Tillverkning och drift av en Nano-optisk Transportband

Abstract

Tekniken att använda fokuserade laserstrålar för att fånga och utövar krafter på små partiklar har möjliggjort många centrala upptäckter i nanoskala biologiska och fysiska vetenskaperna under de senaste decennierna. De framsteg som gjorts inom detta område uppmanar vidare studier av ännu mindre system och i större skala, med verktyg som skulle kunna distribueras lättare och göras mer allmänt tillgängliga. Tyvärr, de grundläggande lagar diffraktion begränsa den minsta storleken på brännpunkten av en laserstråle, vilket gör att partiklar mindre än en halv våglängd i diameter svårt att fälla och generellt hindrar en operatör att diskriminera mellan partiklar som är närmare varandra än hälften -wavelength. Detta utesluter den optiska manipulation av många tätt åtskilda nanopartiklar och begränsar upplösningen av optiska-mekaniska system. Vidare behandlig genom att använda fokuserade strålar kräver balkbildande eller styroptik, som kan vara mycket skrymmande och dyra. För att ta itudessa begränsningar i systemet skalbarhet av konventionell optisk infångning vårt labb har utarbetat en alternativ teknik som utnyttjar närområdet optik att flytta partiklar över ett chip. Istället för att fokusera laserstrålar i fjärrfältet, den optiska närfält plasmoniska resonatorer ger den nödvändiga lokala optiska intensiteten förbättring för att övervinna de begränsningar av diffraktion och manipulera partiklar vid högre upplösning. Tättliggande resonatorer producera starka optiska fällor som kan ställas till medla hand-off av partiklar från ett till nästa i ett transportbandliknande sätt. Här beskriver vi hur du designa och producera ett transportband med hjälp av en guldytan mönstrad med plasmoniska C-formade resonatorer och hur den fungerar med polariserat laserljus för att uppnå super-upplösning nanopartiklar manipulation och transport. Nano-optiska transportband chip kan produceras med användning av litografitekniker och enkelt förpackas och distribueras.

Introduction

Capture, förhör och manipulation av enskilda nanopartiklar är av allt större betydelse inom nanoteknologi. Optisk pincett har blivit en särskilt framgångsrik manipulation teknik för experiment i molekylärbiologi ^1-4, kemi ^5-7 och nano montering ^7-10, där de har möjliggjort genombrott experiment såsom mätning av de mekaniska egenskaperna hos enstaka DNA-molekyler ⁴ och sortering av celler genom deras optiska egenskaper ^11,12. Upptäckter på dessa gränser öppna upp studiet av ännu mindre system, och de ge plats för konstruktion av nya praktiskt nyttiga produkter och tekniker. I sin tur, denna trend driver behovet av nya metoder för att manipulera mindre, mer rudimentära partiklar. Dessutom finns det en push för att bygga enheter "lab-on-a-chip" för att utföra dessa funktioner billigare och i ett mindre paket för att få kemiska och biologiska tester urlab och i fält för medicinska och andra ändamål ^13,14.

Tyvärr, konventionell optisk infångning (COT) kan inte uppfylla alla nanoteknik växande krav. COT fungerar på mekanismen för att använda en hög numerisk apertur (NA) objektiv för att få laserljus till en tät fokus, vilket skapar en lokal topp i optisk intensitet och höga gradienter i det elektromagnetiska fältet energi. Dessa energi densitetsgradienter utöva en nettokraft på ljusspridande partiklar som i allmänhet drar dem in mot centrum av fokus. Fånga mindre partiklar kräver högre optisk effekt eller en stramare inriktning. Emellertid fokuserade ljusstrålar lyda principen diffraktion, vilket begränsar den minimala storleken av fokalpunkten och sätter en övre gräns på energi densitetsgradient. Detta har två omedelbara konsekvenser: COT kan inte fälla små föremål på ett effektivt sätt, och COT har problem att skilja mellan tätt placerade partiklar, en fångst upplösningbegränsning känd som "feta fingrar" problem. Dessutom genomförande multipel partikel svällning med COT kräver system av balkstyroptik eller rumsliga Ijusmodulatorer, komponenter som drastiskt ökar kostnaden och komplexiteten hos ett optiskt fångstsystem.

Ett sätt att kringgå de grundläggande begränsningarna hos konventionella fokuserade strålar av ljus, varvid nämnda att utbreda i fjärrfältet, är att i stället utnyttja gradienter av optisk elektromagnetisk energi i närfältet. Närområdet avklingar exponentiellt bort från källor till elektromagnetiska fält, vilket innebär att det inte bara är det mycket lokaliserad till dessa källor, men det uppvisar också mycket höga gradienter i sin energitäthet. De nära områden nano-metalliska resonatorer, såsom bowtie öppningar, nanopelare och C-formade gravyrer, har visat sig uppvisa extraordinära koncentrationer av elektromagnetisk energi, förbättras ytterligare genom plasmoniska verkan av guld och silver på nära INFRared och optiska våglängder. Dessa resonatorer har använts för att fånga extremt små partiklar med hög effektivitet och upplösning ^15-22. Även om denna teknik har visat sig vara effektiv på att fånga små partiklar, har det också visat sig vara begränsade i sin förmåga att transportera partiklar över betydande intervall, vilket är nödvändigt om närområdet system för att kommunicera med fjärrfältssystem eller mikrofluidik.

