Summary
Nous décrivons une procédure pour intercepter optiquement micro-particules dans nanoplasmonic réseau optique.
Abstract
La pince optique plasmonique a été développé pour pallier les limites de la diffraction de la pince optique traditionnelle en champ lointain. Plasmoniques trellis optique se compose d’un tableau de nanostructures, qui présentent une variété de piégeage et des comportements de transport. Nous rapportons les procédures expérimentales pour piéger des micro particules dans un réseau optique simple nanoplasmonic carrés. Nous décrivons également la configuration optique et la nanofabrication d’un tableau de nanoplasmonic. Le potentiel optique est créé en éclairant un tableau d’or nanodiscs avec un faisceau gaussien de longueur d’onde de 980 nm et passionnant de résonance plasmonique. Le mouvement des particules est contrôlé par imagerie de fluorescence. Un schéma à supprimer photothermique convection décrit également pour augmenter la puissance optique utilisable pour la récupération optimale. Suppression de la convection est obtenue par refroidissement de l’échantillon à une température basse et en utilisant le coefficient de dilatation thermique proche de zéro d’un milieu d’eau. Les transport de particules uniques et multiples piégeage de particules sont rapportés ici.
Introduction
Le piégeage optique de particules de petite échelle a été initialement développé par Arthur Askin dans les années 1970. Depuis son invention, la technique a été développée comme un outil polyvalent pour les micro - et nanomanipulations1,2. Conventionnel optique piégeage basé sur le champ-mise au point de principe est intrinsèquement limitée par la diffraction dans son confinement spatial, dans lequel la force de piégeage diminue considérablement (suivant un ~undroit de3 pour une particule de rayon un) 3. pour surmonter ces limites de diffraction, les chercheurs ont développé des techniques de piégeage optique en champ proche basés sur champ évanescent optique utilisant des nanostructures métalliques plasmoniques et, en outre, le piégeage des nano objets vers le bas pour molécules protéiques unique a été démontrée4,5,6,7,8,9,10,11. En outre, le réseau optique plasmonique est créé à partir tableaux de nanostructures plasmoniques périodique de conférer le transport à distance des micro - et nanoparticules et plusieurs particules empilement11,12. Un des principaux obstacles pour perturber le piégeage dans un réseau optique sont photothermique convection et s’est efforcé d’élucider ses effets par plusieurs groupes14,15,16,17. En utilisant la fonction de Green, baffoué et coll. ont calculé un profil de température en modélisant chaque nanostructure plasmonique comme un radiateur de point et puis expérimentalement validé leur modèle14. Groupe de toussant a également mesuré la convection induite par plasmon avec particule vélocimétrie par15. L’auteur a également caractérisé transport contigu et convection et démontré une stratégie d’ingénierie pour supprimer photothermique convection16,17.
Nous présentons ici la conception d’un montage optique et une procédure détaillée spécifiquement pour des expériences de piégeage avec treillis optique plasmoniques. Le potentiel optique a été créé en éclairant un tableau d’or nanodiscs avec un faisceau gaussien faiblement concentré. Un régime pour réprimer la convection photothermique en refroidissant l’échantillon à une température basse (~ 4 ° C) pour la récupération optimale est aussi décrire ici17. Aux termes de l’approximation de Boussinesq, une estimation de l’ordre de grandeur de vitesse de convection naturelle u est donnée par u ~L2 gβΔT / v, où L est l’échelle de la longueur de la source de chaleur et Δ T est l’augmentation de la température par rapport à la référence à cause du réchauffement. g et β sont l’accélération gravitationnelle et coefficient de dilatation thermique, respectivement. À des températures proches de 4 ° C, la densité de l’eau milieu montre la dépendance en température anormale et cela se traduit par un coefficient de dilatation thermique proche de zéro et, partant, une convection photothermique ridiculement faible.
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Protocol
1. Configuration optique
Remarque : le principe de la configuration optique est illustré à la Figure 1.
Kit de pinces- set up l’optique (voir la Table des matières) et le module de fluorescence (voir Table des matières) selon leurs manuels. Connectez une source de nm bleu lumière émettant de la lumière de la diode électroluminescente (del) 470 dans le module fluorescent.
- Remplacer la grande ouverture numérique (NA) (NA = 1,25, grossissement x 100) objectif à immersion d’huile par un travail de longue distance objectif de microscope (WD) (focale 3,6 mm, WD = 10,6 mm, NA = 0,5).
