с помощью D _{у =} 320 нм и d = 360 _х нм. Смежные пары гравюр есть 60º относительное вращательное смещение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

1. Определить нужный путь частиц поперек плоской подложке.
2. Использование САПР программы, сформировать двойное линейное множество С-образных полигонов по пути, каждый полигон в каждой паре последовательно поворачивается на 30 ± 90 ° вокруг своей выпуклой оболочки, как показано на рисунке 1. Из-за собственной V A частицыolume примерно определяет его выбор ²² передачи обслуживания, не оставляют диаметр больше, чем одна частица разделения последовательных пар, и оставить не более чем на 90% этого расстояния между центрами полигонов в паре.
   Примечание: Для справки, предыдущие исследования показали, что полистирол сферы 390 нм в диаметре и выше являются наиболее подходящими для транспортировки по такой массив CSE. Бусины в виде небольших, как 200 нм можно манипулировать, хотя и не достоверно. Тем не менее, шарики более крупные, чем 500 нм чувствую себя сильнее конкурирующие силы из сфокусированного пучка освещения.

2. Убедитесь, силы передачи обслуживания по шаблону массива, используя численный метод решения уравнений Максвелла. Хотя процедура описано здесь относится к метода конечных элементов (МКЭ), реализуемого коммерческого программного обеспечения COMSOL, можно адаптировать этот метод для других численных методов и реализаций.
   1. Составьте численной геометрии метод, который вмещает размеры плоской картины и добзаканчивается, по крайней мере 200 нм ниже рисунком плоскости и 600 нм над плоскостью. Ниже плоскости, включают в себя домен представлять подложки и выше плоскости домен представлять камеру жидкости. Выдавливание плоскую C-образной кривой 150 нм вниз в подложке, создания 3D домены представляют внутреннюю часть гравюр. Представьте домен частиц с нужной формы.
      1. Убедитесь, что имеется по меньшей мере 200 нм пространства между верхней части частицы и потолком объема моделирования и регулировать экстентов моделирования по мере необходимости. Добавить прекрасно подобранных слои по крайней мере, 500 нм в толщину, открытых границ моделирования поглощать излучение вовне.
   2. Установка электромагнитных свойств материала в области над интерфейсом к тем воды, свойства материала внутренней части С-образных гравюр к тем водорода-силсесквиоксан (HSQ) и свойств материала оставшегося материала до тех голед. Набор свойств материала частицы тем, полистирола или другого материала по выбору. Для простоты, использовать линейные электромагнитные материальные модели.
      Примечание:. Образец полная геометрия 3D показано на рисунке 2 В этом случае, PML материальные домены в декартовой ± х, ± у, и + Z границы поглощают поля означало объекта к бесконечности. Толщина PML определяется как 5 раз максимальный размер элемента тетраэдрической сетки, равные 5 х 100 нм = 500 нм.
   3. Если диэлектрическая проницаемость ɛ _{г и} проницаемость μ _г требуется входы для численного решателя в стороны, использовать относительную диэлектрическую проницаемость 1,96 для HSQ, 1,77 для воды и -52.15 - 3.57i на золото. Установите все относительные проницаемости 1. Если электромагнитная свойство материала, кроме диэлектрической проницаемости и проницаемости необходимости использовать эти значения, чтобы получить необходимые входы в соответствии со стандартными электромагнитными идентичностей. Используйте соответствующий знак Oе мнимая часть золота в соответствии с комплексными времени гармонической знаком конвенции численного решателя (он должен быть отрицательным при ехр (+ iωt) конвенция и положительные под ехр (- я со т) Конвенции).

