Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Plasmoniska fånga och Release av nanopartiklar i en övervaknings miljö

Published: April 4, 2017 doi: 10.3791/55258
Automatic Translation
1, 2
1Division of Scientific Instrumentation, Korea Basic Science Institute (KBSI), 2School of Mechanical Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

Summary

Ett mikrochip tillverkningsprocessen som innehåller plasmoniska pincett presenteras här. Mikrochipet möjliggör avbildning av en instängd partikel för att mäta maximal fångstkrafter.

Abstract

Plasmoniska pincett använder ytan plasmon polaritons att begränsa polariserbara nanoobjekt. Bland de olika mönster av plasmoniska pincett kan endast ett fåtal observera immobiliserade partiklar. Dessutom har ett begränsat antal studier experimentellt uppmätta de exertable krafterna på partiklarna. Mönstren kan klassas som den utskjutande nanodisk typ eller den undertryckta nanohole typ. För de senare är mikroskopisk observation extremt utmanande. I detta dokument, är en ny plasmoniska pincett som infördes för att övervaka partiklar, både i riktningar parallella och ortogonala till den symmetriska axeln hos en plasmoniska nanohole struktur. Denna funktion gör det möjligt för oss att observera rörelsen hos varje partikel nära kanten av nanohole. Dessutom kan vi kvantitativt uppskatta maximala fångstkrafterna med hjälp av en ny fluidic kanal.

Introduction

Förmågan att manipulera mikro föremål är en oumbärlig funktion för många mikro- / nano experiment. Direktkontakt manipulationer kan skada de manipulerade objekt. Släpper de tidigare höll objekten är också utmanande på grund av klibbning problem. För att övervinna dessa problem, flera indirekta metoder med användning av fluid 1, elektrisk två, magnetisk 3, eller fotoniska krafter 4, 5, 6, 7, 8 har föreslagits. Plasmoniska pincett som använder fotoniska krafter är baserade på fysik extraordinära fält förbättring flera order större än den infallande intensiteten 9. Denna extremt starka fält förbättring möjliggör fångst av extremt små nanopartiklar. Till exempel har det visat sig att immobilisera och manipulera nanoföremål, såsom polystyrenpartiklar 7, 10, 11, 12, 13, 14, polymerkedjor 15, proteiner 16, kvantprickar 17, och DNA-molekylerna 8, 18. Utan plasmoniska pincett, är det svårt att fälla nanopartiklar eftersom de snabbt försvinner innan de är effektivt undersökas eller för att de är skadade på grund av den höga intensiteten hos lasern.

Många plasmoniska studier har använt olika nanoguldstrukturer. Vi kan kategoriguldstrukturer som utskjutande nanodisk typer 12, 13, 14, 15, 19 20, 21 eller undertryckta nanohole typer 7, 8, 10, 11, 22, 23. När det gäller bild bekvämlighet, de nanodisk typer är mer lämpade än nanohole typerna eftersom det senare kan guldsubstrat hindra observation view. Dessutom plasmoniska fånga inträffar nära plasmoniska struktur och gör observation ännu svårare. Så vitt vi vet plasmoniska fångst på nanohole typer endast verifieras med indirekta spridningssignaler. Men inga framgångsrika direkta observationer, såsom mikroskopiska bilder, har rapporterats. Få studier har beskrivit läget hos fångade partiklar. Ett sådant resultat presenterades av Wang et al. De skapade en guldpelare på ett guld substrat och observerade partikeln rörelse med användning av en fluorescensmikroskop 24. Emellertid är detta bara effektivt för att övervaka laterala rörelser inte i riktning parallell med strålens axel.