Nyligen har vår grupp föreslagit en lösning på detta problem. När resonatorer placeras mycket nära varandra, kan en partikel i princip migrera från en närområdet optisk fälla till nästa utan att släppas från ytan. Transportriktningen kan bestämmas om intilliggande fällor kan slås på och av sig. En linjär grupp av tre eller flera adresserbara resonatorer, i vilka varje resonator är känsligt för en polarisation eller ljusvåglängd som skiljer sig från sina grannar, fungerar som en optisk transportband, som transporterar nanopartilarna för ett avstånd på flera mikron på ett chip.

Den så kallade "Nano-Optical Transportband (NOCB) är unik bland plasmoniska resonator fångstsystem som inte bara kan det hålla partiklarna på plats, men det kan också flytta dem med hög hastighet längs mönstrade spår, samla eller sprida partiklar, mixa och kö dem, och även sortera dem efter egenskaper såsom deras rörlighet ^23. Alla dessa funktioner styrs genom modulering av polarisationen eller våglängden för belysning, utan behov av balk-styroptik. Som ett närfält optisk fälla, är NOCB infångnings upplösning högre än den för konventionella optiska fällor fokuserad trål, så det kan skilja mellan partiklar i omedelbar närhet; eftersom den använder en metallnanostruktur att koncentrera ljus i ett fånga väl, är det strömsnål, och inte kräver dyra optiska komponenter såsom hög NA mål. Vidare kan många NOCBs drivas parallellt, vid hög packnings hålamångfald, på samma substrat, och ett W effekt kan köra över 1200 öppningar ^23.

Vi har nyligen visat den första polarisationen drivna NOCB, smidigt framdriva en nanopartikel och tillbaka längs ett 4,5 fim spår ^24. I den här artikeln presenterar vi de åtgärder som krävs för att utforma och tillverka enheten, optiskt aktivera den och reproducera transport experimentet. Vi hoppas att göra denna teknik mer allmänt tillgänglig kommer att bidra till att överbrygga storlek klyftan mellan mikrofluidik, fjärrområdet optik och nanoskala enheter och experiment.

Protocol

1. Design C-formade Gravyr (CSE) Array

1. Utforma gruppsmönstret.

Figur 1. CSE Layout. Visning av transportband upprepa element. Framgångsrik transporter har uppnåtts med hjälp av d _y = 320 nm och d _x = 360 nm. Intilliggande par av gravyrer har en 60º relativ rotationsförskjutning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

1. Bestäm den önskade vägen av partiklar över ett plant substrat.
2. Med hjälp av en CAD-program, generera en dubbel linjär grupp av C-formade polygoner längs banan, varje polygon i varje par i följd roteras 30 ± 90 ° kring sin konvexa höljet såsom visas i figur 1. Därför att en partikel egen volym ungefär bestämmer dess handoff intervallet ^22, lämnar inget mer än en partikeldiameter separerar konsekutiva par, och lämnar inget mer än 90% av detta avstånd mellan polygon centra i ett par.
   Obs: Som referens har tidigare studier tyder på att polystyren sfärer av 390 nm i diameter och ovan är mest lämpad för transport längs en sådan CSE array. Pärlor så små som 200 nm kan manipuleras, men inte på ett tillförlitligt sätt. Men pärlor större än 500 nm känner starkare konkurrerande krafter från en fokuserad belysningsstrålgången.

2. Kontrollera handoff styrkor längs arrayen mönstret med hjälp av en numerisk metod för att lösa Maxwells ekvationer. Medan förfarandet som beskrivits häri hänför sig till Finita elementmetoden (FEM) implementeras av kommersiell programvara COMSOL, är det möjligt att anpassa detta förfarande för andra numeriska metoder och implementeringar.
   1. Upprätta en numerisk metod geometri som inrymmer plana mönster dimensioner och extslutar minst 200 nm under hålbildsplanet och 600 nm ovanför planet. Under planet, bland annat en domän för att representera substratet och över planet en domän för att representera fluidkammaren. Extrudera den plana C-format mönster 150 nm nedåt in i substratet, skapa 3D-domäner för att representera det inre av gravyrer. Införa en partikel domän med den önskade formen.
      1. Se till att det finns minst 200 nm utrymme mellan toppen av partikeln och taket av simuleringen volymen och justera simulerings utsträckning som behövs. Lägg perfekt matchade lager minst 500 nm i tjocklek till de öppna gränserna för simulering för att absorbera yttre strålning.
   2. Ställ de elektromagnetiska materialegenskaper hos domänen ovanför gränsytan till de av vatten, materialegenskaperna i det inre av den C-formade gravyrer med de för väte silsesquioxan (HSQ), och materialegenskaperna hos det återstående materialet med de i gold. Ställ materialegenskaperna hos partikeln till de av polystyren eller annat material av val. För enkelhetens skull använder linjära elektromagnetiska materialmodeller.
      Anm. Ett prov komplett 3D-geometri visas i figur 2 i detta fall, PML material domäner på den cartesianska ± x, ± y och + z gränser absorberar fält tänkt att spridas till oändligheten. PML tjocklek definieras som 5 gånger den maximala tetrahedralt maskelementet storlek, lika med 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Om permittivitet ɛ _r och permeabilitet μ _r krävs insatsvaror för den numeriska lösaren till hands, använd en relativ dielektricitetskonstant av 1,96 för HSQ, 1,77 för vatten, och -52,15 - 3.57i för guld. Ställ alla relativa permeabiliteter till 1. Om en elektromagnetisk materiell egendom annat än permittivitet och permeabilitet krävs, använda dessa värden för att härleda de nödvändiga insatsvaror enligt standard elektromagnetiska identiteter. Använd lämplig symbol of den imaginära delen av guld i enlighet med den komplexa tid harmoniska teckenkonvention av den numeriska lösaren (det bör vara negativ under exp (+ iωt) konvention och positiv under exp (- i co t) konvention).

