Fabricación y operación de una banda transportadora nano-óptica

Abstract

La técnica de usar rayos láser enfocados para atrapar y ejercer fuerzas sobre las partículas pequeñas ha permitido a muchos descubrimientos fundamentales en las ciencias biológicas y físicas a nanoescala en los últimos decenios. Los avances realizados en este campo invita a un mayor estudio de los sistemas aún más pequeños y en mayor escala, con herramientas que puedan ser distribuidos con mayor facilidad y hacen más accesible. Desafortunadamente, las leyes fundamentales de difracción limitan el tamaño mínimo del punto focal de un rayo láser, lo que hace que las partículas más pequeñas que un medio de longitud de onda de diámetro duro para atrapar y generalmente evita que un operador de discriminar entre las partículas que son más juntos de una media -wavelength. Esto impide la manipulación óptica de muchos nanopartículas estrechamente espaciados y limita la resolución de sistemas óptico-mecánicos. Además, la manipulación utilizando haces enfocados requiere la óptica de formación de haz o de dirección, que pueden ser muy voluminosos y caros. Dirigirseestas limitaciones en la escalabilidad del sistema de captura óptica convencional nuestro laboratorio ha ideado una técnica alternativa que utiliza la óptica de campo cercano para mover partículas a través de un chip. En lugar de centrarse rayos láser en el campo lejano, el cercano campo óptico de resonadores plasmónicas produce la mejora intensidad óptica local, necesario para superar las restricciones de la difracción y manipular partículas a mayor resolución. Resonadores estrechamente espaciadas producen trampas ópticas fuertes que pueden ser abordados para mediar en el hand-off de partículas de uno a otro de una manera cinta transportadora similar. Aquí se describe cómo diseñar y producir una cinta transportadora usando una superficie de oro con dibujos de resonadores en forma de C plasmónicas y cómo operar con luz láser polarizada para lograr la manipulación nanopartícula super-resolución y el transporte. El chip cinta transportadora nano-óptica puede producirse usando técnicas de litografía y fácilmente empaquetado y distribuido.

Introduction

Capture, el interrogatorio y la manipulación de nanopartículas individuales son de creciente importancia en la nanotecnología. Las pinzas ópticas han convertido en una técnica de manipulación particularmente exitoso para experimentos en biología molecular ^1-4 química ^{5-7 y} nano-ensamblaje ^7-10 donde han permitido experimentos innovadores tales como la medición de las propiedades mecánicas de las moléculas de ADN ^individuales 4 y la clasificación de células por sus propiedades ópticas ^11,12. Descubrimientos sobre estas fronteras se abren el estudio de sistemas aún más pequeños, y dar paso a la ingeniería de nuevos productos y técnicas prácticamente beneficiosos. A su vez, esta tendencia impulsa la necesidad de nuevas técnicas para manipular partículas más pequeñas y rudimentarias. Además, hay un empuje para construir dispositivos "lab-on-a-chip 'para llevar a cabo estas funciones de forma más barata y en un paquete más pequeño para traer pruebas químicas y biológicas dellaboratorio y en el campo para médicos y otros fines ^13,14.

Desafortunadamente, atrapamiento óptico convencional (COT) no puede satisfacer todas las demandas crecientes de la nanotecnología. COT opera sobre el mecanismo de utilizar una alta apertura numérica (NA) de lente de objetivo para llevar la luz láser a un foco apretado, creando un pico localizado en intensidad óptica y los altos gradientes en la energía del campo electromagnético. Estos gradientes de densidad de energía ejercen una fuerza neta sobre las partículas de dispersión de luz que en general los lleva hacia el centro del foco. Atrapando partículas más pequeñas requiere mayor potencia óptica o un enfoque más ajustado. Sin embargo, los rayos de luz enfocado obedecen el principio de difracción, lo que limita el tamaño mínimo del punto focal y coloca un límite superior en el gradiente de densidad de energía. Esto tiene dos consecuencias inmediatas: COT no pueden atrapar pequeños objetos de manera eficiente, y COT tiene problemas para discriminar entre partículas muy próximas entre sí, una resolución de capturalimitación conoce como el problema de los "dedos gordos. Además, la aplicación de captura de partículas múltiples con COT requiere que los sistemas de la óptica de dirección del haz o moduladores espaciales de luz, componentes que aumentan drásticamente el costo y la complejidad de un sistema de captura óptica.

Una forma de sortear las limitaciones fundamentales de los haces enfocados convencionales de luz, dijo para propagar en el campo lejano, es en lugar de explotar los gradientes de energía electromagnética óptico en el campo cercano. El campo cercano decae exponencialmente alejado de fuentes de campos electromagnéticos, lo que significa que no sólo es muy localizada a estas fuentes, pero también exhibe muy altos gradientes en su densidad de energía. Los cerca de campos de resonadores nano-metálicos, tales como aberturas bowtie, pilares nano, y grabados en forma de C, se ha demostrado que presentan concentraciones extraordinarias de energía electromagnética, reforzada por la acción plasmónica de oro y plata en casi infrlongitudes de onda ARED y ópticas. Estos resonadores se han utilizado para atrapar partículas extremadamente pequeñas con alta eficiencia y resolución de ^{15-22 de.} Si bien esta técnica ha demostrado ser eficaz para atrapar las partículas pequeñas, también ha demostrado ser limitado en su capacidad de transportar partículas sobre el rango apreciable, lo cual es necesario si los sistemas de campo cercano son para interconectar con sistemas de campo lejano o microfluídica.