Рисунок 2. Моделирование геометрии. Пример численного моделирования геометрии в коммерческом ПО COMSOL метод конечных элементов. Два периода конвейерная лента имитируются с г _{у =} 320 нм и г _{х =} 360 нм и диаметром сферы 500 нм. Затемненные материальные регионы а) HSQ, б) полистирол, в) золото, и г) воды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

4. Дискретизации объем моделирования с адаптивным четырехгранной мэш. Ограничить максимальный размер элементов сетки для не больше, чем 100 нм в объеме. Кроме того, ограничить максимальный размер элементов сетки до 30 нм на поверхности сферы и 30 нм на гравировку поверхностей для повышения точности на критических структур. С умеренной скоростью роста сетки около 1,4 должен быть использован, чтобы сохранить качество сетки элемент в тех регионах, а минимальный размер сетки может быть определена в объеме, чтобы ограничить непредсказуемое поведение сетки адаптивного.
5. Для оптического возбуждения, определяют фоновое гармоническую плоскую волну с свободное пространство длиной волны 1064 нм, который падает нормально и отражается от плоской золотой подложке, как если бы гравюры и частиц отсутствовали. Используйте уравнения Френеля оценены в нормальном угле падения, чтобы вычислить самолет отражения волн и передачи коэффициентов. Выбрать поляризацию этой волны таким образом, что электрическое поле выровнен по гребню С-образного гравировки. Нормализация интенсивности плоской волны1 мВт / мкм ^2.
6. Решите для рассеянных электромагнитных полей в партии моделирования, подметание параметр позиции частиц от одного конца пути к другой, удерживая высоту частицы постоянная всего в несколько нанометров от поверхности. Высоты по цене от 5 нм, как правило, предсказать очень сильные отлова потенциалов, в то время как большей высоте предсказать гладкие потенциалы отлова. На самом деле, броуновское движение будет гарантировать, что реальная частица будет исследовать различные высотах над поверхностью.
   Примечание: Вычислительные ресурсы и время будет изменяться с числовым размера системы, численного метода, и компьютерного оборудования.
7. Повторите этапы 1.2.5 и 1.2.6 для поляризации совмещены друг с двух других поляризационно-отличие С-образную форму ориентации, а угол поляризации берется по модулю 180 °.
8. Для каждой модели в трех партиях, рассчитать результирующую силу на частицу интегрированием поток тензора напряжений Максвелла-Минковского через поверхность, которая полностью окружает частицу, но не пересекает никаких материальных интерфейсов.
9. Для каждой поляризации, вычислить работу против сил оптических выполняя путь неотъемлемой отрицательного чистого оптического силу через путь, который частица следует в каждой партии, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Захват Проверка. Стабильный захват может быть продемонстрирована путем построения оптического потенциала активации государств. Один период всего три СПП анализируется для простоты. В самом деле, общая глубина ловушки достаточно (> 10 K _{B T)} для стабильного захвата на активированном гравюры для каждого государства A, B и C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

ove_content ">
Рисунок 4. Передача обслуживания Проверка. Эстафетной передачи может быть продемонстрирована путем построения оптического потенциала старого (светло-красный) и новых (ярко-красный) активации государства в последовательности. Один период всего три СПП анализируется для простоты. Во время передачи обслуживания от А к В и В к С, потенциальный барьер в направлении желаемого движения между этими двумя положениями является малым (1 K _{B T)} и меньше, чем в противоположном направлении, указывая, что контролируется передача обслуживания, вероятно. Передача обслуживания от С до А наиболее трудно, потому что между ловушкой барьер остается значительная на всех поляризаций. Пожалуйста нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

10. Проверьте для каждого поляризации A, B и С, что есть энергетический барьер, по крайней мере 10 KB T высотой по обе стороны от минимума потенциала в каждый период трех С. Обратитесь к рисунку 3 для визуальной идентификации потенциальных минимумов и барьеров.
    Примечание: Этот шаг определяет, является ли частица будет стабильно в ловушке на предлагаемом конвейерной ленты, не пропуская назад и вперед. В силу линейности электромагнитных волн и использование линейных моделей материалов, энергетический барьер, пропорциональна интенсивности возбуждающего плоской волны.
11. Убедитесь, что энергетические барьеры между соседними ловушками А и Б ловушек провала ниже 1 К _B T, когда поляризация непрерывно вращается от А до Б во время передачи обслуживания частиц. Повторите для вращения плоскости поляризации от В к С, и от С до А. На рисунке 4 для визуальной идентификации этих переходных передача обслуживания потенциальных минимумов и барьеров.
    Примечание: Этот шаг определяет, является ли частица надежно передавать из ловушки А в ловушки В процессе вращения поляризации. Частицалегко преодолеть барьер высотой 1 K _B T, чтобы перейти к более глубокому потенциальной ямы.
12. Если есть какие-либо недостаточным энергетический барьер в шаге 1.2.10 или любой энергетический барьер, который является слишком сильным в шаге 1.2.11, настроить дизайн. В целом, повысить энергетические барьеры, увеличить пространство, разделяющую С-образные гравюры. Чтобы снизить энергетические барьеры, привлечь гравюры ближе друг к другу. Избегайте приближая их вместе, чем двух глубинах кожи (40 нм), а гравюры, которые слишком близко может нарушить один чужие резонансные токи, что снижает общую эффективность улавливания. Повторите шаг 1,2 до повторного проверить оптический потенциал.