Figur 2. Simulering geometri. Exempel på numerisk simulering geometri i kommersiella finita elementmetoden programvara COMSOL. Två transportbandperioder simuleras med d _y = 320 nm och d _x = 360 nm och en sfär 500 nm diameter. Skuggade materialområden är a) HSQ, b) polystyren, c) guld, och d) vatten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

4. Diskretisera simuleringen volym med en adaptiv tetraedrisk mesh. Begränsa den maximala storleken på maskelementen till inte större än 100 nm i bulken. Vidare begränsar den maximala storleken på maskelementen till 30 nm på sfären ytan och 30 nm på gravyren ytorna för att öka noggrannheten på kritiska strukturer. En måttlig mesh tillväxt på omkring 1,4 bör användas för att bevara maskelementet kvalitet i dessa regioner, och en minsta maskstorlek kan också definieras i volym för att begränsa oförutsägbara adaptiva mesh beteende.
5. För optisk excitation, definiera en bakgrund harmonisk plan våg med ett fritt utrymme våglängd av 1064 nm, vilket är normalt händelsen och reflekteras från den plana guldsubstrat som om gravyrer och partikel var frånvarande. Använd Fresnel ekvationer bedömda vid en normal infallsvinkel för att beräkna plan våg reflektions- och transmissionskoefficienterna. Välj polariseringen av denna våg, så att det elektriska fältet är inriktat med åsen i en C-formad tick. Normalisera intensiteten hos planvågen1 mW / um ^2.
6. Lös för spridda elektromagnetiska fält i ett parti av simuleringar, svepande partikelläge parameter från ena änden av banan till den andra samtidigt som du håller partikelns höjd konstant på bara några nanometer från ytan. Höjder så låga som 5 nm tenderar att förutsäga mycket starka fångstpotentialer, medan större höjder förutsäga jämnare fångst potentialer. I själva verket kommer Brownsk rörelse säkerställa att en verklig partikel kommer att utforska en rad olika höjder över ytan.
   Obs: Computational resurser och tid varierar med numeriska systemets storlek, numerisk metod, och hårdvara.
7. Upprepa steg 1.2.5 och 1.2.6 för polarisation inriktad med var och en av de andra två polarisationsbevarande distinkta C-form orienteringar som polarisationsvinkel tas modulo 180 °.
8. För varje simulering i de tre satserna, beräkna nettokraften på partikeln genom att integrera flödet av Maxwell-Minkowski spänningstensorn genom en yta som helt omsluter partikeln, men inte korsa några väsentliga gränssnitt.
9. För varje polarisation, beräkna det arbete som utförts mot optiska krafter genom att utföra en bana gral av den negativa netto optiska kraft över den väg som partikeln här i varje parti, såsom visas i fig 3.

Figur 3. Fångst Verification. Stabil fångst kan påvisas genom att avsätta den optiska potential aktiveringstillstånd. En enda period på bara tre ASM: er analyseras för enkelhets skull. I själva verket är den totala fälla djup som är tillräckligt (> 10 k _B T) för stabil fångstmetoder på den aktiverade gravyr för varje tillstånd A, B och C. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

ove_content ">
Figur 4. Handoff Verification. Handoff kan påvisas genom att avsätta den optiska potential gamla (ljusröd) och nya (röda) aktiveringstillstånd i följd. En enda period på bara tre ASM: er analyseras för enkelhets skull. Under handoff från A till B och B till C, är potentialbarriären i riktning av önskad rörelse mellan dessa två positioner både små (1 k _B-T) och inte större än den i den motsatta riktningen, vilket indikerar att kontrollerad handoff är trolig. Handoff från C till A är svårast, eftersom inter-fällan barriär fortfarande betydande på alla polariseringar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

