Summary
Se describe un procedimiento para atrapar ópticamente micro-partículas en enrejado óptico nanoplasmonic.
Abstract
La plasmónica pinzas ópticas ha sido desarrollado para superar los límites de la difracción de las pinzas ópticas convencionales de campo lejano. Plasmónica enrejado óptico consiste en una matriz de nanoestructuras, que exhiben una variedad de captura y transporte de comportamientos. Nos informe los procedimientos experimentales para atrapar micro-partículas en un enrejado óptico simple nanoplasmonic cuadrados. También describimos la configuración óptica y la nanofabricación de una matriz de nanoplasmonic. El potencial óptico se crea mediante la iluminación de una matriz de nanodiscs de oro con un haz gaussiano de longitud de onda de 980 nm y emocionante resonancia de plasmón. El movimiento de las partículas es supervisado por la proyección de imagen de la fluorescencia. También se describe un plan para suprimir la convección fototérmica para aumentar la potencia óptica utilizable para la captura óptima. Supresión de la convección se logra enfriamiento de la muestra a baja temperatura y utilizando el coeficiente de expansión térmica cercano a cero de un medio de agua. Transporte de partículas individuales y múltiples trampas de partículas se divulgan aquí.
Introduction
La captura óptica de partículas a escala micro fue desarrollada originalmente por Arthur Askin en la década de 1970. Desde su invención, la técnica se ha desarrollado como una herramienta versátil para el micro y nanomanipulación1,2. Convencionales óptico captura basándose en el campo lejano enfoque principio intrínsecamente limitada por la difracción en su confinamiento espacial, en donde la fuerza de captura disminuye dramáticamente (siguiente un ~unaley3 para una partícula de radio un) 3. para superar esos límites de difracción, los investigadores han desarrollado técnicas de captura óptica de campo cercano del campo evanescente óptico utilizando nanoestructuras plasmónica de metálico y, además, la captura de nanoescala objetos a las moléculas de proteína solo ha sido demostrada4,5,6,7,8,9,10,11. Por otra parte, la red óptica plasmónica nace de matrices de nanoestructuras plasmónica periódica para transporte de largo alcance de micro - y nanopartículas y múltiples partículas apilamiento11,12. Un obstáculo importante para interrumpir la captura en un enrejado óptico es convección fototérmica y se han hecho esfuerzos para aclarar sus efectos por varios grupos14,15,16,17. Usando la función de Green, Baffou et al. calcular un perfil de temperatura modelando cada nanoestructuras plasmónica como un calentador de punto y luego validado experimentalmente su modelo14. Grupo de Toussant también ha medido la convección inducida por plasmones con partícula velocimetry15. Grupo del autor ha caracterizado transporte cerca campo y convencionales y demuestra una estrategia de ingeniería para suprimir la convección de fototérmica16,17.
Aquí presentamos el diseño de una configuración óptica y un procedimiento detallado específicamente para experimentos de captura con red óptica plasmónica. El potencial óptico fue creado mediante la iluminación de una matriz de nanodiscs de oro con un haz gaussiano enfocado libremente. Un plan para suprimir la convección fototérmica de enfriar la muestra a una temperatura baja (~ 4 ° C) para la captura óptima es también describir aquí17. En aproximación de Boussinesq, da una estimación de orden de la magnitud de la velocidad de convección natural u por u ~L2 gβΔT / v, donde L es la escala de longitud de la fuente de calor y Δ T es el aumento de la temperatura en relación con la referencia debido a la calefacción. g y β son la aceleración de la gravedad y el coeficiente de expansión térmica, respectivamente. En las temperaturas cerca de 4 ° C, la densidad del medio agua exhibe dependencia anómala de la temperatura y esto se traduce en un coeficiente de expansión térmica cercano a cero y, por tanto, una convección fototérmica vanishingly pequeñas.
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Protocol
1. configuración óptica
Nota: el principio de la óptica configuración se ilustra en la figura 1.
Kit de pinzas de- conjunto a la óptica (véase la Tabla de materiales) y el módulo de fluorescencia (véase Tabla de materiales) según sus manuales. Fuente 470 nm azul luz emite luz de diodo (LED) se conectan al módulo fluorescente.
- Reemplazar la alta apertura numérica (NA) (NA = 1.25, aumento 100 x) objetivo de microscopio (WD) de la distancia del objetivo de inmersión de aceite por un trabajo largo (longitud focal 3.6mm, WD = 10,6 mm, NA = 0.5).