2. Изготовление массива CSE

Примечание:. Диаграмма процесс показан на рисунке 5 Этот процесс вдохновлен работой в работе. 25 и 26.

Рисунок 5. CSE процесса. E-лучевой литографии с энергией 100 кэВ энергии используется, чтобы выставить конвейер рисунок на HSQ сопротивляться. Тонкий слой ПММА под HSQ предназначен для облегчения окончательного стрип-офф (освобождение) устройства от кремниевой подложки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

1. Приобретать чистый, полированный кремниевой пластины и довести его до чистой комнате, оборудованной для кремния литографии процессов.
2. Очистите кремниевой пластины, чтобы удалить органические загрязнения и окислы на поверхности.
   1. Погрузитесь пластины в 9: 1 _H 2 SO _{4: H} 2 O 2 решение при 100 ° С в течение 10 мин. Ванну, по крайней мере 1 л обеспечивает надежную очистку, хотя и менее химической может разрешить легче и безопаснее обработки полупроводниковых пластин, как того требуют объекты.
   2. Опустите Wafeг в 50: 1 HF решения в течение 30 сек. Ванну, по крайней мере 1 л обеспечивает надежную очистку, хотя и менее химической может разрешить легче и безопаснее обработки полупроводниковых пластин, как того требуют объекты.
   3. Тщательно промойте пластины с дистиллированной водой и спин-высушить его.
3. Спин покрытие 50 нм ПММА (толщина не критична).
   1. Синдж выпекать пластины при 150 ° С в течение 30 мин.
   2. Спин пальто полированный, чистый кремниевая пластина с 2% 950k поли-метил-метакрилата (ПММА) при 5000 оборотах в минуту в течение 40 сек. Применение ПММА с помощью пипетки, посадка 20-25 капель противостоять в центре пластины перед началом вращение.
   3. Сообщение выпекать ПММА резиста на плитке при 200 ° С в течение 2 мин.
4. Спин пальто 150 нм HSQ (такой же день, как следующий шаг).
   1. Спин на HSQ негативном тоне сопротивляться 900 оборотов в минуту в течение 1 мин. Нанесите HSQ с пластиковой пипетки, снова посадки 20-25 капель противостоять в центре пластины перед началом вращение.
   2. Сообщение печет HSQ противостоять на hotplели при 80 ° С в течение 2 мин.
5. Expose и развивать образец с использованием методов литографии электронного луча (такой же день, как предыдущий шаг). Процесс следует из ПММА / HSQ двухслойного демонстрации в работе. 27.
   1. Перевести проект силуэт в формат GDSII для электронно-лучевой паттерна в массиве дозы. Включить выравнивание знаки и аннотации, которые, по крайней мере 5 мкм для того, чтобы определить наноструктур под оптическим микроскопом. Массив доза должна составлять от 800-4,000 мкКл / см ^2.
   2. Используйте инструмент воздействия литографии электронного луча, чтобы разоблачить массив на 100 кВ ускоряющего напряжения и диафрагму 60 мкм, которая производит ток 500 мкА. Воздействие электронного пучка также возможно при более низких ускоряющих напряжений при условии, ток пучка, дозы, и коррекцию шаблон близость соответствующим образом корректируются.
   3. Разработка подвергается HSQ, погружая пластины в 2,2% гидроксида тетраметиламмония (ТМАН) деveloper решение в течение 90 сек. Аккуратно агитировать решение по толкаясь разработчик блюдо каждые 10 сек. После время разработки прошло, немедленно остановить развитие путем промывки поверхности водой в течение 60 сек.
6. Шерсть слоем золота 200 нм в толщину, а затем слоем меди 1000 нм в толщину, методом магнетронного распыления. Убедитесь, что используется распыления инструмент которого золотое напыление ставка была откалибрована таким образом, что толщина мишени достигается в пределах 20%. Распыление ставки будет зависеть от инструментов. Выброс в толщины золотого является приемлемым, как выброс в меди.
7. Клей 1 см х 1 см кварцевой пластиной, на узорной подложки с УФ-отверждаемые эпоксидной смолой.
   1. Распространение одной капли УФ-отверждаемой эпоксидной смолы на медной стороне образца в 1 см х 1 см площади, охватывающей зону узорчатого устройства.
   2. Применить заднюю пластину кварцевого / стекло в медной поверхности, убедившись, что он полностью покрывает площадь узорной устройства.
   3. Положите оп очки УФ безопасности.
   4. Отдых заднюю пластину и пластину на ровную поверхность, и осветить эпоксидную смолу сверху наводнения лампы УФ в течение примерно 30 мин.
   5. Выключите прожектор УФ и удалить вылеченный образца.
8. Выпуск устройства от кремниевой подложки в ацетон.
   1. Используя острый нож, оценка гладкую, замкнутую траекторию вокруг кварца задней панели, убедившись, что разрез достаточно глубоко проникать весь путь через два слоя металла и слой ПММА над кремниевой пластины.
   2. Погрузитесь подложки в ацетон на 6-8 часа.
   3. Если после 8 часов образец устройства пока не был освобожден от кремниевой пластины, естественно, тщательно вырвать устройство (в том числе кварцевого задней пластины и обеих металлических слоев) от кремниевой пластины с помощью тонкого клина или нож.
   4. Промыть Полученный образец с ацетоном в течение 1 мин и высушить его с N _{2 или} чистым воздухом.
   5. Если аре шероховатости металла или клея оставшегося вокруг задней панели, аккуратно обрезать их прочь с бритвой или ножницами лабораторных. Это позволит улучшить гидродинамику во время захвата эксперимента обеспечения единообразного испарения по краям чипа.
   6. Храните образец в чистом, пыленепроницаемый контейнер для транспортировки в лабораторию оптической.