I denna uppsats presenterar vi nya fluid mikrochip design och tillverkningsprocedurer. Med användning av detta chip, visar vi övervakningen av plasmonically fångade partiklar, både i riktningar parallella och vinkelräta mot plasmoniska nanostrukturen. Dessutom mäter vi maximal kraft immobiliserade partikeln genom att öka strömningshastigheten för att hitta tipphastigheten i mikrochip. Denna studie är unik eftersom de flesta studier på plasmoniska pincett inte kvantitativt kan visa de maximala fångstkrafterna som används i deras experimentella uppställningar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Varning: Se till alla relevanta material säkerhetsföreskrifter före användning. Flera av de kemikalier som används i mikrochip tillverkning är akut giftiga och cancerframkallande. Använd alla lämpliga säkerhetsåtgärder när du utför fotolitografi och etsningsprocesser, inklusive användning av tekniska kontroller (dragskåp kokplatta, och inriktnings) och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, skyddsrock, full längd byxor och stängda -toe skor).

1. Tillverkning av PDMS Microchannel

  1. Tillverkning av mikrokanal formen genom photolithograph processen
    1. Helt avlägsna främmande ämnen på 4-tums Si-skiva yta med Piranha rengöring (Figur 1a). Blanda svavelsyra (H 2 SO 4) och väteperoxid (H 2 O 2) i ett förhållande av 3: 1 för att göra piraya lösningen i skålen. Blanda genom gradvis tillsats av små mängder av den starka syran (H 2 O 2 SO 4); vända denna ordning kan orsaka en explosion på grund av den mycket reaktiva stark syra.
    2. Nedsänka skivan i Piranha-lösning under 10 min. Därefter doppa skivan i avjoniserat (DI) vatten under 3 min för att avlägsna den återstående Piranha-lösning. Skölj skivan med rinnande avjoniserat vatten under 10 s. Upprepa sköljningsförfarandet 3 gånger och torr med N2-gas för att avlägsna kvarvarande DI.
    3. Placera skivan på en varm platta under 20 minuter vid 180 ° C för att ytterligare dehydratisera skivan.
    4. Häll 5 ml av den negativa fotoresisten på toppen av skivan och spinnbeläggningen under 45 s vid 1500 rpm (fig 1b); efter spinnbeläggning, är en fotoresist vulst skapas vid skivkanten på grund av den relativt höga viskositeten hos fotoresisten.
    5. Balansera fotoresist belagda wafer genom planarisering på en utjämning står för 5 timmar.
    6. Placera fotoresist-belagda skivan på en varm platta för 12 min vid 65° C, 35 min vid 95 ° C, och 12 min vid 65 ° C (mjuk bakning).
    7. Fixera foliemasken på masken hållaren och den mjuka-bakade rånet på substratet steget av inriktaren. Utsättas för ultraviolett (UV) ljus under 43 s vid 650 mJ / cm 2 för att stelna fotoresisten.
    8. Placera skivan på den varma plattan under 5 min vid 65 ° C, 15 min vid 95 ° C, och 5 min vid 65 ° C (efter exponering bakning).
    9. Sänk skivan i fotoresist utvecklare för 30 min för att avlägsna icke-stelnade fotoresist.
    10. Skölj skivan med isopropylalkohol (IPA) och torr med N2-gas för att avlägsna kvarvarande IPA.
  2. Tillverkning av PDMS mikro
    1. Behandla ytan av skivan och fotoresisten formen under en minut vid en effekt av 200 W med användning av en atmosfärisk plasmamaskin 25; gasflödena av CH 4 och Han borde vara 6 och 30 sccm resp. Utför denna hydrofoba behandling för att enkelt lossa POLYDimethylsiloxane (PDMS) mikrokanal från ytan av skivan och fotoresisten formen (fig 1c).
    2. Förbereda PDMS lösningen genom blandning av PDMS bas och härdare i ett förhållande av 10: 1. Rör om blandningen under 2 min.
    3. Placera skivan inuti en petriskål (150 mm x 15 mm) och tillsätt 100 ml av PDMS lösningen. Ta bort bubblorna som skapades från omrörning med hjälp av en torkapparat.
    4. Placera petriskålen i ugnen under 2 h vid 80 ° C för att stelna PDMS-lösning (figur 1d och h).
    5. Skär längs konturerna av PDMS mikrokanal med ett rakblad och ta loss den från skivan; de tillverkade PDMS mikrokanalen bör ha följande dimensioner: 13 mm long, 300 | j, m breda, och 150 | im hög (fig 1e, f och i).
      OBS: Två typer av hål produceras av ett micropuncture att infoga singelmodfiber (SMF) kabel och rören (hålet ennd utlopp) på PDMS mikrokanalen (fig 1 g). SMF-kabeln används för att utsända laserstrålen till nanohole frästa på guldplätering. Röret används för att infoga / extrahera partikellösningen till / från PDMS mikrokanal.
    6. Punktera 1,5-mm inlopp och utloppshålen i varje ände av PDMS mikrokanal. Punktera en 0,3-mm SMF kabelhålet i centrum av PDMS mikrokanal.