- Quitar la lente en la sección de expansión de la viga del kit montado para conseguir sueltos enfocar el rayo láser.
- Vuelta en la alimentación y la corriente para el laser de diodo de longitud de onda 980 nm y uso la cargada junto cámara de dispositivo (CCD) para asegurarse de que el rayo láser esté correctamente alineado.
Nota: Si el rayo láser está bien alineado, la cámara mostrará un punto gaussiano.
2. Nanofabricación
- marcador fabricación.
Nota: Los marcadores ayudarán a colocar la matriz de nanoplasmonic durante el proceso de la fabricación y posterior captura experimento. El proceso detallado se ilustra en la figura 1 complementaria.- Película de óxido de estaño (ITO) de indio depósito 40 nm en un cubreobjetos de espesor 0,17 mm con farfulla.
Nota: La película de ITO ayuda descarga electrones durante el proceso de litografía subsecuente la viga e. - Vuelta capa una capa de 8 μm de photoresist positivo con giro velocidad 4000 rpm y tiempo 30 s con un recubridor spin.
- Suave cuece al horno la muestra a 90 ° C por 5 min y alinee la muestra con el photomask para marcador y exponer la muestra a la luz de 80 UV s en el alineador máscara.
- Tomar la muestra en el revelador del photoresist para 130 s.
- Depositar una capa de 2 nm de cromo y una capa de nm 40 de oro en la muestra usando la evaporación térmica. 18
- tomar la muestra en acetona y colóquelo en un limpiador ultrasónico de funcionamiento 43 kHz y 150 W durante 5 min para lift off
- Película de óxido de estaño (ITO) de indio depósito 40 nm en un cubreobjetos de espesor 0,17 mm con farfulla.
- Fabricación de matriz Nanoplasmonic
- capa de vuelta una capa de la viga e resistir PMMA 120K con velocidad 5000 rpm durante 30 s en un recubridor spin. Cueza al horno la muestra a 160 ° C por 3 min sobre una placa caliente.
- Vuelta capa otra capa de resistir e-beam PMMA 960K con velocidad 5000 rpm durante 30 s en un recubridor spin. Cueza al horno la muestra a 160 ° C por 3 min sobre una placa caliente.
- Escritor de uso e-beam para exponer la viga e resistir con aceleración tensión de 30 kV y dosis 400 C/cm 2.
- Depositar una capa de nm 40 de oro en un evaporador térmico.
- Tomar la muestra en acetona y colóquelo en un limpiador ultrasónico durante 5 minutos para lift off
3. Sistema de enfriamiento y su calibración de la temperatura de la muestra
Nota: la muestra diseño de la etapa de enfriamiento se muestra en la figura 2 complementaria.
- Haciendo el circuito driver para muestra enfriamiento
- resistencias, transistores de ensambladura bipolar los transistores de efecto de campo poder óxido de metal en el circuito personalizado siguiendo el diagrama del circuito en suplementario Figura 3 . Todos estos componentes con soldador de la soldadura.
- Los cables de conexión entre el puerto de control del tablero del circuito y el tablero de control electrónico. Conecte los cables entre el puerto de salida de los circuitos y refrigeración termoeléctrica del elemento (TEC). Coloque el elemento de la TEC en el escenario de la muestra con el hundimiento del calor.
Nota: el TEC tiene un agujero en el centro para permitir que el rayo láser al pasar por. - Conecte los cables de la placa de circuito a 5 V fuente de alimentación. Utilizar la cámara infrarroja de la visión de futuro para controlar la temperatura para comprobar si la refrigeración termoeléctrica es correctamente enfriando.
- Calibración de la temperatura medida en el futuro cámara y resistencia temperatura detector (RTD) termómetro infrarrojo.
- Coloque el termómetro RTD en un cubreobjetos en blanco y aplique una pequeña cantidad de pasta térmica sobre la misma para asegurar el buen contacto térmico entre el RTD termómetro y cubreobjetos de.
- Cambiar el ajuste de potencia de salida del circuito de control electrónico del elemento TEC cambiando el ciclo de trabajo de programación de modulación de anchura de pulso y esperar 3 minutos para asegurarse de que se alcance la temperatura de estado estacionario. Leer la temperatura con el termómetro RTD.
