Summary
Descrevemos um procedimento para interceptar opticamente micropartículas em nanoplasmonic lattice ótico.
Abstract
A Pinça óptica plasmônico foi desenvolvida para superar os limites de difração da pinça óptica convencional de campo distante. Plasmônico óptica treliça consiste de uma matriz de nanoestruturas, que exibem uma variedade de armadilhas e comportamentos de transporte. Nós relatamos os procedimentos experimentais para capturar micropartículas em um lattice ótico nanoplasmonic quadrado simples. Também descrevemos a configuração óptica e a nanofabricação de uma matriz de nanoplasmonic. O potencial óptico é criado por iluminando uma matriz de nanodiscs de ouro com um feixe gaussiano de 980 nm comprimento de onda e ressonância de plasmon emocionante. O movimento das partículas é monitorado por imagens de fluorescência. Um esquema para suprimir originando convecção também é descrito para aumentar a potência óptica utilizável para interceptação de ideal. Supressão da convecção é alcançado pelo resfriamento da amostra a uma temperatura baixa e utilizando o coeficiente de expansão térmica próximo de zero de um meio de água. Tanto transporte de partícula única e múltiplas armadilhas de partícula são relatados aqui.
Introduction
A captura óptica de partículas micro escala foi originalmente desenvolvida por Arthur Askin na década de 1970. Desde a sua invenção, a técnica foi desenvolvida como uma ferramenta versátil para micro e nanomanipulação1,2. Convencional óptico prendendo com base no campo distante focar princípio inerentemente é limitada pela difração em seu confinamento espacial, onde a força de armadilhagem diminui drasticamente (seguir um ~umalei de3 de uma partícula de raio um) 3. para superar tais limites de difração, pesquisadores desenvolveram técnicas de armadilhagem óptica de campo próximo, com base no campo evanescente óptico usando nanoestruturas metálicas plasmônico e, além disso, a captura de nanoescala objetos para baixo para moléculas de proteína única tem sido demonstrada4,5,6,7,8,9,10,11. Além disso, o retículo óptico plasmônico é criado a partir de matrizes de nanoestruturas plasmônico periódicas para conferir o transporte de longo alcance do micro e nanopartículas e múltiplas partículas empilhamento11,12. Um grande obstáculo para interromper a captura em um lattice ótico é convecção fototérmicos e foram envidados esforços para elucidar seus efeitos por vários grupos14,15,16,17. Usando a função de Green, Baffou et al ter calculado um perfil de temperatura por cada nanostructure plasmônico como um aquecedor de ponto de modelagem e então experimentalmente validados seu modelo14. Grupo do Toussant também mediu a convecção induzida por plasmon com partícula velocimetry15. Grupo do autor também tem caracterizado o transporte campo próximo e convecçao e demonstrou uma estratégia de engenharia para suprimir originando convecção16,17.
Aqui apresentamos o projeto de uma instalação de ótica e um procedimento detalhado especificamente para experimentos de armadilhagem plasmônico retículo óptico. O potencial óptico foi criado por iluminando uma matriz de ouro nanodiscs com um feixe gaussiano vagamente concentrado. Um esquema para suprimir a convecção originando pelo resfriamento da amostra a uma temperatura baixa (~ 4 ° C) para a captura ideal é também descrever aqui17. Sob a aproximação de Boussinesq, uma ordem de magnitude estimada da convecção natural velocidade u é dada por u ~L2 gβΔT / v, onde L é a escala de comprimento da fonte de calor e Δ T é o aumento de temperatura em relação a referência devido ao aquecimento. g e β são a aceleração gravitacional e coeficiente de expansão térmica, respectivamente. Em temperaturas perto de 4 ° C, a densidade do meio de água apresenta dependência de temperatura anômalas e isso se traduz em um coeficiente de expansão térmica próximo de zero e, portanto, uma convecção originando muito pequeno.
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Protocol
1. Setup óptico
Nota: O princípio da instalação do óptico é ilustrado na Figura 1.
