Summary
我们描述了在 nanoplasmonic 光学晶格中光阱微粒子的过程。
Abstract
为了克服传统远场光学镊子的衍射极限, 研制了浆光学镊子。浆光学晶格由一组纳米结构组成, 它表现出各种俘获和传输行为。我们报告的实验程序, 捕获微粒子在一个简单的正方形 nanoplasmonic 光学晶格。我们还描述了 nanoplasmonic 阵列的光学设置和纳米。光学电位是通过照亮一组 980 nm 波长的高斯光束和令人兴奋的等离子体共振的金 nanodiscs 来产生的。通过荧光成像对颗粒的运动进行监测。此外, 还描述了一种抑制光热对流的方案, 以增加可用的光学功率, 从而获得最佳捕获。通过将试样冷却到低温, 并利用水介质的近零热膨胀系数, 实现了对流的抑制。这里报告了单粒子传输和多粒子捕获。
Introduction
微尺度微粒的光学捕获最初是由亚瑟在二十世纪七十年代代初提出的。自其发明以来, 该技术已被开发为微型和纳米1,2的多功能工具。传统的基于远场聚焦原理的光阱, 其空间约束中的衍射固有地受到限制, 其中俘获力显著减小 (在一个半径为粒子的a3定律之后)a)3. 为了克服这种衍射极限, 研究人员利用浆金属纳米结构, 开发了基于倏逝光场的近场光学俘获技术, 此外, 将纳米级物体捕获到单蛋白分子已被证明4,5,6,7,8,9,10,11。此外, 浆光学晶格是由周期性浆纳米结构的阵列创建的, 以赋予微纳米粒子和多粒子堆叠的长距离传输11,12。在光学晶格中干扰俘获的一个主要障碍是光热对流, 并已努力通过几个组14、15、16、17来阐明其效果。使用格林函数, Baffou et al.通过将每个浆纳米结构建模为点加热器来计算温度剖面, 然后通过实验验证了它们的模型14。汤森的小组也测量了等离子体诱导对流的粒子测速仪15。作者的小组也描绘了近场和对流运输并且显示了一项工程战略抑制光热对流16,17。
在这里, 我们提出了一个光学装置的设计和详细的程序, 专门用于诱捕实验浆光学晶格。光的潜力是通过照亮一组金 nanodiscs 与一个松散的聚焦高斯光束。这里还描述了一种通过将样品冷却到低温 (~ 4 ° c) 来抑制光热对流以获得最佳捕获的方案, 这里也介绍了17。在方程近似下, 由 u ~l2 gβΔT / v给出了自然对流速度u的数量级估计, 其中L是热源的长度刻度, δT是由于加热而引起的相对于参照的温度升高。 g和β分别是重力加速度和热膨胀系数。在接近4° c 的温度下, 水介质的密度表现出反常的温度依赖性, 这就转化为近零的热膨胀系数, 因此, 微乎其微小的光热效应对流。
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Protocol
1. 光学设置
注意: 光学设置的原理见图 1 。
- 按照它们的手册设置光学镊子套件 (参见 材料表 ) 和荧光模块 (参见 材料表 )。将 470 nm 蓝光发光二极管 (LED) 光源连接至荧光模组.
- 更换高数值孔径 (na) (na = 1.25, 放大倍数 100x) 油浸目标由一个长的工作距离 (wd) 显微镜目标 (焦距3.6 毫米, wd = 10.6 毫米, NA = 0.5).
- 卸下组装套件的光束扩展段中的透镜, 以实现激光束的松散聚焦.
- 启用波长为 980 nm 的激光二极管的电源和电流, 并使用带电耦合器件 (CCD) 摄像机来确保激光束正确对准.
注: 如果激光束是定向的, CCD 摄像机将会读取一个高斯点.
2。纳米
- 标记制作.
注意: 标记将有助于在制造过程和随后的陷印实验中定位 nanoplasmonic 阵列。详细的过程在 补充图 1 中说明。- 在厚度为 0.17 mm 的片上沉积 40 nm 氧化铟锡 (ITO) 薄膜.
注: ITO 薄膜将有助于在随后的电子束光刻过程中释放电子. - 自旋涂层8和 #181; m 层的正光刻胶与自旋速度 4000 rpm 和时间三十年代与旋转涂布机.
- 软烘烤样品在90和 #176; C 为 5 min, 并将样品与掩对齐, 并将样品暴露于八十年代的 UV 光器.
- 将样品浸泡在光刻胶显影液中 130s.