- Vuelta en la cámara infrarroja mirando hacia adelante y el monitor de la temperatura. Repetir este proceso en varios ajustes de potencia de salida para obtener la curva de calibración de temperatura. En suplementario figura 4 se muestra una curva de calibración de temperatura representante.
Nota: Es fundamental hacer calibración entre termómetro RTD y la cámara infrarroja mira hacia delante porque la lectura de la temperatura de la cámara infrarroja de la visión de futuro debe ser exacta para asegurar la temperatura correcta.
4. Captura de micropartículas
- diluir micro partículas de poliestireno de 2 de diámetro μm en agua desionizada en un microcentrifugetube con proporción de volumen apropiado.
Nota: La concentración de micropartículas se puede ajustar según el objetivo del experimento. Mientras que menor concentración permite un intervalo de tiempo de la muestra entre los eventos de captura de partículas individuales, mayor concentración acortará el tiempo para la captura de partículas múltiples. Para la captura de una partícula, una concentración típica es ~0.05% (w/v). - Coloca la muestra con la matriz de nanoplasmonic en el escenario y girar en un 470 nm LED como la fuente de luz de fluorescencia y ajustar manualmente la potencia de 5 mW para la proyección de imagen de campo brillante.
- Utilice el marcador para ubicar la matriz nanoplasmonic, alinee la muestra y la cámara para asegurarse de que la matriz está en el centro de la región de interés en la pantalla del ordenador.
- Dispensar 10 μl de las diluida micro partículas de diámetro de 2 μm en la muestra con una micro pipeta.
- Encender la corriente para el diodo de láser de longitud de onda 980 nm para excitar la resonancia plasmónica de la matriz con una potencia en el rango de ~ 1 mW a 10 mW.
- Activar manualmente la fuente de alimentación para el tablero de control electrónico para enfriar la muestra a un estado estacionario de temperatura ~ 4 ° C.
- En el software de visualización, haga clic en el " grabar video " secuencia para abrir el cuadro de diálogo de grabación. Haga clic en el " registro " botón para iniciar el grabación 1.5 del movimiento de las partículas micro a una velocidad de 10 fotogramas/s sobre la muestra bajo la influencia de rayo láser mediante la cámara CCD de vídeo. Haga clic en el " dejar de " el botón para detener la grabación. Ver Video 1.
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Representative Results
Trayectorias de partículas individuales fueron grabadas por una cámara CCD en nuestro experimento y entonces, las imágenes fueron procesadas con un programa personalizado para extraer de la trayectoria de cada partícula16. Resultados representativos se muestran en la figura 3 y 1 Video para micro esferas con un diámetro de 2 μm. se observaron múltiples trampas de partículas dentro de la red óptica. Sucesivas imágenes extraídas de un video representativo del movimiento de la partícula se muestran en la figura 4. Para micropartículas de diámetro de 2 μm, uno puede ver el agrupamiento de micropartículas formó un hexagonal embalado cerca estructura (hcp). La muestra también puede ser calentada apagando el elemento TEC; el cluster observado atrapado se dispersaría por convección fototérmica.
Figura 1 . Esquema de la configuración óptica.
Un haz Gaussiano con longitud de onda de 980 nm se utiliza para excitar la muestra plasmónica enrejado óptico para crear trampas potenciales. Un diodo laser fibra-juntado de longitud de onda 980 nm va a través del espejo (M1), libremente es enfocada por un largo trabajo objetivo de microscopio de distancia y excita la muestra plasmónica. La imagen fluorescente se toma con el mismo objetivo en conjunto con espejo dicroico (DM) y filtro de emisión (fe) bajo la excitación fluorescente a 470 nm de fuente de luz diodo de emisión de luz. La excitación de la luz en 980 nm para la resonancia plasmónica es codificado por color 'Rosa' y la excitación y emisión de luz para imágenes fluorescentes están codificadas por color 'azul' y el 'verde', respectivamente. El movimiento se graba con la cámara CCD. Refrigeración termoeléctrica (TEC) se utiliza para enfriar la muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 . Matriz plasmónica Nano fabricado por litografía por E-Beam. (un) marcador diseño utilizado para ubicar y alinear la muestra en el escritor de la e-beam. Son las dimensiones del cuadrado blanco exterior 22 mm x 22 mm, y el marcador anular en el interior tiene un diámetro exterior de 150 μm y diámetro interno de 50 μm. (b) una microscopio electrónico de barrido (SEM) imagen de una matriz de nanoplasmonic. Se utiliza una matriz simple cuadrada de 22 x 22 nanodiscs y cada celda contiene un nanodisc de espesor 40 nm y nm de diámetro 550 distancia de inter-disco 750 