3. Подготовьте образец образца

1. Подготовьте флуоресцентную решение полистирола борта.
   1. Развести флуоресцентный полистирола борта раствора из концентрации изготовителя для 1х10 ^{9 /} ML-1x10 ^{10 мкг / мл} добавлением соответствующего объема до 1 мл воды.
   2. Добавить 0,05 мл поверхностно-активного вещества (октилфенол этоксилатных) к образцу образца. Поверхностно-активное вещество уменьшает тенденцию коллоидных бусин прилипать к любой поверхности, а также немного увеличивает вязкость принимающей жидкости.

4. Калибровка фокусе оптическойКолонны

Примечание: Схема аппарата можно ссылаться на рисунке 8.

1. Калибровка фокуса камеры изображения образца.
   1. Приобретите запасной, с рисунком, и плоскую отражающую поверхность для тестирования и калибровки. Манекен образец с меток совмещения работает хорошо.
   2. Включите ртутной лампы микроскопа и ждать, пока уровень освещенности не стабилизируется, а затем открыть лампы затвора.
   3. Поместите узорчатую поверхность тест в поле зрения микроскопа и двигаться свой край в поле зрения центра. Отрегулируйте легкие аттенюаторы, чтобы убедиться, что свет не слишком яркий, чтобы наблюдать через окуляр, а затем посмотреть в окуляр и принести край в центре внимания.
   4. Перемещение столик микроскопа так, что картина находится теперь в центре поля зрения, и отрегулируйте ручку фокусировки, чтобы максимизировать четкость рисунка.
   5. Включите камеру изображения образца и отрегулируйте яркость и контрастуровень освещенности микроскопа.
   6. Настройте фокус камеры образца до тех пор, пока образец находится также в центре внимания на камеры. Картина должна быть в центре внимания в связи как в камере, и в окуляр без каких-либо координационных сделать корректировки при переключении между ними.
2. Калибровка колонки изображений луча для того, чтобы камера для передачи изображения лазерный луч фокусируется на подложке.
   Примечание: Предполагается, что ближнем ИК лазера уже примерно коллимированного и выровнены с колоннами визуализации микроскопа. Удостоверение ИК-датчик является полезным инструментом для выполнения этой выравнивание. Рекомендуется, чтобы построить всю систему на заранее выровнен носитель, такой как система клетку таким образом, что все оптики можно расположить на одной оси автоматически. Дихроичных зеркал, вставленные в отдельных длинах волн пучка и формирования изображений являются стандартными, но для обеспечения безопасности не должна протекать более 1% от длины волны лазерного излучения.
   1. Убедитесь, что каждый исследователь в комнате ставит на лазерной беY очки с исчезновения по меньшей мере 10 ⁷ на длине волны лазера (1064 нм) и обеспечить, что затвор лазерный луч закрыт.
   2. Включите лазерный питания и охлаждения системы, но оставить луч ставнями. Разминка лазерную усиливающую среду.
   3. После того, как очки на месте, а затвор подтверждается закрыты, включите лазера. Поместите блок луча перед лазером и открыть затвор для измерения выходного лазерного луча и проверить, используя измеритель мощности, что мощность лазера стабилизировалась. Держите блок луча на месте.
   4. Чтобы защитить камеру изображения образца от повреждения уровней лазерного света, убедитесь, что аттенюаторы света находятся в месте в передней части камеры изображения образца, а также дихроичное зеркало направить оставшуюся энергию пучка в отдельную камеру изображения пучка. Кроме того, модулировать мощность лазера с помощью аттенюаторов или поляризационный расщепитель луча, так что только умеренное количество энергии (10 мВт) проходит черезк устройству.
   5. Снимите блок луча и позволяют луч путешествовать через устройство и падения на детектор камеры изображения пучка.
   6. Включите камеру изображения пучка и отрегулируйте яркость и контрастность до уровня лазерного света.
   7. Расфокусировки лазерного луча так, чтобы широкая область узорной отражателем освещается светом лазера.
   8. Настройте фокус камеры изображения пучка до черты рисунка не находятся в фокусе одновременно с белого света для камеры изображения образца, и перевести камеру так, что его поле зрения по центру поля зрения визуализации образца камера. Эффективное фокусное смещение между белым светом изображение и изображение луча противодействует фокусным несоответствие оптики между лазером и видимых длин волн.
3. Принесите лазер в центре внимания с камерой изображений луч.
   1. Использование калиброванный фокус в камере изображений пучок, регулировки лазерафокус пучка, пока он не фокусируется на узком месте, и отрегулируйте положение фокусировки пучка так, что он падает в центре поля зрения. Использование аннотаций программного обеспечения или другой метод выбора, отметьте расположение балки в области образца камеры зрения.
   2. Закройте затвор лазерного луча.

5. Ловушка и манипулировать образца с оптической энергии

Примечание: Схема аппарата можно ссылаться на рисунке 8.