2. etsningsprocessen av guldplätering

  1. Förbereda en kommersiellt tillgänglig guldplatta med dimensionerna 25 x 6,25 mm 2 (figur 2a).
  2. Ta bort eventuella främmande ämnen på guldplätering med följande rengöringsprocedurer. Ren i följande ordning genom nedsänkning i aceton, metanol och avjoniserat vatten i 5 min vardera.
  3. Skölja guldplätering 3 gånger med avjoniserat vatten under 10 s och torka plattan med N2-gas för att avlägsna kvarvarande avjoniserat vatten.
  4. Placera guldplätering på en värmeplatta för20 min vid 180 ° C för att fullständigt avlägsna eventuellt kvarvarande fukt.
  5. Häll 0,5 ml hexametyldisilazan (HMDS) på guldplattan och spinnbeläggningen under 40 s vid 3000 rpm.
  6. Häll 0,5 ml positiv fotoresist ovanpå de spinnbelagda HMDS och spinnbeläggningen under 40 s vid 3000 varv per minut (Figur 2b).
  7. Placera fotoresist belagda guldplätering på den varma plattan under 90 s vid 110 ° C (mjuk bakning).
  8. Fixera filmen masken på glasbrickan och placera den mjuka-bakade guldplätering på substratsteget. Utsättas för UV-ljus under 4,5 s vid 64 mJ / cm 2 för upplösning av fotoresisten.
  9. Doppa guldplattan i fotoresisten framkallare under 1 min för att avlägsna den upplösta fotoresist (figur 2c). Skölj guldplätering med DI-vatten och torka med N 2-gas.
  10. Doppa guldplattan i Au etsmedel under 45 s vid en etsningshastighet av 28 Å / s för att ta bort den exponerade Au (figur 2d). Skölj guldplätering med DI water och torr med N 2-gas.
  11. Doppa guldplattan i Ti etsmedel för 5 s vid en etsningshastighet av 25 Å / s för att ta bort den exponerade Ti (figur 2e). Skölj guldplätering med DI-vatten och torka med N 2-gas.
  12. Avlägsna kvarvarande fotoresisten på guldplätering genom nedsänkning i aceton, metanol och avjoniserat vatten för 3 min vardera (figur 2f); doppa plattan i skriftlig order.
  13. Skölja guldplätering 3 gånger med avjoniserat vatten under 10 s. Torr med N 2 gas för att avlägsna den DI-vatten.
  14. Placera guldplätering på den varma plattan under 3 min vid 120 ° C för att fullständigt avlägsna fukt; det producerade guldblocket bör vara 400 x 150 ^ m 2 (fig 2h).
  15. Kvarn en 400-nm nanohole använda en fokuserad jonstråle (FIB) vid centrum av guld block som tillverkades efter etsning (fig 2g och i). Skapa en 370-nm cirkelmönster att fokusera på guld block med en jon accelererande spänning av 30 kV vid 28 Pa under 3 s.