- 使用热蒸发将2纳米铬层和一层40纳米的金沉积在样品上。 18
- 将样品浸泡在丙酮中, 并将其放置在43赫和 150 W 的超声波清洗器中, 以进行5分钟的升降。
- 在厚度为 0.17 mm 的片上沉积 40 nm 氧化铟锡 (ITO) 薄膜.
- 制作 Nanoplasmonic 阵列
- 自旋涂层一层电子束抗 PMMA 120K, 自旋速度 5000 rpm 三十年代在旋转涂布机。烘烤样品在160和 #176; C 为3分钟在一个热的盘子.
- 自旋涂层的另一层电子束抵御 PMMA 960K 与自旋速度 5000 rpm 三十年代在一个旋转涂布机。烘烤样品在160和 #176; C 为3分钟在一个热的盘子.
- 使用电子束写入器以加速电压30伏和剂量 400 C/cm 2 来公开电子束抵抗.
- 在热蒸发器中沉积40纳米金层.
- 将样品浸泡在丙酮中, 并将其放在超声波清洗机中5分钟以进行升降.
3。样品冷却系统及其温度标定
注意: 在 补充图 2 中显示了示例冷却阶段的设计.
- 为采样冷却的驱动程序电路
- 将电阻、双极结点晶体管和电源金属氧化物场效应晶体管放在自定义电路板上, 按照 补充图3中的电路图进行操作.用烙铁焊接所有这些部件.
- 连接电路板控制端口和电子控制板之间的导线。连接电路板的输出端口和热电冷却 (TEC) 元件之间的导线。将 TEC 元素放在样品台上, 并热沉.
#8203; 注意: TEC 元素在中心有一个孔, 允许激光束通过. - 将电路板上的导线连接到 5 V 电源。使用 forward-looking 红外摄像机监视温度以检查热电冷却是否正确冷却.
- forward-looking 红外摄像机和电阻温度检测器 (RTD) 温度计中测量温度的校准。
- 将 rtd 温度计放在空白片上, 并在其上应用少量的热贴, 以确保 rtd 温度计和片之间有适当的热接触.
- 通过改变脉冲宽度调制设置的占空比, 将电子控制电路的输出功率设置更改为 TEC 元件, 并等待3分钟, 以确保达到稳定状态温度。使用 RTD 温度计读取温度.
- 打开前瞻式红外摄像机并监视温度。重复这个在不同的输出功率设置, 以获得温度校准曲线。有代表性的温度校准曲线显示在 补充图 4 中.
注意: 在 RTD 温度计和前向红外摄像机之间进行校准是至关重要的, 因为 forward-looking 红外摄像机的温度读数必须准确, 以确保达到正确的温度.
4。微粒捕集
- 将直径2和 #181 的微聚苯乙烯微粒稀释在去离子水中, microcentrifugetube 具有适当容积率.
注: 微颗粒浓度可根据实验目的进行调整。较低浓度允许单粒子俘获事件的采样时间间隔, 较高浓度将缩短多粒子捕获的时间。对于单粒子俘获, 典型浓度为 ~ 0.05% (w/v). - 将样品与 nanoplasmonic 阵列放在舞台上, 并打开 470 nm LED 作为荧光光源, 并手动将功率设置为5兆瓦的明亮场成像.
- 使用标记来定位 nanoplasmonic 阵列, 对齐样本, 并使用 CCD 摄像机确保阵列位于计算机屏幕上的感兴趣区域的中心.
- 免除10和 #181; L 对直径2和 #181 的稀释微粒子进行取样, 并在样品上使用微吸管.
- 打开当前电源到波长 980 nm 的激光二极管以激发阵列的浆共振, 其功率范围为1兆瓦至10兆瓦.
- 手动打开电子控制板上的电源以使样品冷却至稳定状态温度〜4和 #176; C.
- 在查看器软件中, 单击 #34; 录制视频和 #34; 序列以打开录制对话框。单击 "#34"; 记录和 #34; 按钮启动视频录制1.5 的微粒子的运动的帧速率为10帧/秒的影响下, 激光光束使用 CCD 相机。单击 #34; 停止和 #34; 按钮以停止录制。请参见 视频 1 .
