Summary
우리 nanoplasmonic 광학 격자에 마이크로 입자를 광학 트랩을 절차를 설명 합니다.
Abstract
Plasmonic 광학 족집게 기존의 멀리 분야 광학 족집게의 회절 한계를 극복 하기 위해 개발 되었습니다. 트랩 및 교통 행동의 다양 한 전시 하는 nanostructures의 배열을 plasmonic 광학 격자에 의하여 이루어져 있다. 우리 보고 트랩에서 간단한 사각형 nanoplasmonic 광학 격자 마이크로 입자를 실험 절차. 우리는 또한 광학 설치 및 nanoplasmonic 배열의 nanofabrication 설명합니다. 광학 잠재력 조명 980 nm 파장, 그리고 흥미로운 플라스몬 공명 가우스 빔과 금 nanodiscs의 배열에 의해 생성 됩니다. 입자의 모션은 형광 영상에 의해 모니터링 됩니다. Photothermal 대류를 억제 하는 체계 또한 최적의 트랩 가능한 광학 힘을 증가를 설명 합니다. 대류의 낮은 온도에 샘플을 냉각 물 매체의 0에 가까운 열 팽창 계수를 이용 하 여 이루어집니다. 단일 입자 전송 및 여러 입자 트랩 여기 보고 됩니다.
Introduction
마이크로 스케일 입자의 광학 트래핑 1970 년대 초반에 아서 요구에 의해 원래 개발 되었다. 그것의 발명 이후 기술은 마이크로 및 nanomanipulation1,2에 대 한 다양 한 도구로 개발 되었습니다. 기존의 광학 트래핑 멀리 필드에 따라 초점 원리는 본질적으로 제한 트래핑 포스 극적으로 감소 하는 어떤 점에서 그것의 공간 감 금에서 회절에 의해 (다음 한 ~반지름의 입자에 대 한3 법 한) 3. 이러한 회절 한계를 극복 하기 위해 연구원 근처-필드 광학 트래핑 기술을 사용 하 여 plasmonic 금속 nanostructures 사라져 광학 필드에 따라 개발 하 고, 또한, 나노 스케일의 트랩에 개체 단일 단백질 분자 되었습니다 시연된4,5,6,7,,89,10,11. 또한, plasmonic 광학 격자 마이크로-나노와 여러 입자 스태킹11,12의 장거리 수송을 수 여 하 주기 plasmonic nanostructures의 배열에서 만들어집니다. 광학 격자에 트래핑을 방해 한 주요 장애물이 photothermal 대류 이며 노력 만들어진 명료 하 게 그것의 효과를 여러 그룹14,15,,1617. 그린의 기능을 사용 하 여, Baffou 그 외 여러분 각 plasmonic nanostructure 포인트 히터로 모델링 하 여 온도 프로 파일을 계산 있고 그들의 모델14를 실험적으로 검증. Toussant의 그룹은 또한 입자 velocimetry15플라스몬 유도 된 대류를 측정 했다. 작가 그룹은 또한 특징 근처-필드와 convectional 전송 하 고 photothermal 대류16,17를 억제 하는 엔지니어링 전략 시연.
여기 우리 plasmonic 광학 격자와 광학 설치 및 특히 트래핑 실험에 대 한 자세한 절차의 디자인을 제시. 광학 잠재력 조명 느슨하게 집중된 가우스 빔과 금 nanodiscs의 배열을 만들었습니다. 최적의 트래핑에 대 한 샘플 (~ 4 ° C) 낮은 온도를 아래로 냉각 하 여 photothermal 대류를 억제 하는 체계는 또한 설명 여기17. Boussinesq 근사에서 자연 대류 속도 u 에 대 한 예상 작업량은 u에 의해 주어진 ~L2 gβΔT / v, L 가 열 소스와 Δ의 길이 규모 T 는 참조 난방 때문에 상대적으로 증가 하는 온도입니다. g 와 β 는 중력 가속도 및 열팽창 계수, 각각입니다. 온도 4 ° c에서 물 매체의 밀도 비정상적인 온도 전시 하 고이 0에 가까운 열 확장 계수 및, 따라서, vanishingly 작은 photothermal 대류로 변환 합니다.
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Protocol
1. 광학 설치
참고: 광학 설치의 원리는 그림 1에 나와.
- 광학을
- 설정 트위터 키트 (재료의 표 참조) 및 형광 모듈 (재료의 표 참조) 그들의 설명서에 따라. 470 nm 빛 발광 다이오드 (LED) 빛 푸른 소스 형광등 모듈에 연결.
- 높은 수 가늠 구멍 (NA)를 대체 (NA = 1.25, 배율 100 배) 긴 작업에 의해 기름 침수 목표 (WD) 현미경 목표 거리 (초점 거리 3.6 m m, WD 10.6 m m, NA = 0.5 =).