- Retirez la lentille dans la section d’extension de faisceau du kit assemblé pour atteindre lâche de focalisation du faisceau laser. Diode
- tournant sur l’alimentation et le courant pour le laser de longueur d’onde de 980 nm et l’utilisation de l’accusé couplée (CCD) appareil pour s’assurer que le faisceau laser est bien aligné.
Remarque : Si le faisceau laser est bien aligné, la caméra CCD lira une tache gaussienne.
2. Nanofabrication
Fabrication de marqueur- .
NOTE : Marqueurs vont aidera à placer le tableau de nanoplasmonic pendant le processus de fabrication et l’expérimentation ultérieure de piégeage. Le processus détaillé est illustré figure1 supplémentaire.- Film d’oxyde d’étain (ITO) d’indium dépôt 40 nm sur une lamelle d’Epaisseur 0,17 mm bredouillement.
NOTE : Le film de ITO aideront à décharger des électrons durant le processus de lithographie par faisceau électronique ultérieure. - Spin enduire d’une couche de 8 µm de photorésine positive avec essorage vitesse 4000 tr/min et temps 30 s avec une coucheuse spin.
- Doux, cuire au four de l’échantillon à 90 ° C pendant 5 min et aligner l’échantillon avec le photomasque pour marqueur et exposer l’échantillon aux UV pour 80 s dans l’aligneur de masque.
- Tremper l’échantillon dans le développeur de résine photosensible pour 130 s.
- Déposer une couche de 2 nm de chrome et une couche de 40 nm d’or sur l’échantillon à l’aide d’évaporation thermique. 18
- tremper l’échantillon dans de l’acétone et le placer dans un fonctionnement nettoyeur ultrasonique à 43 kHz et 150 W pendant 5 min pour lift off.
- Film d’oxyde d’étain (ITO) d’indium dépôt 40 nm sur une lamelle d’Epaisseur 0,17 mm bredouillement.
- Fabrication de tableau Nanoplasmonic
- manteau une couche de faisceau électronique de Spin résister à PMMA 120K avec vitesse de rotation 5000 tr/min pendant 30 s sur une coucheuse spin. Cuire au four de l’échantillon à 160 ° C pendant 3 min sur une plaque chauffante.
- Spin enduire une autre couche de résistent e-faisceau PMMA 960K avec vitesse de rotation 5000 tr/min pendant 30 s sur une coucheuse spin. Cuire au four de l’échantillon à 160 ° C pendant 3 min sur une plaque chauffante.
- Écrivain e-faisceau utilisation d’exposer le faisceau électronique résistent avec accélération tension 30 kV et dosage 400C/cm 2.
- Déposer une couche de 40 nm d’or dans un évaporateur thermique.
- Faire tremper l’échantillon dans de l’acétone et le placer dans un nettoyeur à ultrasons pendant 5 min pour lift off.
3. Exemple de système de refroidissement et son étalonnage de température
Remarque : l’échantillon scénographie de refroidissement est illustré Figure supplémentaire 2.
- Faire le circuit pilote pour échantillon de refroidissement
- Place les résistances, transistors à jonction bipolaire et transistors d’effet de champ électrique d’oxyde métallique sur le circuit personnalisé en suivant le schéma de câblage supplémentaire Figure 3 . Tous ces composants avec fer à souder de soudure.
- Connecter des câbles entre le port de contrôle du circuit imprimé et le tableau de commande électronique. Brancher les fils entre le port de sortie du circuit imprimé et thermoélectrique dissipateur (TEC). Placer l’élément TEC sur la scène de l’échantillon avec chaleur naufrage.
Remarque : élément de la TEC a un trou au Centre pour permettre le faisceau laser de passer par.
Bloc d’alimentation - raccorder les fils du circuit à 5 V. La caméra infrarouge permet de contrôler la température pour vérifier si le refroidissement thermoélectrique correctement refroidit.
- Étalonnage de température mesurée dans la prospective caméra et résistance température détecteur (RTD) thermomètre infrarouge.
- Placer le thermomètre de RDT sur une lamelle de Vierge et appliquez une petite quantité de pâte thermique sur elle pour assurer le bon contact thermique entre le thermomètre RTD et lamelle.
- Changer le réglage de puissance de sortie du circuit de commande électronique en élément de TEC en changeant le cycle du paramètre de pulse width modulation et attendre 3 minutes pour s’assurer que la température de l’état d’équilibre est atteinte. Lire la température avec le thermomètre RTD.
- Tourner la caméra infrarouge regardant vers l’avant et surveiller la température. Répétez cette procédure à différents paramètres de puissance de sortie pour obtenir la courbe d’étalonnage de température. Une courbe d’étalonnage de température représentative est illustrée Figure supplémentaire 4.