10. Verifiera för varje polarisation A, B och C att det finns en energibarriär av minst 10 kB T i höjd på vardera sidan av den potentiella minimum i varje period av tre Cs. Se figur 3 för en visuell identifiering av potentiella minima och hinder.
    Anmärkning: Detta steg bestämmer om partikeln kommer att stabilt fångade på den föreslagna transportbandet utan att hoppa fram och tillbaka. På grund av lineariteten av elektromagnetiska vågor och användningen av linjära materialmodeller, är energibarriären som är proportionell mot den spännande plan våg intensitet.
11. Kontrollera att energibarriärer mellan intill en fällor och B fällor dopp under en k _B T när polarisationen kontinuerligt roteras från A till B under partikel överlämning. Upprepa för polarisationsvridning från B till C, och från C till A. Se Figur 4 för en visuell identifiering av dessa handoff övergång potentiella minima och hinder.
    Obs! Det här steget bestämmer om partikeln på ett tillförlitligt sätt övergår från en fälla A till en fälla B under polariseringsrotation. En partikelkommer lätt övervinna en barriär av höjd 1 k _B-T för att flytta till en djupare potentialbrunn.
12. Om det finns någon otillräcklig energi barriär i steg 1.2.10 eller någon energi barriär som är för stark i steg 1.2.11, justera designen. I allmänhet, för att höja energibarriärer, öka utrymmet dividera C-formade gravyrer. För att sänka energibarriärer, föra gravyrer närmare varandra. Undvik att föra dem närmare varandra än två förträngningsdjup (40 nm), som gravyrer som är alltför nära varandra kan störa varandras resonansströmmar, vilket sänker den totala fångst effektivitet. Upprepa steg 1,2 att åter kontrollera den optiska potentialen.

2. Tillverka CSE Array

Anm.: Processdiagrammet visas i fig 5 är denna process som inspireras av arbetet i ref. 25 och 26.

Figur 5. CSE processen. Processflödesdiagram av dual-layer mallstripp process. Elektronstrålelitografi med 100 keV energi används för att exponera transportmönster på HSQ motstå. Det tunna PMMA skiktet under HSQ syftar till att underlätta den slutliga remsan-off (release) av anordningen från Si-substratet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

1. Skaffa en ren, polerad kiselskiva och föra den till ett rent rum utrustat för kisel litografiprocesser.
2. Rengör kiselskivan för att avlägsna organiska föroreningar och oxider på ytan.
   1. Sänk ned skivan i en 9: 1 H ₂ SO _4: H2O _2-lösning vid 100 ° C under 10 minuter. Ett bad på minst 1 L garanterar robust rengöring, men mindre kemikalie kan tillåta säkrare och enklare processteg som anläggningar kräver.
   2. Doppa wafeR i en 50: 1 HF-lösning för 30 sek. Ett bad på minst 1 L garanterar robust rengöring, men mindre kemikalie kan tillåta säkrare och enklare processteg som anläggningar kräver.
   3. Skölj skivan med avjoniserat vatten och spin-torka.
3. Spin päls 50 nm PMMA (tjocklek är inte kritisk).
   1. Singe baka skivan vid 150 ° C under 30 minuter.
   2. Spin belägga en polerad, ren kiselskiva med 2% 950K poly-metylmetakrylat (PMMA) vid 5000 rpm under 40 sekunder. Applicera PMMA med en pipett, landar 20-25 droppar motstå på mitten av skivan innan du börjar snurra.
   3. Post baka PMMA resist på värmeplatta vid 200 ° C under 2 minuter.
4. Spin päls 150 nm HSQ (samma dag som nästa steg).
   1. Spin på HSQ negativ ton motstå vid 900 rpm under 1 minut. Applicera HSQ med en plastpipett, åter landar 20-25 droppar av resist på mitten av skivan innan spinn.
   2. Post baka HSQ resist på hotplåt vid 80 ° C under 2 minuter.
5. Exponera och utveckla mönstret med hjälp av elektronstrålelitografitekniker (samma dag som föregående steg). Processen följer av PMMA / HSQ dual-layer demonstration i ref. 27.
   1. Översätt silhouettedesign till GDSII format för elektronstrålemönstring i en dos array. Inkludera inriktningsmärken och anteckningar som är minst 5 um i storlek för att identifiera nanostrukturer under ett optiskt mikroskop. Arrayen dosen bör sträcka sig från 800-4,000 iC / ^cm2.
   2. Använd en elektronstrålelitografi exponeringsverktyget för att exponera matrisen vid 100 kV accelererande spänning och en öppning av 60 pm, som alstrar en ström på 500 pA. Elektronstråle exponering är också möjlig under lägre accelererande spänning förutsatt strålströmmen, dos, och närhet mönsterkorrigering anpassas därefter.
   3. Utveckla den exponerade HSQ genom att sänka skivan i en 2,2% tetrametylammoniumhydroxid (TMAH) developer lösning för 90 sek. Skaka försiktigt lösningen genom stötar utvecklaren skålen var 10 sekund. Efter utvecklingstiden har passerat, omedelbart stoppa utvecklingen genom att spola ytan med vatten under 60 sekunder.
6. Coat ett skikt av guld 200 nm i tjocklek, följt av ett skikt av koppar 1000 nm i tjocklek, genom magnetronförstoftning. Se till att använda en sputtring verktyg vars guld förstoftningshastighet har kalibrerats så att måltjocklek uppnås inom 20%. Sputtering priser kommer att variera mellan verktyg. Överskridande i guld tjocklek är acceptabelt, som är överskridande koppar.
7. Limma en 1 cm X 1 cm kvarts bakplatta på mönstrat substrat med UV-härdbart epoxi.
   1. Sprid en enda droppe UV-härdande epoxi på kopparsidan av provet i en kvadrat 1 cm x 1 cm täcker mönstrade enheten området.
   2. Applicera en kvarts / glas bakplatta till kopparytan, se till att det helt täcker mönstrade enheten området.
   3. Sätt On UV skyddsglasögon.
   4. Vila ryggplattan och skivan på en plan yta, och belysa epoxi från ovan med en UV-strålkastare för ca 30 min.
   5. Stäng av UV-strålkastare och avlägsna det härdade provet.
8. Släpp enheten från kiselsubstratet i ett acetonbad.
   1. Med hjälp av en vass kniv, värdering en slät, sluten bana runt kvarts bakplatta och se till att snittet är tillräckligt djup för att tränga igenom hela vägen genom de två metallskikten och PMMA skiktet ovanför kiselskiva.
   2. Dränka substratet i en acetonbad för 6-8 timmar.
   3. Om efter 8 h provet anordningen ännu inte har frigjorts från kiselskivan naturligt försiktigt bända anordningen (inklusive kvarts bakplattan och båda metallskikten) från kiselskivan med hjälp av en tunn kil eller kniv.
   4. Skölj det resulterande provet med aceton i ca 1 min och torka den med N ₂ eller ren luft.
   5. Om det are grov kanter av metall eller lim kvar runt ryggplattan försiktigt klippa bort dem med en rakkniv eller lab saxar. Detta kommer att förbättra fluiddynamik under en fångstexperiment genom att säkerställa en enhetlig avdunstning runt chip kanterna.
   6. Förvara provet i ett rent, dammsäker behållare för transport till den optiska lab.