Recientemente, nuestro grupo ha propuesto una solución a este problema. Cuando resonadores se colocan muy juntos, una partícula puede migrar, en principio, de una trampa óptica de campo cercano a la siguiente sin ser liberado de la superficie. La dirección de transporte se puede determinar si las trampas adyacentes se pueden activar y desactivar por separado. Una disposición lineal de tres o más resonadores direccionables, en el que cada resonador es sensible a una polarización o longitud de onda de luz diferente de la de sus vecinos, funciona como una cinta transportadora óptico, el transporte de nanopartiCiclos de más de una distancia de varias micras en un chip.

El llamado 'nano-óptica Cinta transportadora' (NOCB) es único entre los esquemas de captura resonador plasmónicas, ya que no sólo puede contener partículas en el lugar, pero también puede moverlos a alta velocidad a lo largo de pistas estampadas, recoger o dispersar partículas, mezclar y hacer cola, e incluso ordenarlos por propiedades tales como su movilidad ^23. Todas estas funciones se controlan mediante la modulación de la polarización o longitud de onda de la iluminación, sin necesidad de óptica de dirección del haz. Como una trampa óptica de campo cercano, la NOCB atrapando resolución es mayor que la de trampas ópticas enfocada de haz convencionales, por lo que puede diferenciar entre partículas en las proximidades; porque utiliza una nanoestructura de metal para concentrar la luz en un atrapando así, es de bajo consumo, y no requiere de componentes ópticos caros, como un alto objetivo NA. Además, muchos NOCBs pueden funcionar en paralelo, a alta den embalajesidad, en el mismo sustrato, y 1 W de potencia puede pasar por encima de las aberturas ²³ 1200.

Hemos demostrado recientemente la primera NOCB polarización impulsada, sin problemas propulsar una nanopartícula de ida y vuelta a lo largo de una pista ²⁴ 4.5 micras. En este artículo se presentan los pasos necesarios para diseñar y fabricar el dispositivo, ópticamente activarlo y reproducimos el experimento transporte. Esperamos que lo que esta técnica más ampliamente disponibles ayudará a cerrar la brecha de tamaño entre la óptica de microfluidos, campo lejano y dispositivos a nanoescala y experimentos.

Protocol

1. Diseño del grabado en forma de C (CSE) de matriz

1. Diseñar el modelo de matriz.

Figura 1. CSE Diseño. Representación de la cinta transportadora elemento repetir. Transporte éxito se ha logrado usando d _{y =} 320 nm y d _x = 360 nm. Pares adyacentes de grabados tienen un desplazamiento de rotación relativo 60º. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

1. Determinar la trayectoria deseada de partículas a través de un sustrato plano.
2. Utilizando un programa de CAD, generar una matriz de doble lineal de polígonos en forma de C a lo largo de la ruta, cada polígono en cada par consecutivamente girar 30 ± 90 ° alrededor de su casco convexo tal como se muestra en la Figura 1. Debido propia v de una partículaolumen determina más o menos su gama traspaso ^22, no dejan de diámetro más de una partícula que separa pares consecutivos, y no dejan más de 90% de esta distancia entre los centros de polígonos en un par.
   Nota: Para referencia, los estudios anteriores han indicado que las esferas de poliestireno de 390 nm de diámetro y por encima son los más adecuados para el transporte a lo largo de una matriz de tales CSE. Beads tan pequeñas como 200 nm pueden ser manipulados, aunque no de forma fiable. Sin embargo, los granos más grandes de 500 nm sienten fuerzas competidoras más fuertes de un haz de iluminación focalizada.

2. Verificar fuerzas de traspaso a lo largo del patrón de matriz que utiliza un método numérico para resolver las ecuaciones de Maxwell. Mientras que el procedimiento descrito en el presente documento se refiere a la Método de los Elementos Finitos (FEM) implementado por el COMSOL software comercial, es posible adaptar este método para otros métodos numéricos e implementaciones.
   1. Elaborar una geometría método numérico que da cabida a las dimensiones del patrón planar y exttermina al menos 200 nm por debajo del plano de patrones y 600 nm por encima del plano. Por debajo del plano, incluir un dominio para representar el sustrato y por encima del plano de un dominio para representar la cámara de fluido. Extruir la plana en forma de C 150 nm patrón hacia abajo en el sustrato, creando dominios 3D para representar el interior de los grabados. Introducir un dominio partícula con la forma deseada.
      1. Asegúrese de que hay al menos 200 nm de espacio entre la parte superior de la partícula y el techo de la simulación de volumen y ajustar las extensiones de simulación según sea necesario. Añadir capas perfectamente emparejados, por lo menos 500 nm de espesor a las fronteras abiertas de la simulación para absorber la radiación hacia el exterior.
   2. Establecer las propiedades del material electromagnéticas del dominio encima de la interfaz a las del agua, las propiedades del material del interior de los grabados en forma de C a los de hidrógeno silsesquioxano (HSQ), y las propiedades del material del material restante a las de gold. Establecer las propiedades del material de la partícula a los de poliestireno u otro material de elección. Para simplificar, utilizar modelos lineales materiales electromagnéticos.
      Nota:. Una geometría 3D completa de la muestra se muestra en la Figura 2 En este caso, los dominios materiales de PML en el ± cartesiano x, ± Y, y + z límites absorben los campos destinados a propagar hasta el infinito. Espesor PML se define como 5 veces el tamaño máximo elemento de malla tetraédrica, igual a 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Si permitividad ɛ _ry μ permeabilidad _r se requieren insumos para la solución numérica a la mano, utilice una permitividad relativa de 1,96 para HSQ, 1,77 para el agua, y -52,15 - 3.57i para el oro. Ajuste todos permeabilidades relativas a 1. Si una propiedad del material electromagnético aparte de permitividad y permeabilidad son necesarios, utilice estos valores para obtener los insumos necesarios de acuerdo a las identidades electromagnéticas estándar. Utilice el signo o apropiadaf la parte imaginaria de oro según la época compleja convención de signos armónico de la solución numérica (debe ser negativo bajo el exp (+ iωt) convención y positivo bajo el exp (- i omega t) de convenciones).