3. Montering av Microchip

  1. Behandla de två ytorna av PDMS mikrokanalen och guldplatta för en min med O 2 plasma för att fästa dem tillsammans med ett plasmasystem vid en effekt av 80 W och ett tryck av 825 mTorr 25.
    OBS: Det är särskilt svårt att fästa dem med precision, eftersom guldblocket och PDMS mikro är på mikrometernivå. Därför använder en rikt med en kamera och en manuell skede.
  2. Fixera glasbrickan som används för att fästa filmen masken till mask innehavaren av riktan (figur 3a).
  3. Fästa O 2 -plasma behandlade PDMS mikrokanal till glasbrickan; eftersom PDMS är hydrofil kommer den att lätt fästa till glasbrickan utan någon vidhäftning lösning. Fixera guldplätering på substratet skede av riktan (figur 3a).
  4. Leta reda på centra för the SMF kabelhålet och guld blocket, vilka är inriktade på samma axel, med hjälp av kameran på inriktaren. Lyfta den manuella scenen för att kombinera de två delarna (fig 3b och c).

4. Förbättring av Microchip Side Ytråhet med PDMS Coating

OBS: guldplätering med fasta dimensioner av 400 x 150 ^ m 2 är relativt svårare att skära ut än PDMS materialet. Därför, för att lösgöra PDMS mikrokanalen från skivan, är ett rakblad användes för att skära ut en större stycke än guldplätering. Efter kombinering av de två delarna, måste de överskjutande delarna av PDMS i förhållande till guldplätering sedan skäras så att kan observeras insidan av kanalen från sidan med användning av ett mikroskop (Figur 4a). Emellertid, den skurna ytan, vilket används som ett fönster, har en hög ytråhet och följaktligen producerar molniga bilder av de partiklar som strömmar i kanalen (fig4b). Beläggning med PDMS lösningen utförs igen för att lösa detta problem.

  1. Förbereda PDMS lösningen genom blandning av PDMS bas och härdare vid en 10: 1-förhållande och rör om under 2 min.
  2. Pour 2 ml av PDMS lösningen i petriskålen och utföra spinnbeläggning i 30 s vid 1000 varv per minut (Figur 4c).
  3. Placera mikrochip yta som kommer att vara placerad på mikroskopet på petriskålen (fig 4d). Placera petriskålen i ugnen i 1 h vid 80 ° C för att stelna PDMS lösningen.
  4. Skär gränsen av mikrochip och PDMS med användning av ett rakblad och därefter ta loss den från petriskålen (fig 4e, f).

5. Laser Koppling till Sätt SMF Kabel till Microchip

OBS: För plasmoniska pincett systemet, är en optisk fiber infallande laser med en 1064-nm våglängd används. SMF-kabeln används eftersom diametern på incident laser (5 mm) är för enorm att utsända laserstrålen vid nanohole frästa på guldblocket (400 x 150 ^ m 2) i mikrochipet. Den manteldiameter av SMF-kabeln är 125 um. Följaktligen får den infallande lasers och SMF kabel skall kopplas.

  1. Anslut en 40X objektiv till mikroskopobjektivet montera på SMF kopplingen. Fixera SMF kabeln på fiberklämman hos nämnda SMF kopplaren. Rikta den infallande laserstrålen för att fylla på baksidan öppning objektiv.
  2. Fokusera laserstrålen till kärnan hos nämnda SMF kabeln genom justering av treaxlig manuell skede utrustad på SMF kopplaren.
  3. Anslut den andra änden hos nämnda SMF-kabeln i SMF kabelhålet på mikrochipet. Mäta lasereffekten före inför vid kanten av fiberkabeln, eftersom den fasta fiberkabeln vid mikrochip inte kan avlägsnas.
  4. Försegla SMF kabel hålet med epoxilim för att blockera läckage av det strömmande partikellösningen från gapet mellan SMF hyttenle hål (300 | im) och manteln hos nämnda SMF kabeln (125 ^ m); slutet av den insatta fiberkabeln bör inte komma in i mikrokanalen för att undvika fluidflödet. rikta manuellt fiberkabeln med hjälp av visuell återkoppling, så att den är vinkelrät mot guldblocket som är värd för nanohole.