3. Förbered prov Sample

1. Förbered en fluorescerande polystyrenpärla lösning.
   1. Späd en fluorescerande polystyrenpärla lösning från tillverkarens koncentrationen till 1x10 ⁹ / ml- 1x10 ¹⁰ / ml genom att tillsätta lämplig volym till 1 ml vatten.
   2. Lägg 0,05 ml ytaktivt ämne (oktylfenol etoxylatgrupper) till provprovet. Det ytaktiva medlet minskar tendensen hos de kolloidala pärlorna att hålla sig till alla ytor, och det också något ökar viskositeten hos värdvätska.

4. Kalibrera Fokus för den optiskaKolonner

Obs: Ett schema över anordningen kan refereras i fig 8.

1. Kalibrera fokus för preparatavbildningskameran.
   1. Skaffa en reservdel, mönstrat, och platt reflekterande yta för att testa och kalibrering. En dummy prov med inriktningsmärken fungerar bra.
   2. Slå på mikroskopet kvicksilverlampa och vänta tills ljusnivån har stabiliserats, sedan öppna lampan slutare.
   3. Placera den mönstrade provytan i mikroskopet synfältet och flytta sin kant i synfältet centrum. Justera ljus dämpare för att se till att ljuset inte är för ljust för att observera genom okularet, sedan titta igenom okularet och föra kanten i fokus.
   4. Flytta mikroskop scenen så att ett mönster är nu i centrum av synfältet, och justera fokus ratten för att maximera skärpan av mönstret.
   5. Slå på provkameran och justera ljusstyrka och kontrast tillmikroskop belysningsnivå.
   6. Justera prov kamerans fokus tills mönstret är också i fokus för kameran. Mönstret bör vara i fokus både i kamerans uppfattning och i okularet utan att behöva göra några bränn justeringar när du växlar mellan de två.
2. Kalibrera strålen avbildnings kolumnen för att se till att laserstrålen kameran fokuserar på substratet.
   Obs: Det förutsätts att den nära-IR-laser redan har varit ungefär kollimerad och i linje med mikroskop imaging kolumner. En IR-sensor kortet är ett användbart verktyg för att utföra denna anpassning. Det rekommenderas att bygga hela systemet på en i förväg inriktade stöd såsom en bur-system, så att alla för optiken kan automatiskt centrerad på samma axel. Dikroiska speglar införda till separata balk- och avbildnings våglängder är standard, men för säkerheten bör inte läcka mer än 1% av laservåglängden.
   1. Se till att varje forskare i rummet sätter på laser Safety glasögon med en utrotning av åtminstone 10 ⁷ vid våglängden laseroperation (1064 nm) och se till att laserstrålen slutaren är stängd.
   2. Slå på laser strömförsörjning och kylsystem, men lämna strålen slutare. Värma upp laserförstärkningsmediet.
   3. När glasögon är på plats och slutaren bekräftas stängd, slå på lasern. Placera en stråle blocket framför lasern och öppna slutaren för att mäta utsignalen från laserstrålen och verifiera, med användning av en effektmätare, att laser uteffekten har stabiliserats. Håll strålen blocket på plats.
   4. För att skydda provkameran från skadliga nivåer av laserljus, se till att balk dämpare är på plats i framför provkameran, samt en dikroisk spegel för att rikta återstående strålenergi till en separat balk bildkamera. Också modulera kraften i laser med hjälp av dämpare eller en polarisationsstrålsplittraren så att endast en måttlig mängd ström (10 mW) passerar genomtill anordningen.
   5. Avlägsna balken blocket och tillåta strålen att färdas genom anordningen och faller på balken kameran detektor.
   6. Slå på balken kameran och justera ljusstyrka och kontrast till laserljusnivån.
   7. Defokus laserstrålen så att ett brett område av mönstrade reflektorn belyses med laserljus.
   8. Justera fokus strålen kameran tills funktionerna i mönstret är i fokus samtidigt med vitt ljus bild av provet kameran, och översätta kameran så att dess synfält är centrerad på synfält provet imaging kamera. Den effektiva bränn förskjutningen mellan det vita ljuset bilden och balken bilden motverkar fokallängden diskrepans för optiken mellan lasern och synliga våglängder.
3. Ta lasern i fokus med balken kameran.
   1. Använda den kalibrerade fokus i balken kameran, justera lasernbeam fokus tills det fokuserar på en stram plats och justera strålens fokuspositionen så att den faller i mitten av synfältet. Använda anteckning programvara eller annan metod för val, markera platsen för strålen i provet kamerans synfält.
   2. Stäng av laserstrålen slutare.