Pinça- conjunto até o óptico kit (veja a Tabela de materiais) e o módulo de fluorescência (ver Tabela de materiais) como por seus manuais. Conectar uma fonte de 470 nm azul luz emitindo luz de diodo (LED) para o módulo fluorescente.
- Substituir a alta abertura numérica (NA) (at = 1.25, ampliação 100x) objectivo de imersão de óleo por um trabalho de longo distância objetivo do microscópio (WD) (comprimento focal 3,6 mm, WD = 10,6 mm, at = 0,5).
- Remover a lente na seção expansão de feixe do kit montado para alcançar solto com foco de raio laser.
- Vez na fonte de alimentação e a corrente para o laser de diodo de nm de comprimento de onda 980 e uso o carregado acoplado a câmera do dispositivo (CCD) para certificar-se de que o feixe de laser é alinhado corretamente.
Nota: Se o feixe de laser é bem alinhado, a câmera CCD lerá um ponto Gaussian.
2. Nanofabricação
fabricação de marcador de- .
Nota: Marcadores irão ajudar a posicionar a matriz de nanoplasmonic durante o processo de fabricação e o experimento de armadilhagem subsequentes. O processo detalhado é ilustrado na Figura complementar 1.- Filme de óxido de estanho (ITO) de índio depósito 40 nm em uma lamela de espessura 0,17 mm com pulverização catódica.
Nota: O filme ITO ajudará a descarga de elétrons durante o processo de litografia e-feixe subsequentes. - Spin revestir uma camada de 8 µm de fotorresiste positivo com rotação velocidade 4000 rpm e tempo de 30 s, com um aplicador de rotação.
- Soft cozer a amostra a 90 ° C por 5 min e alinhar a amostra com a Fotomáscara para marcador e expor a amostra à luz para 80 UV s no alinhador de máscara.
- Embeber a amostra no desenvolvedor fotorresiste por 130 s.
- Depositar uma camada de 2 nm de crómio e uma camada de 40 nm de ouro para a amostra usando evaporação térmica. 18
- mergulhar a amostra em acetona e colocá-lo em um líquido de limpeza ultra-sônico que operam em 43 kHz e 150 W por 5 min para fora do elevador
- Filme de óxido de estanho (ITO) de índio depósito 40 nm em uma lamela de espessura 0,17 mm com pulverização catódica.
- Fabricação de matriz Nanoplasmonic
- casaco Spin uma camada de e-feixe resistir PMMA 120K com centrifugação 5000 rpm por 30 s em um aplicador de rotação. Asse a amostra a 160 ° C por 3 min em uma chapa quente.
- Spin revestir outra camada de resistir e-feixe PMMA 960K com centrifugação 5000 rpm por 30 s em um aplicador de rotação. Asse a amostra a 160 ° C por 3 min em uma chapa quente.
- Escritor e-feixe de uso para expor o feixe e resistir com aceleração tensão 30 kV e dosagem 400 C/cm 2.
- Depositar uma camada de 40 nm de ouro em um evaporador térmico.
- Mergulhar a amostra em acetona e colocá-lo em um líquido de limpeza ultra-sônico por 5 min para fora do elevador
3. Exemplo de sistema de resfriamento e a calibração de temperatura
Nota: A amostra refrigerar cenografia é mostrada na complementar Figura 2.
- Fazendo o circuito controlador para refrigeração de amostra
- Coloque os resistores, transistores de junção bipolar e transistores de efeito de campo de óxido de metal de poder na placa de circuito personalizada seguindo o diagrama de circuito da complementar Figura 3 . Todos esses componentes com ferro de solda de solda.
- Fios de conexão entre a porta de controle da placa de circuito e a placa de controle eletrônico. Ligue os fios entre a porta de saída da placa de circuito e resfriamento termoelétrico (TEC) elemento. Coloque o elemento TEC no palco a amostra com o calor a afundar-se.
