Summary
Мы опишем процедуру для оптически ловушку микро частиц в nanoplasmonic оптической решетки.
Abstract
Плазмонных Оптический пинцет был разработан преодолеть дифракционный пределы обычных далекое поле Оптический пинцет. Плазмонных оптической решетки состоит из массива наноструктур, которые демонстрируют разнообразие треппинга и поведения транспортного. Мы приводим экспериментальной процедуры в ловушку микро частиц в простой квадратный nanoplasmonic оптической решетки. Мы также обсудим, оптические установки и нанотехнологические nanoplasmonic массива. Оптический потенциал создается путем освещения массив золота nanodiscs с гауссова пучка 980 нм длины волны, и захватывающие плазмон резонанса. Движение частиц контролируется флуоресценции изображений. Схема для подавления яркостной конвекции также описана для увеличения использования оптической мощности для оптимального захвата. Подавление конвекции достигается путем охлаждения образца при низкой температуре и используя коэффициент теплового расширения почти нулевой водной среды. Здесь сообщается одной частицы транспорта и нескольких частиц треппинга.
Introduction
Оптических улавливания частиц микро масштабе был первоначально разработан Артур Askin в начале 1970-х годов. Когда-либо с момента его изобретения техника была разработана как универсальный инструмент для микро - и деятельность1,2. Обычные оптические треппинг основаны на дальнем поле-упором принцип по сути ограничены дифракцией в пространственной изоляции, которой резко снижается сила треппинга (следующий ~3 закон для частицы радиусом ) 3. для преодоления таких ограничений дифракции, исследователи разработали методы ближнепольной оптической треппинга на основе затухающих оптического поля, используя плазмонных металлических наноструктур и, Кроме того, треппинг наноразмерных объектов вниз один белковых молекул была продемонстрирована в4,5,6,,78,9,10,11. Кроме того плазмонных оптической решетки создается из массивов периодических наноструктур плазмонных придать большие расстояния микро - и наночастиц и несколько частиц укладки11,12. Одним из основных препятствий, чтобы сорвать треппинга в оптической решетки является яркостной конвекции и усилия для выяснения его последствия были сделаны несколько групп14,,1516,17. С помощью функции Грина, Baffou et al. Расчет температурного профиля путем моделирования каждого плазмонных наноструктуры как подогреватель точки и затем экспериментально проверяются их модель14. Toussant группа также измеряется плазмон индуцированной конвекция с частиц Велосиметрия15. Автора группа также характеризуется рядом с полем и конвекционный транспорта и продемонстрировал инженерной стратегии подавить яркостной конвекции16,17.
Здесь мы представляем дизайн оптические установки и подробные процедуры специально для треппинга экспериментов с плазмонных оптической решетки. Оптический потенциал был создан освещает массив золота nanodiscs с слабо фокусированный луч Гаусса. Схема для подавления яркостной конвекции охлаждать вниз образца при низкой температуре (~ 4 ° C) для оптимального захвата является также описать здесь17. При приближении Буссинеска, порядок оценки для естественной конвекции скорости u задаётся u ~L2 gβΔT / v, где L является шкала длина источника тепла и Δ T является повышение температуры относительно ссылки из-за нагрева. g и β являются гравитационное ускорение и коэффициент теплового расширения, соответственно. При температурах около 4 ° C плотность воды среды экспонатов аномальных температурная зависимость и это переводит в коэффициент теплового расширения почти нуля и, следовательно, исчезающе малой яркостной конвекции.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. оптические установки
Примечание: принцип оптические установки проиллюстрирован на рис. 1.
- Комплект вверх Оптический пинцет комплекта (см. Таблицу материалы) и флуоресценции модуля (см. Таблицу материалы) согласно их руководства. Подключите источник 470 Нм синий свет излучает свет диод (LED) к модулю флуоресцентные.
- Заменить высокая числовая апертура (NA) (NA = 1,25, увеличение 100 x) цель погружения нефти на продолжительное рабочее расстояние (WD) Микроскоп цель (Фокусное 3.6 мм, WD = 10,6 мм, NA = 0,5).
- Удалить объектив в разделе Расширение луч собранный комплект для достижения свободные фокусировки луча.
- Поворот на блок питания и ток для лазерного диода волны 980 нм и использования взимается сочетании камеры устройства (CCD) чтобы убедиться, что лазерный луч выровнен.
Примечание: Если лазерный луч хорошо выровненные, CCD камера будет читать пятно Гаусса.
2. Нанотехнологические
изготовление маркер- .