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 . Sola partícula trayectorias. Las trayectorias de las micropartículas extraídas utilizando procesamiento de imágenes son compiladas utilizando el algoritmo de centroide16 y aquí. La potencia óptica que se utiliza para la excitación de resonancia plasmónica en 980 nm es de 5 mW. Se muestra una barra de escala de 2 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 . Imagen de un racimo de micropartículas atrapados en plasmónica enrejado óptico y acumulación de micropartículas con el tiempo en una potencia óptica de 5 mW. (un) fluorescencia sucesiva imágenes que muestran la acumulación de micropartículas atrapados formando racimos. Se muestra una barra de escala blanca de 4 μm. (b) número de micropartículas atrapado frente al tiempo, extraído de (una). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Video de 1. Captura óptica y la acumulación de partículas de 2 partículas μm. La potencia óptica que se utiliza para la excitación de resonancia plasmónica en 980 nm es de 5 mW. Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)
Figura 1 complementaria. Flujo proceso de la nanofabricación de matriz Nanoplasmonic. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 complementaria. Muestra diseño de la etapa de enfriamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 complementaria. Circuito del conductor para el enfriamiento de la muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Complementarios figura 4. Calibración de la temperatura entre un rtd termómetro y una cámara infrarroja orientadas hacia el futuro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
El procedimiento aquí descrito permite al lector a reproducir confiablemente captura sobre una base diaria. Una pauta empírica general para el diseño de un enrejado óptico utilizable es utilizar un tamaño comparable para nanoarray plasmónica, distancia interdisc y atrapado de tamaño de partícula. Comparado con un nanoestructuras plasmónica solo, aislado, el diseño de enrejado óptico junto con la alta energía óptica proporcionada por el enfriamiento de la muestra a ~ 4 ° C utilizado aquí grandemente aumenta la probabilidad de captura. Si las nanoestructuras plasmónica, bien separadas se utilizan como sitios de captura, hay que esperar mucho tiempo para la migración de micropartículas en el volumen de captura efectivo cerca de las nanoestructuras plasmónica. También, aumentando la distancia entre disco crítico disminuye la probabilidad de acumulación de partículas. Nota que uno también puede realizar el experimento de captura con el enrejado óptico plasmónica en temperatura ambiente pero la potencia óptica utilizable será muy limitada. También, a baja potencia óptica, hay que esperar mucho tiempo (~ 1 h) para el evento de captura de micropartículas. Por lo general, encendemos la cámara CCD para grabar el movimiento de la partícula y recoger el evento de captura en pocos minutos. La energía del laser aplicable es tan alta como 10 mW. En un alto poder óptico, se observan una gran agregación de micropartículas.
El paso crítico para el éxito en este trabajo es enfriar abajo la plasmónica en un cubreobjetos frágil y simultáneamente monitorear la temperatura de la muestra. Hemos elegido la adelante busca cámara infrarroja para medir la temperatura porque tal una medición sin contacto reduce la posibilidad de rotura de la muestra. Alternativamente, uno puede elegir el pegamento en un termómetro de tamaño pequeño y utilizarlo para medir la temperatura en tiempo real. El sistema de enfriamiento junto con medición de temperatura sin contacto es generalmente aplicable para microscopía óptica a bajas temperaturas.
Aunque aquí la demostración se realiza con partículas de tamaño micrométrico, uno puede atrapar nanopartículas por reducción ambos el tamaño y espaciamiento de los nanodiscs de oro. Hasta ahora, captura de las nanopartículas con diámetros tan pequeños como 100 nm ha sido demostrada19. Esto, sin embargo, no es el último límite de la rejilla óptica plasmónica. También, hemos utilizado un largo trabajo objetivo de microscopio de distancia para facilitar el diseño mecánico de la etapa de la muestra. Mejor resolución en proyección de imagen puede lograrse mediante la sustitución con un objetivo de microscopio de inmersión de aceite. Escalando por las dimensiones de las nanoestructuras plasmónica, la captura de las nanopartículas más pequeñas también debe ser factible. 20 , 21
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Y. T. Y. agradece a fondos del Ministerio de ciencia y tecnología bajo números de concesión más 105-2221-E-007-MY3 y de la Universidad Nacional Tsing Hua en grant números 105N518CE1 y 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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