- 느슨한 레이저 광선의 초점을 달성 하기 위해 조립된 키트의 빔 확장 섹션에 렌즈를 제거.
- 차례 전원 공급 장치 및 레이저에 대 한 전류 다이오드 파장 980 nm의 사용은 충전된 결합 장치 (CCD) 카메라 레이저 빔 제대로 정렬 되도록.
참고: 레이저 빔 잘 정렬 된 경우에, CCD 카메라 읽을 것 이다 가우스 자리.
2. Nanofabrication
- 마커 제조.
참고: 마커 제조 공정 및 후속 트래핑 실험 하는 동안 nanoplasmonic 배열 하려면 데 도움이 됩니다. 자세한 과정은 보충 그림 1에 나와 있습니다. - 보증금 40 nm 인듐 주석 산화물 (ITO) 필름 두께 0.17 mm 스퍼터 링의 coverslip에
- .
참고: ITO 필름 후속 전자 빔 리소 그래피 과정 전자 방전 도움이 될 것입니다. - 스핀 코트 8 µ m 층이 스핀과 긍정적인 감광 속도 4000 rpm 및 스핀 coater 시간 30 s.
- 소프트 빵을 5 분 동안 90 ° C에 샘플 마커 포토 마스크와 함께 샘플을 정렬 하 고 샘플 80에 대 한 자외선을 노출 마스크 동기 기에서 s.
- 130 감광 개발자에 샘플을 담가 s.
- 크롬의 2 nm 층 및 열 증발을 사용 하 여 샘플에 황금의 40 nm 층 입금. 18
- 아세톤에 샘플을 흡수 하 고는 초음파 청소기 작동 43 및 150 W 5 분에 대 한 리프트에서 배치
- 스핀 코트의 전자 빔 레이어 저항 회전 속도와 PMMA 120 K 30에 대 한 5000 rpm 스핀 coater에 s. 뜨거운 접시에 3 분 동안 160 ° C에서 샘플 빵.
- 스핀 코트 전자 빔 레지스트 스핀 속도와 PMMA 960 K의 또 다른 레이어 30 5000 rpm 스핀 coater에 s. 뜨거운 접시에 3 분 동안 160 ° C에서 샘플 빵.
- 전자 빔 폭을 사용 하 여 전자 빔 작가 저항 가속 전압 30 kV 및 복용량 400 C/c m 2.
- 열 증발 기에서 금 40 nm 레이어 예금.
- 아세톤에 샘플을 담근 다 고 리프트에서 대 일 분 동안 초음파 세탁 기술자 배치
3. 냉각 시스템 및 그것의 온도 보정 샘플
참고: 무대 디자인을 냉각 하는 샘플 보충 그림 2에 표시 됩니다.
- 샘플 냉각
- 장소, 바이 폴라 접합 트랜지스터, 저항과 전원 금속 산화물 필드 효과 트랜지스터 보충 그림 3의 회로 다이어그램을 따라 사용자 지정 회로 기판에 대 한 드라이버 회로 만들기 . 납땜 인 두와 함께 이러한 모든 부품을 솔더.
- 연결 회로 보드의 제어 포트와 전자 제어 보드와 전선. Thermoelectrical 냉각 (TEC) 요소 및 회로 보드의 출력 포트 사이의 와이어를 연결 합니다. 히트싱크로 샘플 단계에 TEC 요소를 배치.
참고:는 TEC 요소 레이저 빔을 통해 갈 수 있도록 중앙에 구멍에. - 연결 와이어 회로 보드에서 5 V 전원 공급 장치. 적극적인 적외선 카메라를 사용 하 여 확인 경우 thermoelectrical 냉각은 제대로 냉각 온도 모니터링.
- 적극적인 적외선 카메라와 저항 온도 발견자 (RTD) 온도계 측정 온도 보정.
- 빈 coverslip에 RTD 온도계를 놓고 RTD 온도계와 coverslip 사이의 적절 한 열 접촉 되도록 그것에 열 붙여넣기의 작은 금액을 적용.
- 펄스 폭 변조 설정의 듀티 사이클을 변경 하 여 TEC 요소에 전자 제어 회로의 출력 전원 설정을 변경 하 고 정상 상태 온도 도달 되도록 3 분까지 기다립니다. 온도 RTD 온도계를 사용 하 여 읽기.
- 차례 앞으로 보이는 적외선 카메라와 모니터 온도에. 온도 보정 곡선을 얻기 위해 다양 한 출력 전원 설정에서이 반복 합니다. 대표적인 온도 보정 곡선은 보충 그림 4에 표시 됩니다.