5. Trap och manipulera Specimen med optisk energi

Obs: Ett schema över anordningen kan refereras i fig 8.

1. Avbilda fluorescerande polystyren pärlor.
   1. Byt ut blindprovet och täckglas med en ren täck i provhållaren av mikroskopet.
   2. Placera en spets på utloppsänden av mikro pipett och extrahera 2-4 pl av utspätt fluorescerande partikel lösningen med pipett.
   3. Sakta ansvarsfrihet lösningen på täck. Om det finns bubblor, ta bort dem genom att försiktigt blåsa ren luft på droppen av lösning.
   4. Carefully placera enheten på toppen av lösningen blob med guldytan nedåt. Lösningen ska spridas över hela ytan under anordningen.
   5. Flytta mikroskopställningen så att en kant hos resonatoruppställningen chip är nära centrum av synfältet. Upprätta fokus på kanten av chipet.
   6. Översätt mikroskop scenen så att resonatorn mönstret är nära centrum av synfältet. Fokus på nanostrukturer genom att mörka inriktningsmärken i fokus, och notera att resonatorer själva framstå som mörka fläckar i den ljusa reflektorn bakgrunden.
   7. Sätt ett smalt bandpassfilter framför kvicksilverlampa som blockerar andra alla färger än vad som motsvarar de fluorescerande pärlorna "absorptionstopp.
   8. Sätt ett smalt bandpassfilter framför provkameran som blockerar andra alla färger än vad som motsvarar de fluorescerande pärlorna "emissionstopp.
   9. Ta fluorescerande bild av the pärlor i fokus, notera deras kollektiva genomsnittliga drifthastighet mot deras individuellt slumpmässiga Brownsk rörelse. Vänta tills pärlorna genomsnittliga drifthastighet saktar till mindre än 10 ^ m / sek.
      Obs: På grund av avdunstning vid kanterna av chip, och på grund av dynamiska sedimenteringskrafter vätskan under chip vikt, kan det finnas synligt uppenbara strömmar (tiotals pm / s eller mer) i provet vätskan. Om avdunstningen inte är för asymmetrisk längs kanten på chipet, kommer dessa strömmar så småningom minskar till godtagbara nivåer för att utföra ett experiment.
2. Använd den fokuserade laserstrålen för att fånga en polystyrenpärla.
   1. Se till att alla forskare sätta på lämpliga laserskyddsglasögon och slå sedan på lasern samtidigt som laserstrålen slutaren stängd. Kontrollera att laserutsignalen är mindre än 10 mW. Kontrollera att lasereffekten har stabiliserats genom att testa strålen utsignalen med en stråle-block på plats som förhindrar laserstrålningkommer in i mikroskopet.
   2. När lasereffekten har stabiliserats, ta bort balken blocket och notera laserpunkten i balken bilden. Om fläcken är ur fokus, justera laser fokus tills minimal plats skärpan ställs in.
   3. Samtidigt som tillräckliga dämpare placeras framför balken bilden för att förhindra stråldetektorn mättnad, gradvis öka lasereffekt tills en drivande pärla kan fångas stabilt på strålens fokus. Skanna mikroskop scenen kan hjälpa till att fånga en kula som är off-center.
   4. Kontrollera att den instängda vulsten är belägen vid eller i närheten av märket gjorts tidigare för att spåra laserfokuspositionen i provet bilden. Om det finns en skillnad mellan pärlan läge och laserfokus märket, korrigera laser fokusmärket att matcha den nya pärla positionen.
   5. Justera nu strålen entreprenören inbyggd i strålgången tills strålpunkten expanderas till 9 ^ m i FWHM diameter då det är helt i fokus. Mät detta som enrak intensitet tvärsnitt genom centrum av strålpunkten i balken bilden.
   6. Om den ursprungliga fångade pärlan förlorades under denna justering, använd översättningen scenen för att söka efter och fånga en annan pärla.
      1. Om bredda strålpunkten har de-stabiliserat den optiska fällan (på grund av en minskad intensitet gradient), öka strålen makt som krävs för att uppnå en stabil optisk infångning. Om öka fokus punktstorlek har flyttat centrum av strålen bort från sin ursprungliga position, re-märkas den genomsnittliga positionen för fångade pärla i provet bilden som strålens mitt.
3. Upprätta närområdet svällning och manipulera en polystyrenpärla på en C-formad gravyr matris.
   1. Slå på bakgrundsbelysningen lampan och öka sin makt tills substratmönstret kan ses i bakgrunden bakom bilder av fluorescerande pärlor.
   2. Med en kula fångad av löst fokuserad stråle, använda mikroskop scenen to flytta substratet mönstret så att änden av en uppsättning resonatorer kan ses direkt bakom den infångade vulsten. Om pärlans slump Brownsk rörelse blir betydligt mindre innebär detta vulsten fångas av närfält ett exciterat resonator.
      Obs: Om vulsten har ännu inte instängda av den optiska närfält, justera läget för den plasmoniska resonatoruppställningen under vulsten. Denna justering kan medföra vulsten i närmare kontakt med en resonator som är bättre anpassad till den aktuella polarisering av laserljuset. Om denna process inte inducerar närområdet svällning kan balken fokus vara något över substratplanet. I detta fall, justera laserfokus något så att fokalfläcken närmar sig ytan av substratet.
   3. Om efter Lilla scenen och laser fokus justeringar pärlan har fortfarande inte varit instängda av den optiska närfält, hitta en annan uppsättning på substratet och upprepa närområdet fångstprocessen, med börjanmed steg 5.3.2.
      Obs: tillverkningsfel orsakar både systematiska och slumpmässiga variationer i resonator prestanda. Icke-fungerande resonator arrayer är vanliga tills tillverknings resultat har fullt karakteriserats och är repeterbara.
   4. När närfält svällning har etablerats, flytta mikroskopet translationssteg, så att centrum av laserpunkten är bosatt mer nära centrum av transportören. Denna åtgärd kommer att tendera att dra sträng längs med mitten av den fokuserade laser, så endast små justeringar kan göras på detta sätt. Om en kula lossnar, minska rörelse. Detta är den mängd balkförskjutning tolereras av närområdes fällor.
   5. Efter förskjutning av strålen något i det föregående steget, rotera en halv-våg plattan placeras i laserstrålens bana för att rotera vinkeln för linjär polarisation. Detta aktiverar resonatorer i en sekvens ner uppsättningen och inducerar kontrollerad linjär rörelse i den fluorescerande pärla. En motordriven roterande scen kan hanlp producerar mer jämn rotation i halv-våglängdsplattan och därför mer stabil pärla rörelse.
   6. För att följa utvecklingen av de pärla och fånga uppgifter om sin ståndpunkt, att stänga av bakgrundsbelysningen lampa och använder en video capture verktyg för att fånga bilder av pärla rörelse. Efterbehandling av partikelrörelsen kan uppnås med användning av tillgänglig MATLAB skriptet.