6. plasmoniska Svällning av Single Fluorescerande Polystyren Partikel i Microchip

  1. Fästa sprutan, som är fylld med partikellösning, till en spruta mikropump. Placera täckglaset på prov skede av fluorescerande mikroskop. Ansluta rören till inlopps / utloppshålen i mikrochip. Placera PDMS-belagda mikrochips yta på toppen av täckglaset.
  2. Positionera mikrochip ortogonalt till 60X nedsänkning i vatten objektivlins genom att observera insidan av kanalen med kameran installerad på fluorescerande mikroskop. Använd genomskinlig tejp för att fästa mikrochip på plats. Ansluter inloppsröret av mikrochipset med sprutan needle.
  3. Infoga partikel lösningen till mikrochipset genom styrning av mikropumpen på 20 ^ m / s. I detta ögonblick, bekräftar att den fluorescerande partikeln kan observeras väl i kanalen när lysröret är påslagen.
  4. Vänta tills partikellösningen utträder från utloppet av mikrochipet. Ställ in hastigheten till 3,4 ^ m / s.
  5. Vrid laserkällan, så att den emitterar lasern in i nanohole; den fluorescerande partikeln kommer att fastna vid kanten av nanohole.
  6. Ramp fluidhastigheten i steg om 0,4 ^ m / s genom att styra mikropumpen tills de instängda partikel flyr. Mäta fluidhastigheten när de fångade partiklarna fly. Erhålla den maximala infångningskraften för varje laserintensiteten med användning av denna uppmätta fluidhastighet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tillverkningsprocessen av PDMS mikrokanalen och nanohole guldplätering visas i figurerna 1 och 2. Metoden för att kombinera de två delarna och den faktiska mikrochip visas i figur 3. PDMS skars för att avslöja insidan av kanalen från sidan av mikrochipet. Det var dock svårt att observera de partiklar som strömmar i kanalen på grund av ytråheten hos skärplanet. Därför, introducerade vi PDMS beläggningsmetod för att lösa detta problem, såsom visas i fig 4.

Vi observerade 5-um, flödande polystyrenpartiklar i mikrochipet för att bekräfta effekten av PDMS beläggningen. Figur 5 visar den faktiska fabricerade mikrochip och partiklar observerades i mikrochipet med hjälp av mikroskop. Figur 5a och c är den före och efter framtrNCES av mikrochipet. Figur 5b och d är de förstorade ytorna av varje. Figur 5e visar suddiga partiklar som strömmar, medan figur 5f visar att kanterna hos partiklarna är särskilt tydliga och att rörelser kan övervakas. Som ovan, är väsentlig för övervakning av fångade partiklar PDMS beläggning av mikrochip ytan.

Figur 6 visar den 100-nm polystyrenpartikel genomgår plasmoniska optisk infångning av plasmoniska pincettsystemet. En SMF-kabel med en 0,14 numerisk apertur (NA) användes. Ett rör sattes in vid inlopps / utloppshålen i mikrochip kanalen. En mikropump användes för att sätta in och samla in 100-nm fluorescerande polystyrenpartikel lösning. För att understryka det inre utseendet hos den fångade partikeln genom den plasmoniska fenomen, har de streckade delarna i fig 6a förstorats som ett inlägg,

Figur 7 visar på varandra följande bilder där en 100-nm fluorescerande polystyrenpartikel som flöt i mikrokanalen var instängda och släpps vid nanohole vid intensiteten av 0,42 mW / xm 2. Partiklarna flödade med en konstant hastighet på 3,4 | j, m / s i fluidriktningen, såsom visas i figur 7a. Efter det att lasern var aktiverat, var en av de partiklar som infångas vid nanohole, såsom visas i figur 7b. Tvärtom, flöt en annan partikel i strömmen, såsom visas i figur 7c. Sedan tillsattes flödeshastigheten ökas tills fångade partikeln rymt. Figur 7d visar paArtikel flyr från fällan. Just nu kan vi uppskatta fånga kraften med direkt observation genom att mäta strömningshastigheten när partikeln flydde. Vi arbetade också i motsatt riktning. Istället för att öka fluidhastigheten, minskade vi successivt lasereffekten i steg om 1 mW och registreras intensiteten då partikel rymt. Denna laserintensitet definieras som den minsta infångningslaserintensitet och uppmättes till 0,24 mW / xm 2.