Примечание: Маркеры поможет позиции массива nanoplasmonic во время процесса изготовления и последующего улавливания эксперимент. Подробный процесс проиллюстрирован в дополнительный рисунок 1.- Депозит 40 Нм Индий оксид олова (ITO) фильм на coverslip толщина 0.17 мм с напылением.
Примечание: Ито фильм поможет выполнить электронов в процессе последующих электронно лучевая литография. - Спина пальто 8 мкм слоя позитивного фоторезиста с закруткой скорость 4000 об/мин и времени 30 s с спин coater.
- Мягкая испечь образца на 90 ° C за 5 мин и выравнивание образца с фотошаблонов для маркера и разоблачить образца к Ультрафиолетовому свету для 80 s в маске выравниватель.
- Замочить образца в фоторезиста разработчик для 130 s.
- Депозит 2 nm покрытие из хрома и 40 Нм слой золота на образце с помощью термическое испарение. 18
- замочить образца в ацетоне и поместить его в ультразвуковой очиститель работающих на 43 кГц и 150 Вт 5 минут для подъема выкл
- Депозит 40 Нм Индий оксид олова (ITO) фильм на coverslip толщина 0.17 мм с напылением.
- Изготовления Nanoplasmonic массив
- спина слой слой e-Beam противостоять ПММА 120K с скорость отжима 5000 об/мин за 30 s на спин coater. Испечь образца при 160 ° C 3 мин на горячей плите.
- Спина пальто еще один слой e луч противостоять ПММА 960K с скорость отжима 5000 об/мин за 30 s на спин coater. Испечь образца при 160 ° C 3 мин на горячей плите.
- Использование e луч писатель подвергать e луч противостоять с ускорение напряжения 30 кв и дозировке 400 C/см 2.
- Депозит 40 Нм слой золота в тепловой испарителя.
- Замочите образца в ацетоне и поместите его в ультразвуковой очиститель для 5 мин для подъема выкл
3. Образец, система охлаждения и его калибровка температуры
Примечание: дополнительный рисунок 2 приведен пример, охлаждения сценографии.
- Сделать цепи драйвера для охлаждения образца
- место, резисторы, биполярных транзисторов и власти окиси металла полевых транзисторов на пользовательских печатной плате, следуя схеме в дополнительного рисунок 3 . Все эти компоненты с паяльника припой.
- Подключить провода между портом управления печатной плате и электронного управления. Подключите провода между порт вывода плат и термоэлектрические охлаждающие (TEC) элемент. Поместите элемент TEC на сцене образца с тепла, тонущий.
Примечание: TEC элемент имеет отверстие в центре, чтобы позволить лазерный луч пройти. - Подключить провода от платы до 5 V блок питания. Используйте перспективной инфракрасной камеры для мониторинга температуры для проверки, если термоэлектрические охлаждающие должным образом охлаждать вниз.
- Калибровка температуры в перспективной инфракрасной камеры и сопротивления детектор (RTD) термометр.
- Место RTD термометр на пустой coverslip и применить небольшое количество тепловой пасты на него для обеспечения надлежащего термического контакта между RTD термометр и coverslip.
- Изменить параметр выходной мощности цепи электронного управления ПИС элемент, изменив Скважность импульсов ширина модуляция параметра и ждать 3 минут, чтобы убедиться, что достигается температура устойчивого состояния. Чтение температуры RTD термометр.
- Поворот на вперед ищет инфракрасная камера и монитор температуры. Повторите эту процедуру на различных параметров выходной мощности для получения калибровочной кривой температуры. Представитель температуры калибровочной кривой показан дополнительный рисунок 4.
Примечание: Важно сделать калибровка между RTD термометр и перспективной инфракрасной камеры, потому что чтение температуры перспективной инфракрасной камеры должны быть точным для обеспечения правильной температуры.
4. Захвата микрочастиц
- развести микро полистирола частицы диаметром 2 мкм в деионизированной воде в microcentrifugetube с соотношением надлежащего объема.
Примечание: Согласно цели эксперимента можно регулировать концентрацию микрочастиц. В то время как низкой концентрации позволяет образец интервал времени между одной частицы треппинга события, концентрация сократит время для нескольких частиц треппинга. Для треппинга одной частицы, типичная концентрация является ~0.05% (w/v). - Поместить образец с nanoplasmonic массива на сцене и включите 470 Нм ВОДИТЬ как источник света флуоресцирования и вручную установить мощность до 5 МВт для светлые области изображения.