1. Изображение флуоресцентные полистирола.
   1. Замените заглушку образец и покровное с чистой покровного в держатель образца в микроскоп.
   2. Поместите наконечник на разгрузочном конце микро-пипетки и извлекать 2-4 мкл разбавленного раствора флуоресцентного частиц с помощью пипетки.
   3. Медленно выполнять раствора на покровное. Если есть пузырьки, снимите их, осторожно дует чистый воздух на капли раствора.
   4. Снимательно поместить устройство в верхней части каплю раствора с золотой поверхностью вниз. Раствор должен распространяться по всей площади под устройством.
   5. Перемещение столике микроскопа так, что край чипа резонатора массива, вблизи центра поля зрения. Создание фокус на краю чипа.
   6. Перевести столике микроскопа так, что рисунок резонатор вблизи центра поля зрения. Сосредоточьтесь на наноструктур чего темные знаков совмещения в центре внимания, и обратите внимание, что сами резонаторы появляются как темные пятна на ярком фоне отражателя.
   7. Вставьте узкий полосовой фильтр перед ртутной лампой, которое блокирует все цвета, кроме, соответствующей пику поглощения флуоресцентного бисера.
   8. Вставьте узкий полосовой фильтр перед камерой образца изображения, которое блокирует все цвета, кроме, соответствующей пику излучения флуоресцентного бисера.
   9. Принесите флуоресцентное изображение гое шарики в фокусе, отметив их коллективное среднюю скорость дрейфа против их индивидуально случайного броуновского движения. Подождите, пока средняя скорость дрейфа бисера "не замедляется до менее 10 мкм / сек.
      Примечание: из-за испарения по краям чипа, и из-за динамических сил отстойных жидкости под весом чипа, может быть заметно по токи (несколько десятков мкм / с или более) в образце жидкости. Если испарение не слишком асимметричное по краю чипа, эти токи в конечном итоге уменьшает до приемлемых уровней, чтобы провести эксперимент.
2. Используйте сфокусированный лазерный луч на ловушку полистирола борта.
   1. Убедитесь, что все исследователи положить на соответствующих очков лазерной безопасности, а затем включить лазер, держа затвор лазерного луча закрыты. Убедитесь, что выходная мощность лазера меньше, чем 10 мВт. Убедитесь, что мощность лазера стабилизировалась путем тестирования выходного пучка с бруса в месте, которое предотвращает лазерного излученияот входа в микроскоп.
   2. После того, как мощность лазера стабилизировалась, снимите блок луча и обратите внимание на лазерное пятно на изображении пучка. Если пятно находится вне фокуса, настройте фокус лазерного пока минимальное внимание место не будет достигнуто.
   3. В то время как обеспечение достаточных аттенюаторы находятся в передней части изображения пучка, чтобы предотвратить насыщение детектора света, постепенно увеличивать выходную мощность лазера до тех пор, дрейфующей шарик не может быть захвачен стабильно в фокусе луча. Сканирование столик микроскопа может помочь в улавливания шарик, который находится не в центре.
   4. Убедитесь, что в ловушке шарик расположен на или вблизи знака произведенных ранее отслеживать положение фокуса лазерного в образце изображения. Если существует разница между положением шарика и фокуса лазера отметки, исправить фокуса лазера знак в соответствии с новым положение шарика.
   5. Теперь отрегулируйте пучок подрядчика, встроенный в пути луча до тех пор, пока пятно луча увеличивается до 9 мкм в диаметре FWHM, когда он полностью в фокусе. Измерьте это какпрямо поперечного интенсивности разрез по центру пятна луча на изображении пучка.