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Representative Results
在我们的实验中记录了一个 CCD 摄像机的单粒子轨迹, 然后用一个自定义程序来处理图像, 以提取每个粒子的轨迹16。有代表性的结果显示在图 3 和视频 1中, 直径为2µm 的微球体. 观察了光学晶格内的多个粒子的修饰。从粒子的代表性运动视频中提取的连续图像显示在图 4中。对于直径2µm 的微粒, 可以看到微粒聚类形成了六角紧密填料结构。还可以通过关闭 TEC 元素来加热样品;由于光热对流, 观测到的俘获星团会分散。
图 1.光学装置示意图。
利用波长为 980 nm 的高斯光束激发浆的晶格样本, 从而产生俘获电位。波长 980 nm 的光纤耦合激光二极管穿过镜面 (M1), 通过长时间工作距离显微镜目标松弛聚焦, 激发浆样品。在 470 nm 的荧光激发下, 在发光二极管光源的作用下, 将荧光图像与分色镜 (DM) 和发射过滤器 (EF) 结合在一起。在 980 nm 的浆共振的激发光是颜色编码的 ' 粉红色 ' 和激发和发射光荧光成像是颜色编码 ' 蓝色 ', 和 ' 绿色 ', 分别。这项运动是用 CCD 摄像机记录的。热电冷却 (TEC) 用于冷却样品。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2.纳米浆阵列由电子束光刻制作.(a) 标记设计, 用于在电子束编写器中定位和对齐示例。外白色正方形的尺寸是22毫米 x 22 毫米, 并且内凹的环形标记有150µm 的外径和内径50µm. (b) nanoplasmonic 阵列的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。一个简单的正方形数组 22 x 22 nanodiscs 使用和每个单元单元包含一个 nanodisc 厚度 40 nm 和直径 550 nm 与 inter-disc 距离 750 nm。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3.单粒子轨迹.使用图像处理方法提取的微粒的轨迹是用质心算法16和这里显示的。用于浆共振激励的 980 nm 的光功率为5兆瓦。显示2µm 的刻度线。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4.一组微粒被困在浆的光学晶格中, 并在5兆瓦的光功率下随时间积累微粒的图像.(a) 连续的荧光图像显示被困微粒聚集形成簇。显示4µm 的白色刻度线。(b) 被捕获的微粒与时间的数量 (从a中提取)。请单击此处查看此图的较大版本.
视频1。2µm 粒子的光学俘获和粒子堆积 .用于浆共振激励的 980 nm 的光功率为5兆瓦。请单击此处查看此视频。(右键单击可下载.
补充图 1。Nanoplasmonic 阵列纳米的工艺流程。请单击此处查看此图的较大版本.
补充图 2。样品冷却阶段设计。请单击此处查看此图的较大版本.
补充图 3。用于样品冷却的驱动电路。请单击此处查看此图的较大版本.
补充图 4。rtd 温度计和前瞻性红外摄像机之间的温度校准。请单击此处查看此图的较大版本.
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Discussion
此处描述的过程使读者能够可靠地每天复制陷印。一个通用的经验指南, 设计一个可用的晶格是使用一个可比大小的浆阵, interdisc 距离, 和被困粒子的大小。与单一的, 孤立的浆纳米结构相结合, 光学晶格设计与高光功率所提供的冷却样品到〜4° c 使用, 大大提高了捕获概率。如果分离性好, 浆纳米结构被用作诱捕点, 你需要等待很长时间才能将微粒迁移到浆纳米结构附近的有效俘获体积中。同时, 增加 inter-disc 距离也会严重降低颗粒堆积的几率。请注意, 也可以在室温下用浆光学晶格进行陷印实验, 但可用的光功率将非常有限。此外, 在低光功率, 你需要等待很长的时间 (〜1小时) 的微粒捕集事件。通常情况下, 我们打开 CCD 摄像机来记录粒子运动, 并在几分钟内捕捉捕获事件。适用的激光功率高达10兆瓦。在高光功率下, 可以观察到大量的微粒聚集。
在这项工作中成功的关键步骤是冷却浆在脆弱的盖子滑动, 同时监测样品温度。我们选择了前瞻性的红外摄像机来测量温度, 因为这样的非接触测量大大降低了试样破损的几率。另外, 你可以选择胶水在一个小尺寸的温度计和使用它来测量的实时温度。该冷却系统与非接触测温一般适用于光学显微镜在低温。
尽管这里的演示是用微米粒子来完成的, 但你可以通过缩小金 nanodiscs 的大小和间距来捕获纳米颗粒。到目前为止, 捕获的直径小到100纳米的纳米粒子已经被证明19。然而, 这不是浆光学晶格的极限。此外, 我们还使用了一个长期的工作距离显微镜目的, 以减轻样品阶段的机械设计。更好的成像分辨率可以通过用油浸显微镜的物镜来代替。通过缩小浆纳米结构的尺寸, 甚至更小的纳米粒子的捕获也应该是可行的。20,21
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
y.t.y. 愿意承认科技部在赠款数量最多 105-2221-007-MY3 和国立清华大学的资助支持下, 105N518CE1 和106N518CE1。
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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