- Использовать маркер, чтобы найти nanoplasmonic массив, выравнивание образца и использовать камеры на ПЗС, чтобы убедиться, что массив находится в центре региона интерес на экране компьютера.
- Обойтись 10 мкл разбавленного микро частиц диаметром 2 мкм на образце с микро дозаторов.
- Включите электропитание для лазерный диод волны 980 нм для возбуждения резонанса плазмонных массива с мощностью в диапазоне ~ 1 МВт до 10 МВт.
- Вручную Включите источник питания в Правление электронного управления для охлаждения образца на установившемся температуры ~ 4 ° C.
- В viewer программного обеспечения, нажмите кнопку " запись видео " последовательность, чтобы открыть диалоговое окно запись. Нажмите кнопку " запись " кнопку, чтобы начать видеозапись 1.5 движения микрочастиц кадра со скоростью 10 кадров в секунду на образец под воздействием лазерного луча с помощью камеры на ПЗС. Нажмите кнопку " остановить " кнопку, чтобы остановить запись. Смотрите видео 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Траекторий одной частицы были записаны с помощью CCD камеры в нашем эксперименте и образы были затем обрабатываются с помощью пользовательской программы для извлечения каждой частицы траектории16. Представитель результаты отображаются на рисунке 3 и 1 видео для микро сферы диаметром 2 мкм. наблюдались множественные атрибуты частиц внутри оптической решетки. Последующие изображения, извлеченные из видео представитель движения частицы отображаются на рисунке 4. Для микрочастиц мкм, диаметр 2 можно увидеть кластеризации микрочастицы образуется гексагональной близко Упакованные структуры (ВСЗ). Образец также может быть разогрет, отключив элемент ПИС; наблюдаемые захваченных кластера будет разгонять благодаря конвекции полотенцесушитель.
Рисунок 1 . Схема установки оптических.
Гаусса луч с длиной волны 980 нм используется для возбуждения плазмонных оптической решетки образца для создания треппинга потенциал. Волокна в сочетании лазерный диод волны 980 нм проходит через зеркало (M1), получает свободно сосредоточены на длинный работает расстояния Микроскоп цель и возбуждает плазмонных образца. Флуоресцентный изображение взято с же цели в сочетании с дихроичное зеркало (DM) и фильтр (EF) выбросов под люминесцентные возбуждения в 470 Нм от Светоиспускающий диод источник света. Возбуждения свет на 980 нм для резонанса плазмонных является цветом «розовый» и возбуждения и выбросов света для флуоресцентных изображений цветом «blue» и «green», соответственно. Движение записывается с помощью CCD камеры. Термоэлектрические охлаждающие (TEC) используется для охлаждения образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 . Нано плазмонных массив сфабрикованы E-литография. () маркер дизайн, используемые для обнаружения и выровняйте образец в e луч писатель. Размеры внешние белый квадрат 22 x 22 мм, и кольцевой маркер в врезные имеет наружный диаметр 150 мкм и внутренний диаметр 50 µm. (b) A сканирующего электронного микроскопа (SEM) изображения массива nanoplasmonic. Простой квадратный массив 22 x 22 nanodiscs используется и каждой ячейки содержит один nanodisc толщина 40 Нм и диаметр 550 нм с расстояния между диск 750 Нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 . Одноместный траекторий частиц. Траекторий микрочастицы, извлеченный с помощью обработки изображений компилируются с помощью алгоритма центроид16 и отображаются здесь. Оптическая сила используется для резонанса плазмонных возбуждения в 980 нм-5 МВт. Отображается панель масштаба 2 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 . Изображение кластера микрочастиц, оказавшихся в плазмонных оптической решетки и накоплением микрочастиц со временем на оптической мощности 5 mW. () последовательных флуоресценции изображения показаны накопление захваченных микрочастицы, формирования кластеров. Отображается панель белая шкала 4 мкм. (b) количество захваченных микрочастицы против времени, извлеченные из (). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Видео 1. Оптических улавливания и накопления частиц 2 частиц мкм. Оптическая сила используется для резонанса плазмонных возбуждения в 980 нм-5 МВт. Пожалуйста нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео. (Правой кнопкой мыши для загрузки.)