Nota: TEC o elemento tem um buraco no centro para permitir que o feixe de laser passar. - Fios de conexão da placa de circuito para 5 V de alimentação. Use a câmera infravermelha prospectiva para monitorar a temperatura para verificar se o resfriamento termoelétrico é corretamente refrigerar para baixo.
- Calibração da temperatura medida na prospectivas câmera e resistência temperatura detector (IDT) termômetro infravermelho.
- Coloque o Termómetro RTD em uma lamela em branco e aplique uma pequena quantidade de pasta térmica para assegurar o adequado contato térmico entre o Termómetro RTD e lamela.
- Alterar o ajuste da potência de saída do circuito de controle eletrônico para elemento TEC, alterando o ciclo de trabalho de configuração de modulação de largura de pulso e esperar por 3 min certificar-se de que atingir a temperatura de estado estacionário. Leia a temperatura com o termômetro de IDT.
- Vez na câmera infravermelha olhando para a frente e monitor da temperatura. Repita isto em várias configurações de potência de saída para obter a curva de calibração de temperatura. Uma curva de calibração de temperatura representativa é mostrada na Figura complementar 4.
Nota: É fundamental fazer calibração entre RTD termômetro e a câmera de infravermelha olhando para a frente porque a leitura da temperatura da câmara de infravermelha voltada para o futuro deve ser exactos para garantir a temperatura correta é alcangada.
4. Interceptação de micropartículas de
- dilua micro partículas de poliestireno do diâmetro 2 µm em água deionizada em um microcentrifugetube de relação volume apropriado.
Nota: A concentração de micro partículas pode ser ajustada de acordo com o objetivo do experimento. Enquanto menor concentração permite um intervalo de tempo de amostra entre eventos de armadilhagem única partícula, maior concentração encurtará o tempo para a captura de partículas múltiplas. Para a captura de partícula única, uma concentração típica é ~0.05% (w/v). - Colocar a amostra com a matriz nanoplasmonic no palco e ligar um 470 nm LED como fonte de luz de fluorescência e definir manualmente a potência de 5 mW para a imagem latente de campo brilhante.
- Use o marcador para localizar a matriz nanoplasmonic, alinhe a amostra e usar a câmera do CCD para certificar-se de que a matriz está no centro da região de interesse na tela do computador.
- Dispense 10 µ l das diluídos micro partículas de diâmetro 2 µm na amostra com uma pipeta micro.
- Ligar a alimentação em corrente para o diodo de nm de comprimento de onda 980 para excitar a ressonância plasmônico da matriz com um poder no intervalo ~ 1 mW a 10 mW.
- Manualmente, ligue a fonte de alimentação para a placa de controle eletrônico para resfriar a amostra para um estado constante de temperatura ~ 4 ° C.
- No software visualizador, clique o " gravar vídeo " sequência para abrir a caixa de diálogo de gravação. Clique o " registro " botão para iniciar o vídeo 1.5 do movimento das partículas de micro, com uma taxa de quadros de 10 quadros/s de gravação da amostra sob a influência do feixe de laser, usando a câmera do CCD. Clique o " parar de " o botão para parar a gravação. Veja o vídeo 1.
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Representative Results
Trajetórias de partícula única foram gravadas por uma câmera CCD na nossa experiência e as imagens foram processadas com um programa personalizado para extrair trajetória16 do cada partícula. Resultados representativos são exibidos na Figura 3 e 1 vídeo para microesferas com diâmetros de 2 µm. foram observadas várias armadilhas de partícula dentro lattice ótico. Imagens sucessivas, extraídas de um vídeo de representativa do movimento da partícula são exibidas na Figura 4. Por micropartículas de diâmetro 2 µm, avista-se o agrupamento de micropartículas formou um hexagonal perto embalado (hcp) estrutura. A amostra também pode ser aquecida, desligando o elemento TEC; o cluster preso observado iria dispersar devido à convecção originando.