Remarque : Il est crucial de faire l’étalonnage entre thermomètre de RDT et la caméra infrarouge vers l’avenir parce que la lecture de la température de la caméra infrarouge doit être précise afin d’assurer la bonne température est atteinte.
4. Piégeage de microparticules
- diluer micro particules de polystyrène de µm de diamètre 2 dans l’eau déionisée dans un microcentrifugetube avec rapport de volume suffisant.
Remarque : La concentration de microparticules peut être ajustée selon l’objectif de l’expérience. Alors que la plus faible concentration permet un intervalle de temps d’échantillon entre les événements de piégeage de particules uniques, une concentration plus élevée raccourcira le temps de piégeage de particules multiples. Pour la récupération d’une seule particule, une concentration typique est ~0.05% (p/v). - Mettre l’échantillon avec tableau nanoplasmonic sur la scène et allumez un 470 nm LED comme source lumineuse fluorescence et définir manuellement la puissance de 5 mW pour l’imagerie champ lumineux.
- Utilisez le marqueur pour localiser le tableau nanoplasmonic, aligner l’échantillon et la caméra CCD pour s’assurer que le tableau est au centre de la région d’intérêt sur l’écran d’ordinateur.
- Distribuer 10 µL des dilués micro particules de diamètre 2 µm sur l’échantillon avec une pipette micro.
- Allumez l’alimentation en courant de la diode laser de longueur d’onde de 980 nm pour exciter la résonance plasmonique du tableau avec une puissance dans la gamme ~ 1 mW à 10 mW.
- Activer manuellement l’alimentation de l’électronique de contrôle des stupéfiants pour refroidir l’échantillon à un état d’équilibre température ~ 4 ° C.
- Dans le logiciel de visualisation, cliquez sur le " vidéo record " séquence pour ouvrir la boîte de dialogue enregistrement. Cliquez sur le " dossier " bouton pour lancer la vidéo enregistrement 1,5 de la motion des micro particules à une cadence de 10 images/s sur l’échantillon sous l’influence du faisceau laser à l’aide de la caméra CCD. Cliquez sur le " stop " le bouton pour arrêter l’enregistrement. Voir la vidéo 1.
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Representative Results
Trajectoires de particules uniques ont été enregistrées par une caméra CCD dans notre expérience, et les images sont ensuite traitées avec un programme personnalisé pour extraire trajectoire16 de chaque particule. Résultats représentatifs sont affichés dans la Figure 3 et 1 vidéo pour micro-sphères d’un diamètre de 2 µm. multiples atours de particules à l’intérieur du réseau optique ont été observés. Images successives extraites d’une vidéo de mouvement représentatif de la particule sont affichés dans la Figure 4. Des microparticules de µm de diamètre 2, on peut voir le regroupement des microparticules formé un hexagonal fermer emballé structure (hcp). L’échantillon peut également être réchauffé en désactivant l’élément TEC ; le cluster piégé observé se disperse en raison de la convection photothermiques.
Figure 1 . Schéma de la configuration optique.
Un faisceau gaussien avec longueur d’onde de 980 nm est utilisé pour exciter l’échantillon plasmoniques trellis optique pour créer le piégeage potentiels. Une diode laser fibre couplés d’onde de 980 nm traverse le miroir (M1), obtient lâchement porté par un long travail objectif de microscope de distance et excite l’échantillon plasmonique. L’image fluorescente est pris avec le même objectif en collaboration avec miroir dichroïque (DM) et le filtre d’émission (EF) sous l’excitation fluorescente à 470 nm de source lumineuse diode électroluminescente. L’excitation lumineuse à 980 nm pour la résonance plasmonique est codé en couleur « rose » et de l’excitation et l’émission lumineuse pour l’imagerie de fluorescence sont codées par couleur « bleu » et « vert », respectivement. Le mouvement est enregistré avec la caméra CCD. De refroidissement thermoélectrique (TEC) est utilisée pour refroidir de l’échantillon. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 . Nano plasmoniques tableau fabriquée par lithographie par faisceau électronique. (un) marqueur design permet de localiser et d’aligner l’échantillon dans l’écrivain e-faisceau. Les dimensions du carré blanc extérieur sont 22 mm x 22 mm, et le marqueur annulaire dans l’encart a un diamètre extérieur de 150 µm et diamètre intérieur de 50 µm. (b) microscope électronique à balayage (SEM) image A d’un tableau de nanoplasmonic. Un simple tableau carré de 22 x 22 nanodiscs est utilisé et chaque cellule contienne un nanodisc d’épaisseur 40 nm et diamètre 550 nm avec distance inter-disque 750 nm. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 . Single Particle trajectoires. Les trajectoires des microparticules extraites à l’aide de traitement de l’image sont compilés à l’aide de l' algorithme de centroïde16 et affichées ici. La puissance optique utilisée pour l’excitation de la résonance plasmonique à 980 nm est de 5 mW. Une barre d’échelle de 2 µm est affichée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 . Image d’une grappe de microparticules piégé dans plasmoniques trellis optique et Accumulation de microparticules fil du temps à une puissance optique de 5 mW. (un) fluorescence successifs des images montrant l’accumulation de microparticules piégés formant des grappes. Une barre d’échelle blanche de 4 µm est affichée. (b) nombre de microparticules piégés par rapport au temps, extraites de (un). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Vidéo 1. Piégeage optique et l’Accumulation de particules de 2 particules µm. La puissance optique utilisée pour l’excitation de la résonance plasmonique à 980 nm est de 5 mW. S’il vous plaît cliquez ici pour voir cette vidéo. (Clic droit pour télécharger.)