Representative Results

Figur 7 är en bild av den slutliga anordningen. Vid centrum av den 1 cm x 1 cm guldyta är matrisen av CSE och transportörmönster, som kan knappt ses från en vinklad vy, fig. 6 är ett svepelektronmikroskopbild av ett exempel CSE mönster på den slutliga anordningen.

Partikel rörelse av en 390 nm polystyrenpärla reser över en nano optisk transportbandet 5 um i längd visas i fig 9. Kurvan visar partikel position som en funktion av laser polarisationsvinkel. Som nämndes i protokollet, kan det finnas fall där transporten inte lyckas eller närområdet fångst inte initierar. Det bästa tillvägagångssättet är att prova ett annat mönster, som kan vara i bättre skick.

Figur 6. SEM-bild av CSE Array. Svepelektronmikroskop (SEM) bilder av CSE mönster. (a) visar bilden av HSQ mesas efter motstå utveckling. Provet sputteras med 5 nm guld som ett ledande skikt för SEM-inspektion. (b) -. (c) visar de slutliga mönstren efter det att provet frigörs från kiselsubstratet Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7. CSE Array Chip. Bild på den sista enheten, ungefär 10 mm x 10 mm i storlek. Bilden visar den främre guldytan av anordningen. Diffraktion från gitter ID markeringar är synliga som fler färg rutor nära mitten av chipet. Vänligen click här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8. Experimentell apparat. Schematisk bild av den experimentella apparaten. Både fångst och bildbehandling utförs i reflektionsläge. De olika ljusvägar urskiljs med hjälp av olika färger. De röda, gröna, streckad röd, blå och gula linjerna representerar ljusbanorna optiska infångning (transportkörning), fluorescerande imaging, laseravbildning, fluorescerande excitation och ljusfält belysning respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9. Bead Banans Over Dubbel Rail Conveyor. Position vs. polarisationsvinkel för en 390 nm pärla rör sig på en 4,5 fim lång dubbel-rail transportband. Bilder till vänster visar ögonblicksbilder av området efter varje transportperioden. Kurvan på höger spårar beräknade position pärla centra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Den NOCB kombinerar starka fångstkrafter och liten fälla storlek plasmoniska metoder med förmåga att transportera partiklar, lång endast tillgänglig för konventionella fokuserad tråltekniker. Unikt för NOCB, fångst och transportegenskaper i systemet är ett resultat av yta mönstring och inte av formning av belysningsstrålen. Förutsatt att belysningen är tillräckligt ljust och polarisering eller våglängd kan moduleras, partiklar kan hållas eller flyttas i komplicerade protokoll på ytan. Vi har visat genom simulering som en NOCB kan också snabbt sortera partiklar baserat på deras rörlighet ^23. Närfält fällor kan fungera som små reaktionsvolymer för enda molekyl kemi, och den inneboende parallelizability av NOCB innebär att den kan användas för att ställa upp, utföra och riva ner så många samtidiga experiment som kan packas på ett chip och upplyst på gång.