참고: RTD 온도계와 앞으로 적외선 카메라 사이의 교정 앞 적외선 카메라의 온도 판독값 올바른 온도 도달할 수 있도록 정확 해야 하기 때문에 할 것이 결정적 이다.
4. 미의 트래핑
- Dilute 마이크로 폴리스 티 렌 입자의 적절 한 볼륨 비율 microcentrifugetube 이온된 수 µ m 직경 2.
참고: 마이크로 입자의 농도 실험의 목적에 따라 조정할 수 있습니다. 낮은 농도 단일 입자 트랩 이벤트 간의 샘플 시간 간격을 수 있으며, 높은 농도 여러 입자 트랩 시간을 단축 됩니다. 단일 입자 트랩에 대 한 전형적인 농도 ~0.05% (w/v). - 무대에 nanoplasmonic 배열 샘플을 넣어 고는 470에 형광 광원으로 LED 및 수동으로 전원을 5 설정 밝은 필드 이미징 mW.
- 마커를 사용 하 여 nanoplasmonic 배열의 찾을 샘플, 정렬 하 고 CCD 카메라를 사용 하 여 배열이 컴퓨터 화면에 대 한 관심의 영역 중심에 있는지 확인 하십시오.
- 마이크로 피 펫으로 샘플에 직경 2 µ m의 희석된 마이크로 입자의 분배 10 µ L.
- 자극 10 ~ 1 mW에 전원 배열의 plasmonic 공명 파장 980 nm의 레이저 다이오드를 현재 공급 설정 mW.
- 정상 상태 온도 ~ 4 ° c.에 샘플을 전자 제어 보드에 전원 공급 장치에 수동으로 설정
- 뷰어 소프트웨어에서 클릭는 " 기록 비디오 " 시퀀스 기록 대화 상자를 엽니다. 클릭은 " 기록 " CCD 카메라를 사용 하 여 레이저 광선의 영향 아래 샘플에 1.5 10 프레임/s의 프레임 속도 마이크로 입자의 동의의 녹화 비디오를 시작 하는 버튼. 클릭은 " 중지 " 녹음 중지 버튼을. 동영상 1을 참조 하십시오.
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Representative Results
단일 입자 궤적 우리의 실험에서 CCD 카메라에 의해 기록 되었다 하 고 이미지 각 입자의 궤적16를 추출 하는 사용자 지정 프로그램으로 처리 했다. 대표 결과 그림 3 에 비디오 1 직경 2 µ m. 광학 격자 안에 여러 입자 치장 관찰 했다 마이크로 분야에 대 한 표시 됩니다. 입자의 대표적인 모션 비디오에서 추출 하는 연속 된 이미지는 그림 4에 표시 됩니다. 직경 2 μ m의 미에 대 한 미의 클러스터링 형성은 6 각형 가까운 포장 (hcp) 구조를 볼 수 있습니다 하나. 샘플 수 있습니다 또한 데워 질 TEC 요소; 해제 하 여 관찰된 갇혀 클러스터 photothermal 대류로 인해 분산 것 이다.
그림 1 . 광학 설치의 회로도
980의 파장을 가진 가우스 빔 nm 잠재적인 트래핑을 만드는 plasmonic 광학 격자 샘플을 자극 하는 데 사용 됩니다. 거울 (M1), 통과 하는 파장 980 nm의 레이저 섬유 결합 다이오드 느슨하게 긴에 의해 집중 되 면 거리 현미경 목표, 작업 및 plasmonic 샘플을 흥분. 형광 이미지 dichroic 거울 (DM) 및 470에 형광 여기에서 방출 필터 (EF)와 함께에서 같은 목적으로 찍은 nm 발광 다이오드 광원에서에서. 여기 빛 980 nm plasmonic 공명에 대 한 색상 코딩 '핑크' 이며 여기 및 형광 이미징 빛 방출은 코드화 되어 서 컬러 '블루', 그리고 '녹색', 각각. 모션은 CCD 카메라와 함께 기록 됩니다. Thermoelectrical 냉각 (TEC) 샘플을 진정 하는 데 사용 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2 . 나노 Plasmonic 배열 전자 빔 리소 그래피에 의해 조작. (한) 표식 디자인 찾아서 전자 빔 작가에 샘플을 정렬 하는 데 사용. 외부 흰색 사각형의 크기는 22 m m x 22 m m, 고는 삽입에 고리 모양의 마커는 150 µ m의 외경 및 내경 50 µ m. (b) A 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 이미지는 nanoplasmonic 배열. 22 x 22 nanodiscs의 간단한 사각형 배열 사용 되 고 각 단위 셀 두께 40 nm와 간 디스크 거리 750 nm 직경 550 nm의 한 nanodisc 포함 되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 . 단일 입자 궤적. 이미지 처리를 사용 하 여 추출 하는 미의 궤도 중심 알고리즘16 을 사용 하 고 여기에 표시 컴파일됩니다. 980에 plasmonic 공명 여기에 사용 되는 광 파워 nm는 5 mW. 2 µ m의 눈금 막대 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 . 광학 격자와 5의 광학 힘에 미 이상 시간의 축적 미의 클러스터의 이미지는 Plasmonic에 갇혀 mW. 클러스터를 형성 하는 덫을 놓은 미의 축적을 보여주는 (는) 연속 형광 이미지. 4 µ m의 백색 눈금 막대 표시 됩니다. (b) (a)에서 추출 시간, 대 함정된 미 수. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
비디오 1입니다. 광학 트랩 및 2의 입자 축적 µ m 입자. 980에 plasmonic 공명 여기에 사용 되는 광 파워 nm는 5 mW. 이 비디오를 보려면 여기 클릭 하십시오 (다운로드 오른쪽 클릭.)
보충 그림 1. Nanoplasmonic 배열의 Nanofabrication의 프로세스 흐름입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
보충 그림 2. 샘플 무대 디자인을 냉각입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
보충 그림 3. 샘플 냉각에 대 한 드라이버 회로입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
보충 그림 4. 온도 rtd 온도계와 Forward-Looking 적외선 카메라 구경 측정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
여기에 설명 된 절차에는 안정적으로 매일 트래핑을 재현 하는 독자 수 있습니다. 사용 가능한 광학 격자 디자인 일반적인 경험적 지침 plasmonic nanoarray, interdisc 거리에 대 한 유사한 크기를 사용 하 고 갇혀 입자 크기. 하나의 분리 된 plasmonic nanostructure에 비해 높은 광 출력을 크게 여기 사용 ~ 4 ° C에 샘플을 냉각 하 여 여유와 함께에서 광학 격자 디자인 트래핑 확률을 향상 시킵니다. 잘 분리, plasmonic nanostructures 트래핑 사이트로 사용 하는 경우 하나의 효과적인 트랩핑 볼륨 plasmonic nanostructures 근처에 미의 마이그레이션에 대 한 오랜 시간을 기다릴 필요 합니다. 또한, 비판적으로 간 디스크 거리 증가 입자 축적의 확률을 감소 한다. 참고 한도 실 온에서 사용 가능한 광 파워 plasmonic 광학 격자와 트랩 실험을 수행할 수 있습니다 매우 제한 될 것입니다. 또한, 낮은 광 파워에 하나 오랜 시간 동안 기다릴 필요가 (~ 1 시간) microparticle 트래핑 이벤트에 대 한. 일반적으로, 우리가 입자 동작을 기록 하 고 몇 분 이내 트래핑 이벤트를 선택 하는 CCD 카메라를 켭니다. 해당 레이저 전원이 10로 높은 mW. 높은 광 출력에 미의 큰 집계를 볼 수 있습니다.
중요 한 단계가이 작품의 성공을 냉각은 깨지기 쉬운 커버 슬립에 plasmonic 고 동시에 시료의 온도 모니터링. 온도 측정 하는 이러한 비 접촉 측정 샘플 파손의 기회를 크게 줄일 수 있기 때문에 앞으로 적외선 카메라를 선택 했습니다. 또는, 하나는 소형 온도계에 접착제를 사용 하 여 실시간으로 온도 측정 선택할 수 있습니다. 비 접촉 온도 측정 함께 냉각 시스템은 낮은 온도에서 광학 현미경에 대 한 일반적으로 적용 됩니다.
여기 데모 미크론 크기의 입자와 함께 이루어집니다, 하지만 하나 둘 다 크기를 축소 및 금 nanodiscs의 간격에 의해 나노 입자를 트래핑할 수 있습니다. 지금까지, 직경 100 작은 나노 입자의 트래핑 nm 시연된19되었습니다. 그러나 이것은,, 하지 plasmonic 광학 격자의 궁극적인 제한입니다. 또한, 우리는 긴 사용 샘플 무대의 기계 설계를 쉽게 하기 위해 작업 거리 현미경 목표. 영상에서 더 나은 해상도 기름 침수 현미경 목표와 그것을 대체 하 여 얻을 수 있습니다. Plasmonic nanostructures의 크기를 축소 하 여 더 작은 나노 입자의 트래핑도 가능 해야 합니다. 20 , 21
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
Y. 토니 Y. 자금 지원을 과학과 기술 부여 번호 가장 105-2221-E-007-MY3 아래와 보조금 번호 105N518CE1 및 106N518CE1에서 국립 소 천 Hua 대학에서 인정 하 고 싶습니다.
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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