Supplémentaire Figure 1. Flux de processus de Nanofabrication du tableau Nanoplasmonic. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Supplémentaires Figure 2. Échantillon de scénographie de refroidissement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Supplémentaire Figure 3. Circuit de commande pour le refroidissement de l’échantillon. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Supplémentaires Figure 4. Calibrage de la température entre un rtd thermomètre et Forward-Looking Infrared Camera. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
La procédure décrite ici permet au lecteur de façon fiable reproduire piégeage sur une base quotidienne. Règle empirique générale pour concevoir un réseau optique utilisable est d’utiliser une taille comparable pour plasmonique nanoarray, distance interdisc et pris au piège de la taille des particules. Par rapport à une nanostructure plasmonique seule, isolée, la conception de réseau optique en conjonction avec la puissance optique élevée offerte par refroidissement de l’échantillon à ~ 4 ° C utilisé ici grandement augmente la probabilité de piégeage. Si bien séparées, plasmoniques nanostructures sont utilisées comme sites de piégeage, il faut attendre longtemps pour la migration des microparticules dans le volume de piégeage efficace près les nanostructures plasmoniques. Aussi, augmentant la distance inter-disque critique diminue la probabilité de l’accumulation de particules. Remarque que l'on peut également effectuer l’expérience de piégeage avec le treillis plasmonique optique à température ambiante, mais la puissance optique utilisable sera très limité. En outre, à faible puissance optique, il faut attendre un certain temps (~ 1 h) pour l’événement de piégeage de microparticules. En règle générale, nous passons sur la caméra CCD d’enregistrer le mouvement de la particule et ramasser l’événement de piégeage en quelques minutes. La puissance du laser applicable est plus élevée que 10 mW. Une puissance optique élevée, on peut observer une grande agrégation de microparticules.
L’étape critique pour le succès dans ce travail est refroidir vers le bas la plasmonique sur une lamelle couvre-objet fragile et contrôler simultanément la température de l’échantillon. Nous avons choisi la caméra infrarouge vers l’avenir pour mesurer la température, car une telle mesure sans contact réduit considérablement le risque de rupture de l’échantillon. Alternativement, on peut choisir de coller sur un thermomètre de petite taille et il permet de mesurer la température en temps réel. Le système de refroidissement ainsi que de la mesure de température sans contact est généralement applicable pour la microscopie optique à basse température.
Bien qu’ici, la démonstration est faite avec particules micron, un capable d’intercepter des nanoparticules par la révision à la baisse les deux la taille et espacement de l’or nanodiscs. Jusqu'à présent, piégeage des nanoparticules avec diamètre d’aussi peu que 100 nm a été démontrée19. Cependant, ce n'est pas la limite ultime du réseau optique plasmonique. En outre, nous avons utilisé un long travail objectif de microscope distance afin de faciliter la conception mécanique de la scène de l’échantillon. Meilleure résolution en imagerie peut être obtenue en la remplaçant par un objectif microscope à immersion d’huile. En réduisant les dimensions des plasmoniques nanostructures, le piégeage des nanoparticules encore plus petits devrait également être possible. 20 , 21
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Y. T. Y. tient à remercier le Fonds de soutien du ministère de la Science et technologie sous numéros de subvention plus 105-2221-E-007-MY3 et de la National Tsing Hua University sous concession numéros 105N518CE1 et 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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