Figur 1
Figur 1. Tillverkning av PDMS mikrokanal. (A) Beredning av Si-wafer. (B) Fotoresist spinnbeläggning av skivan. (C) Den svetsade mikrokanal formen genom fotolitografisk process. (D) PDMS solidifiering med användning av en ugn efter att hälla PDMS lösningen på skivan. (e) PDMS mikroskärning. (F) PDMS mikrokanallösgörande från skivan. (G) Inlopp / utlopp och SMF kabelhålen punkterade på PDMS mikrokanal. (H) Faktisk stelnade PDMS på skivan. (I) Faktiska fristående PDMS mikrokanal. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. Tillverkning av nanohole på guldplattan efter etsningsprocessen. (A) Avsättning av Au och Ti på glaset. (B) Fotoresist spinnbeläggning av guldplattan. (C) Löst fotoresist avlägsnande efter UV-ljusexponering. (D) Au etsning. (E) Ti etsning. (F) Återstående fotoresist re moval. (G) Nanohole fräsning av en fokuserad jonstråle på guldblocket. (H) Faktisk fabricerade guld blocket. (I) Faktisk slipat nanohole på guldblocket. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 3
Figur 3. Montering processen för mikrochipet. (A) Fäst PDMS mikrokanalen och guldplätering på masken hållaren och substratsteget, respektive, utrustad på inriktaren. (B) Kombination av PDMS mikrokanaldelen och guld plattan efter ytbehandling med O 2 plasma. (C, d) Assembled mikrochip efter kombination. (E) Avlägsnande av överskottsmängd av PDMS mikrokanal.ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Förfarande för ytgrovheten förbättring med PDMS beläggning. (A) Ta bort överskottsmängd med användning av ett rakblad efter kombinering av de två delarna. (B) Hög ytråhet av mikrochipet efter skärning. (C) PDMS lösning spinnbeläggning i en petriskål. (D) doppa fönsterytan av mikrochip i spinnbelades PDMS lösning. (E) PDMS-belagda mikrochips lösgörande från petriskålen. (F) Förbättring av ytjämnheten med PDMS beläggning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Figur 5. Monterat mikrochip och observation av polystyrenpartiklar 5-um i mikrokanalen före och efter PDMS beläggning. (A, b) Microchip innan PDMS beläggning och förstorad vy. (C, d) Microchip efter PDMS beläggning och förstorad vy. (E, f) Observation av partiklar i mikrokanalen före och efter PDMS beläggning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6. Konstruerade plasmoniska pincett system. (A) Schematisk bild av den plasmoniska pincettsystemet. (b Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7. Svällning och frigöring av ett 100-nm fluorescerande polystyren partikel i mikrokanalen. (A) Mikrokanalen med en partikel som strömmar in i strömmen. (B, c) fångade partikeln vid nanohole jämfört med en annan partikel. (D) Partikel som rymt från fällan på grund av den ökade fluidkraft. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SMF kabel insattes i SMF kabelhålet på mikrochipset, som visas i den rektangulära prick av figur 6a. Eftersom SMF kabelhålet är större än kabeldiametern, var epoxy lim som används för att täta gapet för att blockera läckage av den strömmande partikellösningen. Före tillämpningen av epoxilim, bör guldblocket och kabel kant vara koaxiellt inriktade för hand med användning av ett mikroskop. Även om det är idealiskt för den införda kabeln kanten och nanohole som skall koaxiellt inriktade, kan en liten felinriktning tolereras eftersom laserstrålen divergerar när den avges från änden av den 0,14 NA SMF kabel kant, och balken påverkar en mycket större område. Eftersom mikrochipet var konfigurerad för att vara vinkelrätt mot den optiska axeln av mikroskopet, kunde vi inte direkt observera placeringen av nanohole. Placeringen av nanohole kan endast bestämmas indirekt genom att observera placeringen av plasmonically fångade partikeln vid nanohole. enlösning kan tillhandahållas genom att installera en kamera vid fiberkabeln och använder den för att övervaka guldblocket.