Figura 1 . Esquema da instalação do óptica.
Um feixe gaussiano com comprimento de onda de 980 nm é usada para excitar a amostra plasmônico retículo óptico para criar armadilhas potenciais. Uma fibra acoplados láser de nm de comprimento de onda 980 atravessa o espelho (M1), vagamente se foca por um longo trabalho objetivo de microscópio de distância e excita a amostra plasmônico. A imagem fluorescente é tirada com o mesmo objectivo, em conjunto com espelho dicroico (DM) e filtro de emissão (EF) sob a excitação fluorescente a 470 nm da fonte de luz diodo de emissores de luz. A excitação de luz em 980 nm para a ressonância plasmônico é cor codificada 'rosa' e a excitação e emissão de luz para a imagem latente fluorescente são codificados por cores 'azul' e 'verde', respectivamente. O movimento é gravado com a câmera do CCD. Resfriamento termoelétrico (TEC) é usado para refrigerar a amostra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 . Matriz plasmônico Nano, fabricado por E-feixe litografia. (um) marcador design usado para localizar e alinhar a amostra no escritor e-feixe. As dimensões do quadrado branco exterior são 22 mm x 22 mm, e o marcador anular a inserção tem diâmetro externo de 150 µm de diâmetro interno de 50 µm. (b) uma microscópio eletrônico de varredura (MEV) imagem de uma matriz de nanoplasmonic. Uma matriz quadrada simples de 22 x 22 nanodiscs é usada, e cada célula contém um nanodisc de espessura de 40 nm e diâmetro 550 nm com distância inter disc 750 nm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 . Única partícula trajetórias. As trajetórias das micropartículas extraídas usando o processamento de imagem são compiladas usando o algoritmo de centroide16 e exibida aqui. O poder ótico usado para excitação de ressonância plasmônico em 980 nm é de 5 mW. É exibida uma barra de escala de 2 µm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 . Imagem de um Cluster de micropartículas preso plasmônico Lattice ótico e acúmulo de micropartículas sobre o tempo em uma potência óptica de 5 mW. (um) fluorescência sucessiva imagens mostrando o acúmulo de micropartículas presos formando aglomerados. É exibida uma barra de escala branco de 4 µm. (b) número de micropartículas presos versus tempo, extraídos de (um). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Vídeo de 1. Interceptação de óptica e acúmulo de partículas de 2 µm partículas. O poder ótico usado para excitação de ressonância plasmônico em 980 nm é de 5 mW. Por favor clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)
Complementar a Figura 1. Fluxo de processo de nanofabricação da matriz Nanoplasmonic. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Complementar a Figura 2. Cenografia de refrigeração de amostra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Complementar a Figura 3. Circuito de driver para refrigeração de amostra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Complementar a Figura 4. Calibração de temperatura entre uma câmera infravermelha de futura e rtd termômetro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O procedimento descrito aqui permite que o leitor reproduzir confiantemente armadilhas em uma base diária. Uma orientação empírica geral para projetar um lattice ótico utilizável é usar um tamanho comparável para plasmônico nanoarray, distância interdisc e preso o tamanho de partícula. Comparado a um nanostructure plasmônico único, isolado, o projeto de estrutura óptica em conjunto com a alta potência óptica proporcionada pelo resfriamento da amostra a ~ 4 ° C, usado aqui grandemente aumenta a probabilidade de interceptação. Se bem separadas, plasmônico nanoestruturas são utilizadas como locais de caça, um precisa esperar por um longo tempo para a migração de micropartículas para o volume de captura eficaz perto os plasmônico nanoestruturas. Além disso, aumentando a distância de disco inter criticamente diminui a probabilidade de acúmulo de partículas. Nota que um pode também realizar o experimento de armadilhas com o retículo óptico plasmônico à temperatura, mas a potência óptica utilizável será muito limitada. Também, em baixa potência óptica, é preciso esperar por um longo tempo (~ 1h) para o evento de captura de micropartículas. Normalmente, ligar a câmera CCD para gravar o movimento da partícula e pegar o evento de captura dentro de alguns minutos. A potência do laser aplicável é tão alta quanto 10 mW. Em uma alta potência óptica, pode ser observada uma grande agregação de micropartículas.