För att få NOCB att arbeta, närområdet optical krafter som håller och hands off nanopartiklar måste övervinna de konkurrerande krafter visköst motstånd, konventionell optisk infångning (kraften hos belysningsstrålen), thermophoresis och kontaktkrafter med andra partiklar och själva substratet. Närområdet optisk kraft bör vara så stark som möjligt för en given belysnings makt; Detta kräver noggrann design av nanostruktur och tillverkning, men i praktiken måste vi ta fram en rad strukturer med olika karakteristiska storlekar för att välja det som fungerar bäst för den givna belysnings våglängd. Den viskösa dra och thermophoresis måste undertryckas så bra: medan de inte kan dra partiklar ur närområdes optiska fällor, kan de säkert göra det svårt att få en partikel på NOCB array i första hand.

När provet först placeras under mikroskop, kommer partiklar fördelas jämnt över hela volymen och mycket sällan nära CSE array. (Calcuningar visar att en partikel måste röra sig inom några tiotal nanometer kontaktytan att vara instängd.) När belysningen initialt slås på, kommer CSE array omedelbart värma upp och skapa en termisk gradient i vattnet som stöter bort partiklar över ett avstånd av flera hundra nanometer. Denna barriär övervinnes genom att fånga en partikel på ett avstånd med den fokuserade belysningsstrålen, och manuellt dra partikeln genom den termiska barriären till avskiljningsfältet av CSE. Även denna metod kommer emellertid att misslyckas om den termiska gradienten är för hög. Enligt vår erfarenhet var avgörande för att dra bort värme från vattnet och försvaga de termiska krafterna införande av det koppar kylkroppen skiktet. Koppar kylfläns gör det även mindre sannolikt att vattnet kommer att koka under normala belysningsintensitet.

Den optiska gradienten kraft på en mycket liten partikel skalor som kuben på partikeldiametern. Detta gör det mycket svårare att fånga en 100nm pärla än en 200 nm pärla, eftersom strömmen måste ökas åtta gånger större substrat uppvärmning med samma belopp. Som en praktisk fråga rekommenderar vi fånga större pärlor först (400 nm eller 500 nm i diameter), optimering av fällan styrka och minimera konkurrerande krafter, och sedan försöker infångning och transport av mindre partiklar.

När provet har beretts, kan experiment utföras så länge som partiklarna fritt flyter i vattnet. Vatten lämnar provet genom indunstning längs kanterna. I vårt labb detta sätter en ungefär 20 min tidsgräns för experiment. Indunstning kan också resultera i en konkurrerande viskös släpkraft som vatten dras till kanterna av provet. Om provet har grova detaljer såsom uppböjda metallkanter eller spikar som hindrar den från att ligga platt på glasskivan, kommer den större exponerade ytarean av vattnet snabba avdunstning. Om en sida är högre än den andra, kommer förångningen att förspännas mots sida med större prov-slide gap och vätskan kommer att röra sig snabbt under de nanostrukturer, vilket gör det svårare att se, fånga och hålla partiklar.

En enda NOCB kan transportera partiklar tvärs över bredden på belysningsstrålen men inte längre. Som strålintensiteten sjunker, den återställande kraften från den fokuserade strålen växer sig starkare och den NOCB handoff kraften växer svagare, tills polariseringsrotation är mer sannolikt att frigöra partikeln än flytta den framåt. Om förlängning till längre transportörer eller flera parallella transportörer, måste belysningsområdet utökas. En kraftfull, oskärpa laserdioden kunna driva ett mycket större område än den laser som används i dessa experiment. Alternativt belysningsområdet kan ökas genom att snabbt avsöka strålen med användning av en akusto-optisk deflektor.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
HSQ e-beam resist	Dow Corning	XR-1541-006
PMMA	MicroChem	950A2 M230002
Fast curing optical adhesive	Norland Optical Adhesive	NOA 81
Fluorescent carboxyl microspheres	Bangs Laboratories	FC02F, FC03F
Fluorescent carboxylate-modified microspheres	Molecular Probes	F-8888
Quartz slide	SPI Supplies	1020-AB
Inverted fluorescent microscope	Nikon	ECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG laser	Lightwave Electronics	221-HD-V04
sCMOS camera	PCO	EDGE55
CCD camera	Watec	WAT-120N
Zero-order half-wave plate	Thorlabs	WPH05M-1064
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T8787
Distilled water	Invitrogen	10977-023
Si Wafer	Silicon Quest International	708069
Optical lenses	Thorlabs