Summary
我々 は光 nanoplasmonic 光格子中の微小粒子をトラップするための手順について説明します。
Abstract
プラズモニック光ピンセットは、従来遠方の光ピンセットの回折限界を克服するために開発しました。プラズモニック光格子は、様々 なトラップやトランスポートの動作を表わすナノ構造体の配列で構成されています。単純な正方形 nanoplasmonic 光格子中の微小粒子をトラップする実験の手順を報告する.光のセットアップでは、nanoplasmonic 配列のナノ加工について述べる。光学ポテンシャルが 980 nm の波長とエキサイティングなプラズモン共鳴のガウスビームによる金 nanodiscs の配列の照明によって作成されます。粒子の運動は、蛍光イメージングによって監視されます。最適なトラップに使用可能な光学力を高める光熱対流を抑制する方式を述べる.対流の抑制は低温冷却水媒体のゼロに近い熱膨張係数を利用して実現されます。単一粒子輸送と複数の粒子の捕集は、ここで報告されます。
Introduction
微小粒子の光学トラップはもともと、1970 年代初頭にアーサー Askin によって開発されました。その発明以来、技術をマイクロ ・ ナノマニピュレーション1,2のための多目的なツールとして開発しました。従来光トラップ、遠方に基づく原理本質的にによって制限されます前記捕捉力が大幅に低下、その空間的閉じ込めで回折 (以下、〜半径の粒子の3法)3このような回折限界を克服するために研究者は、プラズモニック金属ナノ構造を用いたエバネッ セント光フィールドに基づいて近接場光学トラップ技術を開発したと、さらに、ナノスケールのトラップ オブジェクトをダウン。単一タンパク質分子は、実証4,をされている5,6,7,8,9,10,11。また、プラズモニック光格子は、マイクロとナノ粒子と複数粒子積層11,12の長距離輸送を授与する周期プラズモン ナノ構造の配列から作成されます。光格子中のトラップを破壊する 1 つの主要な障害は光熱対流といくつかグループ14,15,16,17によってその効果を明らかにする努力を行った。グリーン関数を用いたと Baffouらポイント ヒーターとして各プラズモニック ナノ構造をモデル化した温度分布を計算して、実験的検証、モデル14。・ トゥーサンのグループはまた粒子流速計15プラズモン誘起対流を測定しています。著者のグループも近距離と対流輸送を特徴とし、光熱対流16,17を抑制するエンジニア リング戦略を示した。
ここプラズモニック光格子を用いた光学セットアップとトラップ実験の具体的には詳細な手順の設計を提案します。光学ポテンシャルは緩く集束ガウスビームのゴールドの nanodiscs の配列を照明によって作成されました。低温 (~ 4 ° C) にサンプルを冷却することにより最適なトラップを光熱対流を抑制する方式はここ17について述べる。ブジネスク近似の下で自然対流速度uの一桁の見積もりは u によって与えられる 〜L2 gβΔT / v、 Lが熱源と Δ の長さスケールTは、加熱による基準温度上昇です。 g及びβは、それぞれ重力加速度と熱膨張係数。4 ° C の近くの温度で水媒体の密度を表わす異常温度依存性とゼロに近い熱膨張係数と、それゆえ、非常に小さな光熱対流につながります。
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Protocol
1 です光セットアップ
注: 光のセットアップの原理は 図 1 に示す。
。- セットを光学ピンセット キット (材料の表 を参照) と蛍光モジュール (材料の表 を参照してください)、マニュアルに従って。470 nm の青色光発光ダイオード (LED) ソースを蛍光モジュールに接続します 。
- 高開口数 (NA) を交換 (NA = 1.25、倍率 100 倍) 長い作業で油浸対物レンズの距離 (WD) 対物レンズ (焦点距離 3.6 mm、WD = 10.6 mm、NA = 0.5).
- レーザビームの緩やかな焦点を達成するために組み立てられたキットのビーム拡張セクションでレンズを削除します 。 波長 980 nm の使用、充電電源と現在のレーザーのための
- ターン ダイオード結合素子 (CCD) カメラ レーザー ビームが正しくを確認します
。 注: レーザー光が整列の場合 CCD カメラが読み取るガウス スポット 。
2。ナノ加工
- マーカー作製
。 注: マーカーは、nanoplasmonic 配列の作製プロセスとその後トラッピング実験中に配置するのに役立ちます。補足図 1 に詳細なプロセスを示します。- 預金 40 nm インジウム錫酸化物 (ITO) フィルム厚さ 0.17 mm スパッタリングの観察にします
。 注: ITO フィルムは、その後電子ビーム露光プロセス中に電子を放電するのにが 。
- スピン コート スピンとポジ型フォトレジストの 8 μ m 層速度 4000 rpm およびスピン コーターと時間 30 s 。
- ソフト 90 ° C、5 分でサンプルを焼くとマーカーのフォトマスクにサンプルを合わせ、紫外線 80 のためにサンプルを公開マスクア ライナー、s.
- 130 の現像でサンプルを浸す s.