O passo crítico para o sucesso neste trabalho é esfriar abaixo o plasmônico em uma frágil lamela e monitorar simultaneamente a temperatura da amostra. Nós escolhemos a câmera infravermelha para a frente olhando para medir a temperatura, porque tal uma medição sem contato reduz bastante a chance de ruptura da amostra. Alternativamente, um pode escolher a cola em um termômetro de tamanho pequeno e usá-lo para medir a temperatura em tempo real. O sistema de arrefecimento em conjunto com a medição de temperatura sem contato é geralmente aplicável para microscopia óptica em baixas temperaturas.
Embora a demonstração aqui é feita com partículas de micro-empresas, um pode prender nanopartículas por dimensionamento até o tamanho e espaçamento do nanodiscs de ouro. Até agora, aprisionando de nano-partículas com diâmetro tão pequeno quanto 100 nm tem sido demonstrada19. Isto, no entanto, não é o limite final da treliça plasmônico óptico. Além disso, nós usamos um longo trabalho objetivo de microscópio de distância para facilitar o projeto mecânico da fase de amostra. Melhor resolução de imagem pode ser conseguida substituindo-o por um objectivo de microscópio de imersão de óleo. Expandindo-se para baixo as dimensões de nanoestruturas a plasmônico, a captura de nano-partículas ainda menores também deve ser viável. 20 , 21
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Y. T. Y. gostaria de reconhecer o apoio do Ministério da ciência e tecnologia sob concessão números mais 105-2221-E-007-MY3 e da National Tsing Hua University sob concessão números 105N518CE1 e 106N518CE1 financeiro.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Thermoelectric cooling element | Thorlabs | TEC 1.4-6 | TEC element for sample cooling |
| RTD thermometer | Omega Engineering | RTD Thermometer 969C | |
| Forward looking infrared camera | FLIR | FLIR One | IR camera for temperature monitoring |
| light emitting diode light source | Touchbright | Light source for illumination for fluorescent imaging | |
| Long working distance objective | Olympus | LMPLFLN | For illuminating the sample and imaging |
| Optical trap kit | Thorlabs | OTKB/M | |
| Cover slip | thickness 0.17 mm | ||
| Scanning electron microscope | Hitachi | SEM-Hitachi S3400N | |
| Electron beam blanker | DEBEN | PCD beam blanker | the blanker is added to the scanning electron microscope |
| Thermal evaporator | SYSKEY Technology | ||
| Mask aligner | Karl Suss | MJB 3 | For marker fabrication |
| Electron beam resist | Sigma Alrich | PMMA 120K | For e-beam lithography |
| Electron beam resist | Sigma Alrich | PMMA 960K | For e-beam lithography |
| Fluoresent labeled polystyrene microspheres | Polyscience | 2 um diameter | |
| Bipolar transistor | Mouser | 2N3904 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| Bipolar transistor | Mouser | 2N3906 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| MOSFET power transistor | Mouser | IRF5305 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| MOSFET power transistor | Mouser | IRF131ON | quantity 2 for TEC driver circuit |
| 10 kOhm resistor | Mouser | quantity 6 for TEC driver circuit | |
| 910 Ohm resistor | Mouser | quantity 2 for TEC driver circuit | |
| Photoresist | Microchemicals | AZ4620 | For marker fabrication |
| Acetone | Sigma Alrich | For marker fabrication | |
| Fluorescence Module for the OTKB/M, Metric Threads | Thorlabs | OTKB-FL/M | |
| Fluorescent filter set | Thorlabs | MDF-FITC | For Fluorescein Isothiocyanate (FITC) |
| Ultrasonic cleaner | Delta | DC150H | For the lift off step |
References
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