   6. Если оригинал в ловушке шарик погиб во время этой регулировки, используйте этап перевода для поиска и ловушки другого борта.
      1. Если расширение имеет пятна луча де-стабилизированного оптической ловушке (за счет уменьшения градиента интенсивности), увеличить мощность, необходимую для достижения стабильной оптического захвата луча. Если увеличение фокусного размер пятна переехал в центр луча от его первоначального положения, повторно отметить среднюю позицию захваченного борта в изображении образца как центр луча.
3. Создание ближнего поля захвата и манипулирования полистирола шарик на С-образный гравировки массива.
   1. Включите фоновую подсветку лампой и увеличить свою власть, пока картина субстрат можно увидеть в фоновом режиме позади изображений флуоресцентных шариков.
   2. С борта захваченного в слабо сфокусированного пучка, использовать столик микроскопа тO перемещения рисунка подложку таким образом, чтобы конец массива резонаторов можно увидеть непосредственно за захваченным шарик. Если случайная броуновское движение шарик становится значительно снижается, это означает, что шарик находится в плену ближайшем поле возбужденного резонатора.
      Примечание: Если шарик еще не были в ловушке оптической ближнего поля, отрегулировать положение плазмонного массива резонатора под борта. Эта регулировка может привести шарик в более тесный контакт с резонатором, который лучше соответствовать текущей поляризации света лазера. Если этот процесс не вызывает в ближней зоне захвата, фокус луча может быть немного выше плоскости подложки. В этом случае регулировки фокуса лазера незначительно, так что фокусное пятно приближается к поверхности подложки.
   3. Если после небольших сценических и лазерных корректировки фокус шарик до сих пор еще не были в ловушке оптической ближнего поля, найти еще один массив на подложке и повторить процесс улавливания ближнего поля, начинаяс шагом 5.3.2.
      Примечание: Изготовление дефекты вызывают как систематические и случайные изменения в производительности резонатора. Номера для функционирования массивов резонатора являются общими, пока результаты не изготовление полностью характеризуется и повторяемость.
   4. После поля в ближней зоне захвата было установлено, перейти в стадию перевода микроскопа так, чтобы центр лазерного пятна находится более близко к центру конвейера. Это действие будет иметь тенденцию тянуть шарик вместе с центром сфокусированным лазерным, так что только небольшие изменения могут быть сделаны таким образом. Если шарик становится выбили, уменьшить движение. Это величина смещения пучка терпимо по ближнего поля ловушки.
   5. После слегка смещая луч на предыдущем шаге, повернуть полуволновой пластины, расположенной на пути лазерного луча, чтобы повернуть угол линейной поляризации. Это активизирует резонаторами в последовательности вниз массива и вызывает контролируется, линейного движения в флуоресцентного шарик. Моторизованный поворотный этап может онLP производить больше устойчивый поворот в полуволновой пластинки и, следовательно, более устойчивый движение шарика.
   6. Чтобы отслеживать прогресс борта и захвата данных о своей позиции, выключите фоновое освещение лампы и с помощью утилиты захвата видео, чтобы захватить кадры движения шарика. Пост-обработка движения частиц может быть достигнуто с помощью предоставленного сценария MATLAB.

Representative Results

Фиг.7 представляет собой изображение конечного устройства. В центре 1 см х 1 см поверхности золота является матрицей CSE и конвейерных моделей, которые могут быть едва видно под углом зрения. Фиг.6 представляет собой сканирующая электронная микроскопия образ примером CSE узор на конечном устройстве.

Движение частицы из полистирола 390 нм шарик путешествует через нанооптических конвейерной ленты 5 мкм в длину, показан на рисунке 9. Кривая показывает положение частицы в зависимости от угла поляризации лазера. Как уже упоминалось в протоколе, могут быть случаи, когда транспорт не удается или вблизи поля захвата не инициируют. Лучший курс действий, чтобы попробовать другой шаблон, который может быть в лучшем состоянии.

Рисунок 6. СЭМ-изображение CSE Arлучей. сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) образы моделей ЕГЭ. (а) показывает картину HSQ столовых гор после резиста развития. Образец распыленных с 5 нм золота в качестве проводящего слоя для SEM инспекции. (б) -. (с) показывают окончательные узоры после того как образец освобождается от кремниевой подложки Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 7. CSE Массив Чип. Изображение конечного устройства, примерно 10 мм х 10 мм в размерности. На снимке переднюю поверхность золота устройства. Дифракция от решетки ID маркировку видно, как многоцветных квадратов недалеко от центра чипа. Пожалуйста, клИк здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 8. Экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки. Оба захвата и обработки изображений осуществляется в режиме отражения. Различные пути света отличаются, используя различные цвета. Красные, зеленые, пунктирная красная, синяя и желтая линии представляют легкие пути оптического захвата (конвейер вождения), флуоресцентных изображений, лазерной томографии, флуоресцентной возбуждения и яркого светового поля соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 9. Бусы Траектория За Дважды Железнодорожный транспортер. Позиция против угла поляризации для 390 нм шарик, движущегося по длинной двойной железнодорожной конвейерной ленты 4,5 мкм. Изображения слева показывают снимки сфере после каждого периода конвейера. Кривая на правой прослеживает расчетное положение бортов центров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

NOCB сочетает в себе сильные отлова силы и небольшой размер ловушку плазмонных подходов с возможностью транспортировки частиц, долго, доступные только для обычных методов сфокусированного пучка. Уникальный для NOCB, трэппинг и транспортные свойства системы являются результатом поверхностного паттерна, а не формирование светового пучка. При условии, что освещение достаточно яркое, и его поляризация или волны можно модулировать, частицы могут быть проведены или перемещен в сложных протоколов на поверхности. Мы показали, с помощью моделирования, что может NOCB также быстро сортировать частицы на основе их подвижности ^23. Ближнего поля ловушки может служить небольшие объемы реакции по химии одиночных молекул и присуще параллелизуемости в NOCB означает, что может быть использован для создания, выполнения и снести столько одновременных экспериментов, как может быть упакован на чипе и освещается один раз.

Чтобы получить NOCB на работу, рядом с полем оptical силы, удерживающие и руку от наночастиц должны преодолеть конкурирующих сил вязкого сопротивления, обычной оптической захвата (сила светового луча), термо- и контактных сил с другими частицами и самой подложки. Почти оптическая сила должна быть как можно более сильным для данного освещения власти; это требует тщательного проектирования и изготовления наноструктуры, но на практике мы должны произвести ряд структур с различными характерными размерами, чтобы выбрать тот, который работает лучше для данного освещения длиной волны. Вязкий сопротивление и термофореза должны быть подавлены, а также: в то время как они не могут быть в состоянии потянуть частиц из ближней зоне оптических ловушек, они, безусловно, может сделать это трудно, чтобы получить частицу на массив NOCB в первую очередь.

Когда образец сначала помещен под микроскопом, частицы будут равномерно распределить по всему объему и очень редко приблизится к массиву CSE. (Рассчиты ваютсяlations показывают, что частица должна перемещаться в пределах нескольких десятков нанометров поверхностного контакта в ловушке.) Когда освещенность первом включении, массив CSE немедленно нагреваться и создать температурный градиент в воде, что отталкивает частицы на расстоянии из нескольких сотен нанометров. Этот барьер преодолевается путем захвата частицы на расстоянии с сфокусированного пучка освещения, так и вручную, перетаскивая частицу через тепловой барьер в области захвата ЕГЭ. Однако даже этот способ не сработает, если термический градиент является слишком высокой. По нашему опыту, включение слоя раковины медных тепловых решающее значение для рисования тепло от воды и ослабления тепловых сил. Раковина медь тепло также делает его менее вероятно, что вода будет кипеть при нормальной интенсивности освещения.

Оптический градиента силы на очень малой частицы весы кубу диаметра частиц. Это делает его гораздо труднее улавливать 100нм шарик, чем 200 нм шарик, поскольку мощность должна быть увеличена в восемь раз возрастающих отопления подложки на ту же величину. С практической точки зрения, мы рекомендуем захвата крупными частицами первый (400 нм или 500 нм Диаметр), оптимизации прочности ловушки и минимизации конкурирующие силы, а затем пытается захвата и транспортировки мелких частиц.

После того, как образец был подготовлен, эксперименты могут быть выполнены, пока частицы свободно плавающие в воде. Вода выходит из образца за счет испарения по краям. В нашей лаборатории это ставит лимит времени примерно 20 мин на экспериментах. Испарение может также привести к конкурирующей вязкой силы сопротивления, как вода поступает к краям образца. Если образец имеет грубые функции, такие как изогнутый металлических ребер или шипов, которые предотвращают его от лежа на предметное стекло, тем больше подвержены площадь поверхности воды ускорит испарение. Если одна сторона выше другой, испарение будет смещен кS сторону с большей образец слайдов щели и жидкости быстро перемещаться по наноструктур, что делает его труднее увидеть, захват и удерживайте частиц.

Один NOCB не может транспортировать частицы по ширине светового луча, но не далее. Как интенсивность пучка падает, восстанавливающая сила от сфокусированного луча становится сильнее и NOCB эстафетной передачи силы ослабевает, пока поворота плоскости поляризации не более вероятно, чтобы освободить частиц, чем перемещать его вперед. Для расширения к более длинным конвейеры или более параллельных конвейеров, области освещения, должна быть увеличена. Мощный, расфокусированным лазерным диодом может привести гораздо большую площадь, чем лазер, используемый в этих экспериментах. Альтернативно области освещения, может быть увеличена за счет быстрого сканирования луча с использованием акустооптического дефлектора.

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