- は、クロムの 2 nm 層と熱蒸発を使用してサンプルの上に金の 40 nm 層を預金します。 18
- アセトンでサンプルを浸漬し 43 kHz、リフト オフの 150 W 5 分間超音波クリーナー営業の配置
- 預金 40 nm インジウム錫酸化物 (ITO) フィルム厚さ 0.17 mm スパッタリングの観察にします
- Nanoplasmonic アレイの作製
- スピン コート e ビームの層レジスト スピン速度を含んだ pmma 材 120 K 30 5000 rpm スピン コーター s。ホット プレート上で 3 分間 160 ° C でサンプルを焼く 。
- スピン コート電子ビーム用レジスト スピン速度を 960 K を含んだ pmma 材の別の層 30 の 5000 rpm スピン コーター s。ホット プレート上で 3 分間 160 ° C でサンプルを焼く 。
- 電子ビームを公開する使用電子ビーム ライターは加速電圧 30 kV と投与量 400 C/cm 2 と抵抗します 。
- 熱蒸発器に金の 40 nm 層を預金します 。
- アセトンでサンプルを浸漬しそれリフト オフの 5 分間の超音波洗浄機を置く
3。冷却システムおよびその温度校正サンプル
注: 冷却ステージ設計例を 補足図 2 に示します
。- 試料冷却
- 場所抵抗器、バイポーラ接合トランジスタ、パワー金属酸化物電界効果トランジスタ 補足図 3 の回路図に従うことによってカスタム基板に駆動回路を作る.はんだごてでこれらのすべてのコンポーネントをはんだ 。
- 回路基板の制御ポートと電子制御基板に配線します。回路基板と熱電効果による冷却 (TEC) 要素の出力ポート間のワイヤを接続します。ヒートシンクとサンプル ステージにテック要素を配置します
。 注: ザ テック要素を通過するレーザ光を許可するようにセンターに穴がある 。
- 5 V 回路基板からの接続ワイヤ電源。前向きな赤外線カメラを使用してかどうか熱電効果による冷却がきちんと冷却して温度を監視します 。
- 将来赤外線カメラと抵抗温度検知器 (RTD) 温度計で測定した温度の校正。
- 空白 coverslip の測温抵抗体温度計を置き、少量の測温抵抗体温度計、coverslip の適切な熱的接触をようにそれの上にサーマル ペーストを適用します 。
- は、テック要素にパルス幅変調設定のデューティ サイクルを変更することによって電子制御回路の出力の電源設定を変更し、定常温度に達することを確認する 3 分待ちます。測温抵抗体温度計を使用して温度を読み取ます 。 前方見て赤外線カメラとモニター温度の
- ターン。温度校正曲線を取得するさまざまな出力電力設定でこの手順を繰り返します。代表温度較正曲線を 補足図 4 に示します
。 注: それは前向きな赤外線カメラの温度の読書は正確、適切な温度に達することを確認する必要があるために、測温抵抗体温度計と楽しみの赤外線カメラのキャリブレーションを行うことが重要です 。
4。微粒子のトラップ
適切な容積比と microcentrifugetube の脱イオン水で直径 2 μ m のポリスチレン粒子のマイクロ- Dilute
。 注: マイクロ粒子の濃度は、実験の目的に応じて調整できます。低濃度可能単一粒子トラップ イベント間隔のサンプルですが、濃度が高いほど複数粒子トラップの時間が短くなります。一般的な濃度は、単一粒子トラップ ~0.05% (w/v). - ステージに nanoplasmonic 配列を持つサンプルを置いて、オンに、470 nm 蛍光光源として LED し、手動で電源を 5 に設定明視野イメージングのための mW 。
- マーカーを使用して、サンプルを合わせ、nanoplasmonic 配列を検索し、CCD カメラを使用して、配列はコンピューター画面上に関心領域の中心部でかどうかを確認します 。
- 直径 2 μ m マイクロ ピペットでサンプルの希釈マイクロ粒子の分注 10 μ L.
- 10 に範囲 ~ 1 mW の電力を使用して配列のプラズモン共鳴励起する波長 980 nm のレーザー ダイオードに電流供給をオンに mW 。
- 定常状態温度 ~ 4 ° C にサンプルを冷却する電子制御基板に電源を手動でオンに
- ビューアー ソフトウェアでクリックして、" ビデオを記録 " シーケンス録音] ダイアログを開きます。クリックして、" 記録 " CCD カメラを用いたレーザー光の影響の下でサンプル上 1.5 10 フレーム/秒のフレーム レートでマイクロ粒子の運動の録画を開始するボタン。クリックして、" 停止 "] ボタンをクリックすると、録音を停止します。ビデオ 1 を参照してください 。
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Representative Results
実験では CCD カメラで記録された単一粒子軌道と各粒子の軌跡16を抽出するカスタム プログラムで処理された画像。代表的な結果は、図 3 とビデオ 1直径 2 μ m. 光格子中の複数の粒子虚飾が観察された微小球の表示されます。粒子の代表的な動画から抽出した連続した画像は、図 4に表示されます。直径 2 μ m の微粒子な充填構造 (hcp) をすぐに六角形微粒子のクラスター形成を見ることが 1 つ。テック要素をオフにするサンプルすることができますを暖めても観測された閉じ込められたクラスターは、光熱対流による分散でしょう。
図 1.光のセットアップの模式図。
ガウスビーム波長 980 nm 潜在的なトラップを作成するプラズモニック光格子サンプルを励起するために使用します。ミラー (M1) を通過する波長 980 nm の半導体レーザの光ファイバー結合長いによってフォーカスが移動した緩く距離対物レンズを作業とプラズモニック試料を励起します。蛍光イメージは、ダイクロイック ミラー (DM) および 470 の蛍光励起下での発光フィルター (EF) と共に同じ目的で撮影した発光ダイオード光源から nm。980 で光励起格子プラズモニック共鳴の nm は色分け 'ピンク' と励起と放射光を蛍光イメージングの色分けされた 'blue' と 'green'、それぞれ。運動は、CCD カメラで記録されます。熱電効果による冷却 (TEC) を使用して、サンプルを冷却します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2.電子ビーム露光により作製したナノ プラズモニック アレイ。(する) マーカーのデザインを見つけて、電子ビーム ライターでサンプルを配置使用します。外側の白い正方形の大きさは、22 mm × 22 mm とはめ込みで環状のマーカーには、150 μ m の外径と内径 50 μ m (b) は走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像 nanoplasmonic 配列の。22 x 22 nanodiscs の単純な正方形配列を使用し、ユニットの各セルには、厚さ 40 nm の間ディスク距離 750 nm 直径 550 nm 1 つナノディスク。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3.単一の粒子軌道。抽出画像処理を用いた微粒子の軌道は、重心アルゴリズム16を使用して、ここに表示されるコンパイルされます。980 でプラズモニック共鳴励起用光パワー nm は 5 mW。2 μ m のスケール バーが表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4.プラズモニック光格子と微粒子 5 の光パワーで時間の蓄積トラップの微粒子クラスターのイメージ mW 。(は) 連続蛍光画像トラップされた微粒子クラスターの形成の蓄積を示します。4 μ m の白いスケール バーが表示されます。(b) (、) から抽出した対時間、トラップされた微粒子の数。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
ビデオ 1。光学トラップと 2 の粒子蓄積 μ m の粒子.980 でプラズモニック共鳴励起用光パワー nm は 5 mW。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)
補足図 1。Nanoplasmonic 配列の微細加工のプロセスの流れです。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
補足図 2。冷却ステージ デザインのサンプルです。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
補足図 3。サンプルを冷却するためのドライバー回路。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
補足図 4。測温抵抗体温度計と将来赤外線カメラの温度校正。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
ここで説明する手順日常的にトラップを確実に再現することができます。使用可能な光の格子をデザインする一般的な実証的ガイドライン プラズモニック nanoarray、interdisc の距離に匹敵するサイズを使用して粒を捕捉します。単一プラズモニック ナノ構造と比較して、ここで大幅に使用される ~ 4 ° C にサンプルを冷却によって与えられる高い光出力と組み合わせて光学格子デザインはトラップ確率を向上させます。トラップ サイトとしても分離、プラズモニック ナノ構造体を使用している場合 1 つは微粒子のプラズモニック ナノ構造近く有効なトラップ ボリュームへの移行のための長い時間を待つ必要があります。また、批判的にディスク間距離の増加粒子蓄積の確率が減少します。注、1 つは、部屋の温度が、使用可能な光の力でプラズモニック光格子を用いたトラップ実験を実行することもは非常に制限されます。また、低光パワーで 1 つは長い時間を待つ必要が (~ 1 h) 微粒子のトラップ イベント。通常、我々 は粒子の運動を記録し、数分内でトラップ イベントを拾うに CCD カメラをオンに。適用レーザ電源は 10 mW です。高い光出力で微粒子の大量の集計を観察できます。
重要なステップこの仕事での成功は、クールなプラズモニック壊れやすいカバー スリップをダウンし、同時に試料温度を監視します。私たちは、そのような非接触測定は大きくサンプル破損のチャンスを減らすので、温度を測定する楽しみの赤外線カメラを選択しました。また、小型温度計、リアルタイムで温度を測定するために使用するを選択できます。非接触温度測定とともに冷却システムは一般的に低温光学顕微鏡の適用されます。
ここでのデモンストレーションは、ミクロン サイズの粒子で行いますが、両方のサイズの縮小と金の nanodiscs の間隔によってナノ粒子をトラップできる 1 つ。これまでのところ、100 ほどの直径を持つナノ粒子の捕捉 nm が示された19をされています。これは、ただし、ありませんプラズモニック光格子の終局限界です。また、私たちは長いを使用しているサンプル段階の機械設計を容易にするための作業距離対物レンズ。良い分解能イメージングでは、油浸対物レンズに置き換えることによって実現できます。プラズモニック構造体の寸法を縮小、さらに小さいナノ粒子の捕捉も可能なはずです。20,21
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
Y. t. Y. は資金援助科学技術 [許可番号最も 105-2221-E-007-MY3 省許可番号 105N518CE1 と 106N518CE1 の下、国立清華大学から認めたいと思います。
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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