Det utmärkande för mikrochip är dess förmåga att övervaka partikelrörelse nära plasmoniska nanohole i realtid. Rörelsen av partikeln följer det scenario som beskrivs nedan. När vätskan strömmar partiklarna framåt, vissa partiklar rör sig mot guldblocket. I vissa fall får en partikel särskilt nära kanten av nanohole på grund av attraktion till nanohole och så småningom blir immobiliserade. I detta ögonblick, utövade den optiska kraft partikeln överstiger vätskekraften. Därefter undgår den immobiliserade partikeln från nanohole fälgen när fluidhastigheten ökar; således blir den fluidkraft starkare än den optiska kraften. Den maximala infångningskraften kan mätas från denna terminal fluidhastighet. Emellertid kan den konventionella dragkraften ekvation inte användas eftersom partikeln är i fysisk kontakt med ggamla muren vid nanohole. Att överväga ytan effekten av guld vägg, använde vi den finita-elementmetoden, som anser den flytande rörelse nära ytan, och erhålles den fluidkraft.

Vi har infört en ny plasmoniska pincett installation som möjliggör övervakning av partikeldynamik längs laserstrålens axel. I kontrast har tidigare studier endast infört partikelrörelse i planet vinkelrätt mot laserstrålens axel, såsom med den nanoblock 12, nanodisk 13, 14, 19, 21, nanostick 20, och nanopyramid 18. Vidare, i fallet med nanohole typer, infångning kan endast bevittnat genom övervakning av spridningssignalen, och inte genom visuell övervakning 10, 11, 23. Dock,vi kunde inte exakt mäta partikel ställning på grund av de begränsade möjligheterna hos nuvarande avbildningstekniker. Den bildkvalitet bör förbättras ytterligare för att bekräfta de exakta mätningar störningen. Denna teknik kan tillämpas i karakterisering och biosensor av en enda molekyl.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av forskning, utveckling program för MSIP / IITP (R0190-15-2040, Utveckling av ett innehåll konfigurationshanteringssystem och en simulator för 3D utskrift med smarta material).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Negative photoresist  MicroChem SU-8 2075
Developer MicroChem SU-8 Developer
Positive photoresist  Merck Ltd. AZ GXR-601
AZ Photoresist Developers Merck Ltd. AZ 300 MIF
HMDS Merck Ltd. AZ Adhesion Promoter
Aligner Midas System MDA 400M
Atmospheric plasma machine  Atmospheric Process
Plasma Co.		 IDP-1000
Polydimethylsiloxane (PDMS) Dow Corning Sylgard 184 A/B
Gold coated test slides EMF Co. TA124(Ti/Au)
Au etchant  Transene Inc. TFA
Ti etchant  Transene Inc. TFT
40X objective lens  Edmund Optics 40X DIN
60X water immersion
objective lens 		 Olympus LUMPLFLN 60XW
Optical fiber incident laser  IPG Photonic YLR 10
SMF coupler Thorlabs MBT612D/M
Syringe micropump Harvard PC2 70-4501
Fluorescent microscope  Olympus IX-51
Plasma system Femto Science Inc CUTE-MPR