Figura 2. Simulación Geometría. Ejemplo de la geometría de simulación numérica en el comercial COMSOL software método de elementos finitos. Dos períodos de cinta transportadora se simulan con d _{y =} 320 nm y d _x = 360 nm y una esfera de diámetro 500 nm. Regiones sombreadas materiales son a) HSQ, b) poliestireno, c) el oro, y d) agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. Discretizar el volumen de simulación con una adaptación m tetraédricacarne. Restringir el tamaño máximo de los elementos de malla de no más grande que 100 nm en la mayor parte. Por otra parte, limitar el tamaño máximo de elementos de malla de 30 nm sobre la superficie de la esfera y 30 nm sobre las superficies de grabado para aumentar la precisión en las estructuras críticas. Una tasa de crecimiento moderado de malla de aproximadamente 1,4 se debe utilizar para preservar la calidad de malla elemento en esas regiones, y un tamaño mínimo de malla también se puede definir en el volumen de limitar el comportamiento de malla adaptativa impredecible.
5. Para excitación óptica, definir un fondo onda plana armónica con una longitud de onda de espacio libre de 1.064 nm que es normalmente incidente y reflejada por el sustrato de oro plana como si los grabados y las partículas estaban ausentes. Use las ecuaciones de Fresnel evaluados en un ángulo de incidencia normal para calcular plano de onda de reflexión y transmisión coeficientes. Elige la polarización de esta onda de tal manera que el campo eléctrico está alineado con el canto de un grabado en forma de C. Normalizar la intensidad de la onda planaa 1 mW / m ^2.
6. Resolver para los campos electromagnéticos dispersos en un lote de simulaciones, barriendo el parámetro de posición de la partícula desde un extremo de la ruta de acceso a la otra mientras mantiene la altitud de la partícula constante en sólo unos pocos nanómetros de la superficie. Las altitudes tan bajas como 5 nm tienden a predecir muy fuertes potenciales de captura, mientras que mayores altitudes predicen los potenciales de captura más suaves. De hecho, el movimiento browniano se asegurará de que una partícula real explorará una variedad de altitudes por encima de la superficie.
   Nota: Los recursos y el tiempo computacional variarán con el tamaño numérico del sistema, método numérico, y el hardware del equipo.
7. Repetir los pasos 1.2.5 y 1.2.6 para la polarización alineado con cada uno de los otros dos orientaciones en forma de C-polarización distinta, como ángulo de polarización se toma de módulo 180 °.
8. Para cada simulación en los tres lotes, el cálculo de la fuerza neta sobre la partícula mediante la integración del flujo del tensor de tensiones de Maxwell-Minkowski a través de una superficie que encierra completamente la partícula, pero no cruza ninguna interfaz materiales.
9. Para cada polarización, calcular el trabajo realizado contra las fuerzas ópticas mediante la realización de un camino integral de la fuerza óptica neta negativa sobre el camino que sigue la partícula en cada lote, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Verificación Trapping. Atrapamiento estable se puede demostrar mediante el trazado de la potencial óptica de estados de activación. Un único período de sólo tres CSE es analizada por la simplicidad. De hecho, la profundidad total trampa es suficiente (> 10 k _B T) para la captura estable en el grabado activado para cada estado A, B y C. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 4. Traspaso Verificación. Handoff puede demostrarse mediante el trazado del potencial óptico de edad (rojo claro) y los nuevos estados (rojo brillante) de activación en secuencia. Un único período de sólo tres CSE es analizada por la simplicidad. Durante el traspaso de A a B y de B a C, la barrera de potencial en la dirección de movimiento deseada entre esas dos posiciones es a la vez pequeña (1 k _B T) y menor que en la dirección opuesta, lo que indica que el traspaso controlado es probable. Traspaso de C a A es más difícil porque la barrera entre la trampa sigue siendo considerable en todas las polarizaciones. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

10. Verifique para cada polarización A, B y C que hay una barrera de energía de al menos 10 kB T en altura a ambos lados del mínimo potencial en cada período de tres C. Consulte la Figura 3 para una identificación visual de los mínimos y las barreras potencial.
    Nota: Este paso determina si la partícula será atrapado de manera estable sobre la cinta transportadora propuesto sin saltar hacia atrás y adelante. Debido a la linealidad de las ondas electromagnéticas y el uso de modelos de materiales lineales, la barrera de energía es proporcional a la intensidad de la onda excitante avión.
11. Verifique que las barreras de energía entre trampas A adyacentes y trampas B descienden por debajo de 1 k _B T cuando la polarización se gira continuamente de A a B durante la transferencia de partículas. Repita el procedimiento para la rotación de la polarización de B a C y de C a A. Consulte la Figura 4 para una identificación visual de estos potenciales transición traspaso mínimos y barreras.
    Nota: Este paso determina si la partícula se transferirá fiable a partir de una trampa de A a B una trampa durante la rotación de polarización. Una partículasuperará fácilmente una barrera de altura 1 k _{B T} para pasar a un pozo de potencial más profundo.
12. Si no hay ninguna barrera insuficiente energía en el paso 1.2.10 o cualquier barrera de energía que es demasiado fuerte en el paso 1.2.11 Se, ajustar el diseño. En general, para elevar las barreras de energía, aumentar el espacio dividiendo grabados en forma de C. Para reducir las barreras energéticas, llevar los grabados más cerca. Evite acercándolos juntos que dos profundidades de la piel (40 nm), como los grabados que están demasiado juntos pueden interrumpir corrientes uno del otro de resonancia, lo que disminuye la eficacia global de captura. Repita el paso 1.2 para volver a verificar el potencial óptico.

2. Fabrique Array CSE

Nota:. El diagrama de proceso se muestra en la Figura 5 Este proceso se inspira en el trabajo en la ref. 25 y 26.

La Figura 5. CSE Proceso. El flujo del proceso del proceso de plantilla de desmonte de doble capa. La litografía de haz de electrones con 100 keV de energía se utiliza para exponer el patrón de transportador en la HSQ resistir. La capa de PMMA delgada debajo de la HSQ tiene por objeto facilitar la tira-off final (liberación) del dispositivo desde el sustrato de Si. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

1. Adquirir una oblea de silicio pulido limpia y llevarlo a una habitación limpia equipado para procesos de litografía de silicio.
2. Limpiar la oblea de silicio para eliminar la contaminación orgánica y óxidos en la superficie.
   1. Sumerja la oblea en un 9: 1 H _{2 SO} 4 H _{2 O 2} solución a 100 ° C durante 10 minutos. Un baño de al menos 1 L asegura una limpieza robusta, aunque menos químico puede permitir el proceso de obleas más seguro y fácil como instalaciones requieren.
   2. Sumerja el wafer en un 50: 1 solución de HF durante 30 s. Un baño de al menos 1 L asegura una limpieza robusta, aunque menos químico puede permitir el proceso de obleas más seguro y fácil como instalaciones requieren.
   3. Enjuague la oblea con agua DI y spin-secarlo.
3. Escudo de la vuelta 50 nm PMMA (espesor no es crítica).
   1. Singe hornear la oblea a 150 ° C durante 30 minutos.
   2. Girar recubrir un pulido, oblea de silicio limpia, con 2% 950K poli-metil-metacrilato (PMMA) a 5.000 rpm durante 40 seg. Aplicar el PMMA con una pipeta, el aterrizaje de 20-25 gotas de resistir en el centro de la oblea antes de comenzar el giro.
   3. Publicar hornear PMMA resistir en placa caliente a 200 ° C durante 2 min.
4. Girar capa 150 HSQ nm (el mismo día de la siguiente etapa).
   1. Girar en tono negativo HSQ resisten a 900 rpm durante 1 min. Aplicar la HSQ con una pipeta de plástico, aterrizando de nuevo 20-25 gotas de resistir en el centro de la oblea antes de comenzar el giro.
   2. Publicar hornear HSQ resistir en hotplComimos en 80 ° C durante 2 min.
5. Exponer y desarrollar el patrón usando técnicas de litografía por haz de electrones (el mismo día que en el paso anterior). El proceso se sigue de la demostración de doble capa de PMMA / HSQ en la ref. 27.
   1. Traducir el diseño de la silueta a formato GDSII para el patrón de haz de electrones en una matriz de dosis. Incluir marcas de alineación y anotaciones que son al menos 5 m de tamaño con el fin de identificar las nanoestructuras bajo un microscopio óptico. La matriz de dosis debe oscilar entre 800-4,000 mu c / cm ^2.
   2. Utilice una herramienta de litografía por haz de electrones de exposición para exponer la matriz en 100 kV tensión de aceleración y una abertura de 60 micras, que produce una corriente de 500 pA. La exposición por haz de electrones también es posible bajo voltajes de aceleración inferiores siempre que la corriente del haz, la dosis y la corrección patrón de proximidad se ajustan en consecuencia.
   3. Desarrollar la HSQ expuesta sumergiendo la oblea en un hidróxido de tetrametilamonio 2,2% (TMAH) desolución de revelador durante 90 segundos. Agitar suavemente la solución mediante empujones el plato desarrollador cada 10 seg. Una vez transcurrido el tiempo de desarrollo, pare inmediatamente el desarrollo lavando la superficie con agua durante 60 segundos.
6. Escudo una capa de oro 200 nm de espesor, seguida por una capa de cobre 1000 nm de espesor, por pulverización catódica con magnetrón. Asegúrese de utilizar una herramienta de pulverización catódica cuya oro chisporroteo tasa ha sido calibrado de manera que se logre el espesor previsto dentro del 20%. Las tasas de pulverización catódica variarán entre las herramientas. Rebase de espesor de oro es aceptable, ya que es rebasamiento de cobre.
7. Pegue un 1 cm x 1 cm de cuarzo placa trasera sobre el sustrato modelado con epoxi de curado UV.
   1. Extender una sola gota de epoxi de curado UV en el lado de cobre de la muestra en un cuadrado de 1 cm x 1 cm que cubre el área dispositivo de modelado.
   2. Aplique una placa trasera de cuarzo / de vidrio a la superficie de cobre, asegurándose que cubra completamente el área dispositivo de modelado.
   3. Ponga ogafas de protección UV n.
   4. Descanse la placa posterior y la oblea en una superficie plana, e iluminar el epoxi desde arriba con una lámpara de inundación UV durante aproximadamente 30 min.
   5. Apague la lámpara de inundación UV y retire la muestra curada.
8. Soltar el dispositivo desde el sustrato de silicio en un baño de acetona.
   1. Con un cuchillo afilado, marcar un camino suave, cerrado alrededor del cuarzo placa trasera, asegurándose de que el corte es lo suficientemente profundo como para penetrar en todo el camino a través de las dos capas de metal y la capa de PMMA encima de la oblea de silicio.
   2. Sumerja el sustrato en un baño de acetona durante 6/8 hora.
   3. Si después de 8 horas la muestra dispositivo aún no se ha liberado de la oblea de silicio de forma natural, saque con cuidado el dispositivo (incluyendo la placa posterior de cuarzo y dos capas de metal) de distancia de la oblea de silicio usando una cuña delgada o un cuchillo.
   4. Enjuagar la muestra resultante con acetona durante aproximadamente 1 min y se seca con N ₂ o el aire limpio.
   5. Si hay are asperezas de metal o pegamento que queda alrededor de la placa trasera, ajuste cuidadosamente a la basura con una navaja o tijeras de laboratorio. Esto mejorará la dinámica de fluidos durante un experimento de captura, garantizando la evaporación uniforme alrededor de los bordes de chips.
   6. Conservar la muestra en un recipiente a prueba de polvo limpia para el transporte al laboratorio óptico.

3. Preparar la muestra de espécimen

1. Preparar una solución perla de poliestireno fluorescente.
   1. Diluir una solución perla de poliestireno fluorescente de la concentración del fabricante para 1x10 ⁹ / ml- 1x10 ¹⁰ / ml mediante la adición del volumen apropiado de 1 ml de agua.
   2. Añadir 0,05 ml de tensioactivo (octil fenol etoxilato) a la muestra de espécimen. El tensioactivo reduce la tendencia de las perlas coloidales a pegarse a cualquier superficie, y también aumenta ligeramente la viscosidad del fluido host.

4. Calibre el foco de la ópticaColumnas

Nota: Un esquemática del aparato se puede hacer referencia en la Figura 8.

1. Calibrar el enfoque de la cámara de formación de imágenes del espécimen.
   1. Adquirir una superficie reflectante de repuesto, modelado, y la plana para la prueba y calibración. Una muestra maniquí con marcas de alineación funciona bien.
   2. Encienda la lámpara de mercurio microscopio y esperar hasta que el nivel de luz se ha estabilizado, a continuación, abra el obturador de la lámpara.
   3. Coloque la superficie de prueba con dibujos en el campo del microscopio de vista y mover su borde en el campo de visión central. Ajuste atenuadores de luz para asegurarse de que la luz no es demasiado brillante para observar a través del ocular, y luego mirar a través del ocular y traer el borde en el foco.
   4. Mueva la platina del microscopio de manera que un patrón se encuentra ahora en el centro del campo de visión, y ajustar el mando de enfoque para maximizar la nitidez del patrón.
   5. Encienda la cámara de imagen de muestra y ajustar el brillo y el contraste parael nivel de iluminación del microscopio.
   6. Ajuste el enfoque de la cámara de muestras hasta que el patrón es también en el foco para la cámara. El patrón debe estar enfocado a la vista tanto el de la cámara y en el ocular sin tener que hacer los ajustes focales cuando se cambia entre los dos.
2. Calibrar la columna de la formación de imágenes del haz para asegurar que la cámara de imagen rayo láser se enfoca sobre el sustrato.
   Nota: Se supone que el láser de IR cercano ya ha sido más o menos colimado y se alinea con las columnas de formación de imágenes del microscopio. Una tarjeta de sensor IR es una herramienta útil para realizar esta alineación. Se recomienda para construir todo el sistema sobre un soporte pre-alineados, tal como un sistema de jaulas de modo que todos los elementos ópticos puede ser centrada en el mismo eje de forma automática. Espejos dicroicos insertados a la viga y de imagen longitudes de onda separadas son estándar, pero para la seguridad no deberían filtrarse más de 1% de la longitud de onda láser.
   1. Asegúrese de que cada investigador en la sala se pone Safet láserY gafas con una extinción de al menos 10 ⁷ en la longitud de onda de funcionamiento del láser (1.064 nm) y asegúrese de que el obturador de rayo láser está cerrada.
   2. Encienda el sistema de suministro de energía y enfriamiento láser, pero deje el haz cerradas. Calentar el medio de ganancia láser.
   3. Una vez que las gafas están en su lugar y el obturador se confirma cerrada, encienda el láser. Coloque un bloque de haz delante del láser y abrir el obturador para medir la salida del haz de láser y verificar, utilizando un medidor de potencia, que la salida de potencia del láser se ha estabilizado. Mantener el bloque de la viga en su lugar.
   4. Para proteger la cámara de imagen ejemplar de los niveles dañinos de la luz láser, hacen atenuadores de haz estén en su lugar frente a la cámara de imagen espécimen, así como un espejo dicroico para dirigir la energía del haz restante a una cámara de imagen de haz independiente. También, modular la potencia del láser utilizando atenuadores o un divisor de haz de polarización de modo que sólo una cantidad moderada de potencia (10 mW) pasa a travésal aparato.
   5. Retire el bloque de haz y permitir que el haz de viajar a través del aparato y caer sobre el detector cámara de imagen viga.
   6. Encienda la cámara de imagen de haz y ajustar el brillo y el contraste con el nivel de luz láser.
   7. Desenfocar el haz de láser de modo que una amplia área del reflector modelado es iluminado por la luz láser.
   8. Ajuste el enfoque de la cámara de imagen del haz hasta que las características del patrón están en foco simultáneamente la imagen de luz blanca de la cámara de imágenes de muestras con y traducir la cámara para que su campo de visión se centra en el campo de visión de la imagen espécimen cámara. El desfase entre la imagen haz de imagen y luz blanca focal efectiva contrarresta la discrepancia en la longitud focal de la óptica entre el láser y longitudes de onda visibles.
3. Traiga el láser en el foco de la cámara de imagen viga.
   1. Utilizando el enfoque calibrado en la cámara de imagen del haz, ajustar el láserfoco del haz hasta que se enfoca a un punto apretado, y ajustar la posición de enfoque del haz de modo que caiga en el centro del campo de vista. El uso de software de anotación u otro método de elección, marque la ubicación de la viga en el campo de visión de la cámara de la muestra.
   2. Cierre el obturador del rayo láser.

5. Trampa y manipular muestras con energía óptica

Nota: Un esquemática del aparato se puede hacer referencia en la Figura 8.

1. Imagen de las perlas de poliestireno fluorescentes.
   1. Vuelva a colocar la muestra maniquí y hoja de la cubierta con un cubreobjetos limpio en el soporte de la muestra del microscopio.
   2. Coloque una punta en el extremo de descarga de la micro-pipeta y extraer 2/4 l de solución de partículas fluorescentes se diluye con la pipeta.
   3. Lentamente descargar la solución sobre el cubreobjetos. Si hay burbujas, eliminarlos soplando suavemente el aire limpio en la gota de la solución.
   4. Carefully coloque el dispositivo en la parte superior de la mancha solución con superficie de oro hacia abajo. La solución debe extenderse a través de toda el área bajo el dispositivo.
   5. Mueva la platina del microscopio de manera que un borde de la matriz de chip resonador está cerca del centro del campo de vista. Establecer enfoque en el borde del chip.
   6. Traducir la platina del microscopio de manera que el patrón resonador está cerca del centro del campo de vista. Centrarse en las nanoestructuras trayendo marcas de alineación oscuros en el foco, y tenga en cuenta que los propios resonadores aparecen como puntos oscuros en el fondo reflector brillante.
   7. Introduzca un filtro de paso de banda estrecho en el frente de la lámpara que bloquea todos los colores que no sean la correspondiente a pico de absorción de las perlas fluorescentes 'mercurio.
   8. Inserte un filtro de paso de banda estrecha frente a la cámara de imagen muestra que bloquea todos los colores, excepto los correspondientes a pico de emisión de las perlas fluorescentes.
   9. Traiga la imagen fluorescente de le perlas en el enfoque, señalando su velocidad de desplazamiento promedio colectivo contra su movimiento browniano al azar de forma individual. Espere hasta media velocidad de deriva de las cuentas 'se desacelera a menos de 10 m / seg.
      Nota: Debido a la evaporación en los bordes del chip, y debido a las fuerzas de sedimentación dinámica del fluido por debajo del peso del chip, puede haber corrientes visiblemente aparente (decenas de micras / s o más) en el fluido de muestra. Si la evaporación no es demasiado asimétrica a lo largo del borde del chip, estas corrientes eventualmente disminuyen a niveles aceptables para llevar a cabo un experimento.
2. Utilice el rayo láser enfocado para atrapar una perla de poliestireno.
   1. Asegúrese de que todos los investigadores pusieron gafas de seguridad láser apropiados, y luego encender el láser, manteniendo el obturador de rayo láser cerrada. Asegúrese de que la salida del láser es menor de 10 mW. Asegúrese de que la potencia del láser se ha estabilizado al probar la salida del haz con un bloque de viga en su lugar lo que evita la radiación láserentren en el microscopio.
   2. Una vez que la potencia del láser se ha estabilizado, quitar el bloqueo del haz y tenga en cuenta el punto de láser en la imagen del haz. Si el punto está fuera de foco, ajuste el enfoque de láser hasta que se consigue el enfoque mínimo acto.
   3. Mientras asegurar que suficientes atenuadores se colocan delante de la imagen de haz para evitar la saturación del detector de haz, aumentar gradualmente la potencia de salida del láser hasta una perla a la deriva puede ser capturado de forma estable en el foco del haz. Escaneo de la platina del microscopio puede ayudar en la captura de un cordón que está fuera del centro.
   4. Compruebe que el cordón atrapado está situado en o cerca de la marca hecha anteriormente para rastrear la posición de enfoque de láser en la imagen del espécimen. Si hay una diferencia entre la posición del talón y la marca de enfoque láser, corregir la marca de enfoque del láser para que coincida con la nueva posición de talón.
   5. Ahora, ajuste el contratista haz integrado en la trayectoria del rayo hasta que el punto de haz se expande a 9 micras de diámetro FWHM cuando está completamente enfocado. Medir esto como unasección transversal intensidad directamente a través del centro de la mancha del haz en la imagen del haz.
   6. Si el grano atrapado original se perdió durante este ajuste, utilice la etapa de traducción para buscar y atrapar otra perla.
      1. Si la ampliación de la mancha del haz ha desestabilizado la trampa óptica (debido a un gradiente de intensidad disminuida), aumentar el poder como sea necesario para lograr la captura óptica estable viga. Si el aumento del tamaño del punto focal se ha movido el centro de la viga fuera de su posición original, re-marcar la posición media de la perla atrapado en la imagen muestra como el centro del haz.
3. Establecer de campo cercano atrapar y manipular una perla de poliestireno en una matriz de grabado en forma de C.
   1. Encienda la lámpara de iluminación de fondo y aumentar su poder hasta que el patrón sustrato se puede ver en el fondo detrás de las imágenes de perlas fluorescentes.
   2. Con un cordón atrapado por el haz vagamente-centrado, utilice la platina del microscopio to mover el patrón sustrato de modo que el final de una matriz de resonadores se puede ver directamente detrás de la perla atrapado. Si el movimiento browniano aleatorio del grano se reduce significativamente, esto significa que el grano es atrapado por el campo cerca de un resonador excitado.
      Nota: Si el cordón todavía no ha sido atrapado por el campo cercano óptico, ajustar la posición de la matriz resonador plasmónica debajo de la perla. Este ajuste podría llevar el grano en contacto más estrecho con un resonador que está mejor alineado con la actual polarización de la luz láser. Si este proceso no induce casi campo de captura, el foco del haz puede ser ligeramente por encima del plano del sustrato. En este caso, ajustar el enfoque de láser ligeramente de modo que el punto focal se aproxima a la superficie del sustrato.
   3. Si después de pequeños ajustes de enfoque de la etapa y el talón del láser ha todavía no ha sido atrapado por el campo cerca de óptica, encontrar otra matriz sobre el sustrato y repita el proceso de captura de campo cercano, a partircon el paso 5.3.2.
      Nota: Los defectos de fabricación causan ambas variaciones sistemáticas y aleatorias en el rendimiento del resonador. Matrices resonador que no funciona son comunes hasta que los resultados de fabricación han sido totalmente caracterizados y son repetibles.
   4. Una vez casi campo de captura se ha establecido, mueva la etapa de traducción microscopio de manera que el centro del punto de láser reside más cerca del centro del transportador. Esta acción tenderá a tirar el cordón junto con el centro de la láser enfocado, de modo que sólo pequeños ajustes se pueden hacer de esta manera. Si una gota se desaloja, reducir el movimiento. Esta es la cantidad de desplazamiento del haz tolerable por las trampas de campo cercano.
   5. Después de desplazar el haz ligeramente en el paso anterior, girar una placa de media onda colocado en la trayectoria del rayo láser para hacer girar el ángulo de polarización lineal. Esto activa resonadores en una secuencia por la matriz y induce controlado, movimiento lineal en el cordón fluorescente. Un escenario giratorio motorizado puede éllp producir la rotación más constante en la placa de media onda y el movimiento de cuentas por lo tanto más estable.
   6. Para seguir el progreso de los datos de cuentas y de captura en su posición, apague la lámpara de iluminación de fondo y el uso de una utilidad de captura de vídeo para capturar fotogramas de la moción de perlas. Post-tratamiento de la movimiento de las partículas se puede conseguir usando la secuencia de comandos MATLAB proporcionado.

Representative Results

Figura 7 es una imagen del dispositivo final. En el centro de la superficie de oro de 1 cm x 1 cm es la matriz de CSE y patrones transportadoras, que pueden ser apenas visto desde una vista en ángulo. La Figura 6 es una imagen de microscopía electrónica de barrido de un patrón de ejemplo CSE en el dispositivo final.

El movimiento de las partículas de un perla de poliestireno 390 nm viajar a través de una cinta transportadora nano-óptica 5 micras de longitud se muestra en la Figura 9. La curva muestra la posición de la partícula como una función del ángulo de polarización del láser. Como se mencionó en el protocolo, puede haber casos en los que el transporte no se realiza correctamente o casi campo de captura no inicia. El mejor curso de acción es intentar un modelo diferente, que puede estar en mejores condiciones.

Figura 6. Imagen SEM de CSE Array. imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de los patrones del CSE. (a) muestra la imagen de mesas HSQ después del desarrollo de resistir. La muestra se pulveriza con 5 nm de oro como una capa conductora para la inspección SEM. (b) -. (c) muestran patrones finales después de la muestra se libera del sustrato de silicio Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7. CSE matriz Chip. Imagen del dispositivo final, aproximadamente 10 mm x 10 mm de dimensión. La imagen muestra la superficie de oro frente del dispositivo. Difracción de rejilla de marcas de identificación es visible como cuadrados de varios colores cerca del centro del chip. Por favor click aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8. aparato experimental. Esquemática del aparato experimental. Tanto la captura y la imagen se realizan en el modo de reflexión. Las diferentes trayectorias de luz se distinguen utilizando diferentes colores. Las líneas rojas, verde, de trazos de color rojo, azul y amarillo representan las trayectorias de luz de captura óptica (la conducción de transporte), imágenes fluorescentes, imágenes láser, la excitación fluorescente y brillante iluminación de campo, respectivamente. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La Figura 9. Bead Trayectoria Con el doble carril transportador. Posición vs. ángulo de polarización de un cordón de 390 nm de pasar una larga cinta transportadora de doble carril de 4,5 micras. Imágenes en el show instantáneas izquierdo de la esfera después de cada período de transporte. La curva a la derecha traza la posición calculada de los centros de cuentas. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

El NOCB combina las poderosas fuerzas de captura y pequeño tamaño trampa de enfoques plasmónicas con la capacidad para el transporte de partículas, siempre disponibles sólo para las técnicas de centrado de vigas convencionales. Único en el NOCB, las propiedades de captura y transporte del sistema son el resultado de los patrones de la superficie y no de la conformación del haz de iluminación. Siempre que la iluminación es lo suficientemente brillante y su polarización o longitud de onda se puede modular, las partículas se hace o se mueve en los protocolos complicados en la superficie. Hemos demostrado a través de la simulación de que un NOCB puede también rápidamente especie partículas en función de su movilidad ^23. De campo cercano trampas pueden servir volúmenes de reacción como pequeños para la química de una sola molécula y el parallelizability inherente del NOCB significa que se puede utilizar para configurar, ejecutar y derribar el mayor número de experimentos simultáneos como puede ser embalado en un chip y se ilumina por la una vez.

Para obtener el NOCB al trabajo, el campo cercano ofuerzas ptical que sostienen y mano de nanopartículas deben superar las fuerzas de la competencia de arrastre viscoso, atrapamiento óptico convencional (la fuerza del haz de iluminación), termoforesis y fuerzas de contacto con otras partículas y el propio sustrato. La fuerza óptica de campo cercano debe ser tan fuerte como sea posible para una potencia de iluminación dada; esto requiere el diseño y fabricación de nanoestructuras cuidado, pero en la práctica tenemos que producir una serie de estructuras con diferentes tamaños característicos para seleccionar el que funcione mejor para la longitud de onda de iluminación determinada. El arrastre viscoso y termoforesis deben ser suprimidos, así: si bien no puede ser capaz de tirar partículas de trampas ópticas de campo cercano, que sin duda puede hacer que sea difícil conseguir una partícula en la matriz NOCB en el primer lugar.

Cuando la muestra se coloca primero bajo el microscopio, partículas distribuir uniformemente por todo el volumen y muy rara vez se acercará a la matriz CSE. (Calcuciones indican que una partícula debe moverse dentro de unas pocas decenas de nanómetros de contacto de la superficie a ser atrapados.) Cuando la iluminación se enciende inicialmente, la matriz CSE inmediatamente calentar y crear un gradiente térmico en el agua que repele las partículas sobre una distancia de varios cientos de nanómetros. Esta barrera es superada al atrapar una partícula a una distancia con el haz de iluminación enfocada, y arrastrando manualmente la partícula a través de la barrera térmica en el campo de captura de la CSE. Sin embargo, incluso este método fallará si el gradiente térmico es demasiado alta. En nuestra experiencia, la inclusión de la capa de disipador de calor de cobre fue crucial para dibujar el calor lejos del agua y el debilitamiento de las fuerzas térmicas. El disipador de calor de cobre también hace menos probable que el agua hierve bajo la intensidad de iluminación normal.

La fuerza del gradiente de óptica en una partícula muy pequeña escalas como el cubo del diámetro de las partículas. Esto hace que sea mucho más difícil de atrapar a un 100talón nm que un cordón 200 nm, ya que la potencia debe aumentarse ocho veces mayor el calentamiento del sustrato por la misma cantidad. Como cuestión práctica se recomienda atrapando perlas más grandes primero (400 nm o 500 nm de diámetro), la optimización de la fuerza trampa y reduciendo al mínimo las fuerzas que compiten, y luego intentar captura y transporte de partículas más pequeñas.

Una vez que la muestra ha sido preparada, los experimentos se pueden realizar siempre y cuando las partículas están flotando libremente en el agua. El agua sale de la muestra por evaporación a lo largo de los bordes. En nuestro laboratorio esto pone un límite de tiempo más o menos 20 minutos en experimentos. La evaporación también puede resultar en una fuerza de arrastre viscoso compitiendo como el agua se extrae a los bordes de la muestra. Si la muestra tiene características ásperas tales como bordes o puntas que le impiden acostado sobre el portaobjetos de vidrio de metal dobladas en marcha, la mayor área de superficie expuesta del agua acelerará la evaporación. Si un lado es más alta que la otra, la evaporación estará sesgada hacias el lado con la mayor brecha de muestra de diapositivas y el líquido se moverá rápidamente en las nanoestructuras, por lo que es más difícil de ver, capturar y retener partículas.

Una sola NOCB puede transportar partículas través de la anchura del haz de iluminación pero no más allá. Como la intensidad del haz disminuye, la fuerza de recuperación desde el haz enfocado se hace más fuerte y la fuerza handoff NOCB se vuelve más débil, hasta rotación de la polarización es más probable que suelte la partícula de moverlo hacia adelante. Para la extensión a los transportadores más largos o más transportadores paralelos, el área de iluminación debe ser aumentada. Un potente, diodo láser desenfocado podría alimentar un área mucho más grande que el láser utilizado en estos experimentos. Alternativamente, el área de iluminación se puede aumentar mediante el escaneo rápido del haz usando un deflector acústico-óptico.

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