Дополнительная цифра 1. Процесс потока нанотехнологические Nanoplasmonic массива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительная цифра 2. Пример системы охлаждения стадии проектирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительная цифра 3. Цепи драйвера для охлаждения образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительные рисунок 4. Калибровка температуры rtd термометр и перспективных инфракрасной камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Процедура, описанная здесь позволяет читателю достоверно воспроизвести треппинга на ежедневной основе. Эмпирическое правило для разработки использовать оптические решетки является использование сопоставимого размера для плазмонных nanoarray, interdisc расстояние и размер частиц в ловушке. По сравнению с одной, изолированные плазмонных наноструктур, оптические решетки дизайн в сочетании с высокой оптической мощности, предоставляемой охлаждения образца до ~ 4 ° C, используемый здесь значительно повышает вероятность треппинга. Если хорошо разделенных, плазмонных наноструктур, используются как треппинг объектов, нужно ждать долгое время для миграции микрочастиц в объем эффективной треппинга вблизи плазмонных наноструктур. Кроме того увеличивая расстояние между диск критически снижает вероятность накопления частиц. Обратите внимание, что один может также выполнять треппинг эксперимент с плазмонных оптической решетки при комнатной температуре, но полезная оптической мощности будет весьма ограниченной. Кроме того, при низкой оптической мощности, нужно ждать в течение длительного времени (~ 1 ч) для микрочастица треппинга события. Как правило мы переходим на ПЗС-камера для записи движения частиц и забрать треппинг событий в течение нескольких минут. Мощность лазера применимых достигает 10 МВт. В высокой оптической мощности могут наблюдаться большие агрегации микрочастиц.
Важным шагом для успеха в этой работе является прохладно вниз плазмонных на хрупкие крышка выскальзования и одновременно контролировать температуру образца. Мы выбрали перспективной инфракрасной камеры для измерения температуры, потому что такие бесконтактного измерения значительно уменьшает вероятность поломки образца. Кроме того можно выбрать клей на термометр небольшого размера и использовать его для измерения температуры в режиме реального времени. Системы охлаждения вместе с температуры бесконтактного измерения обычно применяется для оптической микроскопии при низких температурах.
Хотя демонстрации здесь делается с микронных размеров частиц, одно может ловушку наночастиц масштабирование вниз как размер и расстояние между Золотой nanodiscs. До настоящего времени, треппинг наночастиц с диаметрами, как малые, как 100 Нм была продемонстрирована19. Однако, это не конечная предел плазмонных оптической решетки. Кроме того, мы использовали длинный рабочей расстояния Микроскоп цель облегчить механический дизайн стадии образца. Лучшее разрешение изображения можно достичь, заменив его с целью Микроскоп погружения нефти. По свертывание размеры плазмонных наноструктур, треппинг даже меньше наночастиц также должно быть осуществимо. 20 , 21
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Т. ю. ю. хотел бы признать финансовую поддержку от министерства науки и технологии в рамках гранта числа наиболее 105-2221-E-007-MY3 и от национального университета Цинь Хуа под Грант номера 105N518CE1 и 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
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).
- Grier, D. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 21-27 (2003).
- Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. Radiation on trapping forces with optical tweezers. Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).
- Kawata, S., Tani, T. Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide. Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).
- Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. Optical Manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides. Nature. 457, 71-75 (2009).
- Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. Optical manipulation with planar silicon microring resonators. Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).
- Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators. Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).
- Lin, S., Crozier, K. Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles. Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., R, Plasmonic nano optical tweezers. Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).
- Huang, J. S., Yang, Y. -T. The origin and future of plasmonic optical tweezer. Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of single protein. Nano Lett. 12, 402-406 (2012).
- Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. -T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., Stein, B., Canguier-Durand, A., Devaux, E., Genet, C., Ebbesen, T. W. Brownian motion in a designer force field: Dynamical effects of negative refraction on nanoparticles. Nano Lett. 12, 4329-4332 (2012).
- Baffou, G., Berto, P., Urena, E. B., Quidant, R., Monnert, S. J., Polleux, J., Righeault, H.
- Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. Understanding and controlling plasmon-induced convection. Nat. Commun. 5, (2014).
- Yang, T. P., Yossifon, G., Yang, Y. -T. Characterization of the near-field and convectional transport behavior of micro and nano particles in nanoscale plasmonic optical lattice. Biomicrofluidics. 10, 034102 (2016).
- Chen, Y. -C., Yossifon, G., Yang, Y. -T. Supression of phtothermal convection of micro particles in two dimensional nanoplamonic optical lattice. Appl. Phys. Lett. 109, 201111 (2016).
- Smith, D. Thin film deposition: principles and practice. , McGraw-Hill Education. New York, New York. (1995).
- Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres. Sci. Rep. 2, 966 (2012).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas. Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 2011 (11), 3763-3767 (2011).