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Crane, N. B., Onen, O., Carballo, J., Ni, Q., Guldiken, R. Fluidic assembly at the microscale: progress and prospects. Microfluid. Nanofluid. 14 (3), 383-419 (2013).
  2. Yao, B., Luo, G. A., Feng, X., Wang, W., Chen, L. X., Wang, Y. M. A microfluidic device based on gravity and electric force driving for flow cytometry and fluorescence activated cell sorting. Lab Chip. 4 (6), 603-607 (2004).
  3. Zhang, K., et al. On-chip manipulation of continuous picoliter-volume superparamagnetic droplets using a magnetic force. Lab Chip. 9 (20), 2992-2999 (2009).
  4. Park, I. Y., Sung, S. Y., Lee, J. H., Lee, Y. G. Manufacturing micro-scale structures by an optical tweezers system controlled by five finger tips. J. Micromech. Microeng. 17, N82-N89 (2007).
  5. Kim, J. D., Hwang, S. U., Lee, Y. G. Traceable assembly of microparts using optical tweezers. J. Micromech. Microeng. 22, 105003 (2012).
  6. Kim, J. D., Lee, Y. G. Construction and actuation of a microscopic gear assembly formed using optical tweezers. J. Micromech. Microeng. 23, 065010 (2013).
  7. Kim, J. D., Choi, J. H., Lee, Y. G. A measurement of the maximal forces in plasmonic tweezers. Nanotechnology. 26 (42), 425203 (2015).
  8. Kim, J. D., Lee, Y. G. Trapping of a single DNA molecule using nanoplasmonic structures for biosensor applications. Biomed. Opt. Express. 5 (8), 2471-2480 (2014).
  9. Quidant, R. Plasmonic tweezers - the strength of surface plasmons. MRS Bull. 37 (8), 739-744 (2012).
  10. Juan, M. L., Gordon, R., Pang, Y., Eftekhari, F., Quidant, R. Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles. Nat. Phys. 5, 915-919 (2009).
  11. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 11 (9), 3763-3767 (2011).
  12. Tanaka, Y., Kaneda, S., Sasaki, K. Nanostructured potential of optical trapping using a plasmonic nanoblock pair. Nano Lett. 13 (5), 2146-2150 (2013).
  13. Kang, J. H., et al. Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas. Nat. Commun. 2, 582 (2011).
  14. Roxworthy, B. J., et al. Application of plasmonic bowtie nanoantenna arrays for optical trapping, stacking, and sorting. Nano Lett. 12 (2), 796-801 (2012).
  15. Shoji, T., Tsuboi, Y. Plasmonic optical tweezers toward molecular manipulation: tailoring plasmonic nanostructure, light source, and resonant trapping. J. Phys. Chem. Lett. 5 (17), 2957-2967 (2014).
  16. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of a single protein. Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).
  17. Tsuboi, Y., et al. Optical trapping of quantum dots based on gap-mode-excitation of localized surface plasmon. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2327-2333 (2010).
  18. Shoji, T., et al. Permanent fixing or reversible trapping and release of DNA micropatterns on a gold nanostructure using continuous-wave or femtosecond-pulsed near-infrared laser light. J. Am. Chem. Soc. 135 (17), 6643-6648 (2013).
  19. Grigrenko, A. N., Roberts, N. W., Dickson, M. R., Zhang, Y. Nanometric optical tweezers based on nanostructured substrates. Nat. Photonics. 2, 365-370 (2008).
  20. Righini, M., et al. Nano-optical trapping of rayleigh particles and escherichia coli bacteria with resonant optical antennas. Nano Lett. 9 (10), 3387-3391 (2009).
  21. Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13 (9), 4118-4122 (2013).
  22. Berthelot, J., et al. Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers. Nat. Nanotechnol. 9 (4), 295-299 (2014).
  23. Chen, C., et al. Enhanced optical trapping and arrangement of nano-objects in a plasmonic nanocavity. Nano Lett. 12 (1), 125-132 (2011).
  24. Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. Trapping and rotating nanoparticles using a plasmonic nano-tweezer with an integrated heat sink. Nat. Commun. 2, 469 (2011).
  25. Byun, D., Cho, S. J., Kim, S. Fabrication of a flexible penetrating microelectrode array for use on curved surfaces of neural tissues. J. Micromech. Microeng. 23, 125010 (2013).

Tags

Engineering plasmonik plasmoniska pincett optisk infångning optiska krafter mikrofluidik nanohole immobilisering av nanopartiklar
Plasmoniska fånga och Release av nanopartiklar i en övervaknings miljö
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, J. D., Lee, Y. G. Plasmonic… More

Kim, J. D., Lee, Y. G. Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment. J. Vis. Exp. (122), e55258, doi:10.3791/55258 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter