Summary
Vi beskriver en procedur för att optiskt fälla mikro-partiklar i nanoplasmonic optiska gallret.
Abstract
Denna plasmoniska optisk pincett har utvecklats för att övervinna diffraktion gränserna för det konventionella långt fält optisk pincett. Plasmoniska optiska galler består av en matris av nanostrukturer, som uppvisar en mängd svällning och transport beteenden. Vi rapporterar de experimentella rutiner att fälla mikro-partiklar i en enkel fyrkantig nanoplasmonic optiska gallret. Vi beskriver också den optiska setup och närfältsmikroskop av en nanoplasmonic matris. Den optiska potentialen är skapad av lysande en rad guld nanodiscs med en Gaussisk stråle av 980 nm våglängd och spännande plasmon resonans. Förslaget till partiklar övervakas av fluorescens imaging. Ett system för att undertrycka photothermal konvektion beskrivs också för att öka användbar optisk effekt för optimal fångstmetoder. Dämpning av konvektion uppnås genom kylning provet till en låg temperatur, och utnyttja nära noll termisk utvidgningskoefficient av ett vatten-medium. Här redovisas både enskild partikel transport- och flera partikel svällning.
Introduction
Den optiska svällningen av mikroskala partiklar utvecklades ursprungligen av Arthur Askin på tidiga 1970-talet. Ända sedan dess uppfinning, har tekniken utvecklats som ett mångsidigt verktyg för mikro- och nanomanipulation1,2. Konventionella optiska svällning baserat på långt-fältet fokus princip inneboende begränsas av diffraktion i dess rumsliga instängdhet, vari den svällning kraften minskar dramatiskt (följande en ~en3 lag för en partikel med radie en) 3. för att övervinna sådana diffraktion begränsningar, forskare har utvecklat nära-fält optiska svällning tekniker baserat på flyktig optiska fältet plasmoniska metalliska nanostrukturer och, dessutom, fångst av nanoskala föremål ned till enda proteinmolekyler har visat4,5,6,7,8,9,10,11. Dessutom skapas det plasmoniska optiska gallret från matriser av periodiska plasmoniska nanostrukturer att ge långväga transporter av mikro - och nanopartiklar och flera partikel stapling11,12. Ett stort hinder att störa svällning i en optisk gallret är photothermal konvektion och ansträngningar har gjorts att belysa effekterna av flera grupper14,15,16,17. Använda Greens funktion, har Baffou et al. beräknas en temperaturprofil genom modellering varje plasmoniska nanostruktur som en punkt värmare och sedan experimentellt validerade deras modell14. Toussants grupp har också mätt den plasmon-inducerad konvektion med partikel Velocimetri15. Författarens gruppen har också präglat både nära-fält och convectional transport och visat en teknisk strategi för att undertrycka photothermal konvektion16,17.
Här presenterar vi utformningen av en optisk installationen och en detaljerad procedur specifikt för svällning experiment med plasmoniska optiska galler. Den optiska potentialen skapades av lysande en rad guld nanodiscs med ett löst fokuserade Gaussisk strålen. Ett system för att undertrycka den photothermal konvektion genom att kyla ner provet till en låg temperatur (~ 4 ° C) för optimal fångstmetoder är också beskriva här17. Under Boussinesq tillnärmning, ges en storleksordning uppskattning för egenkonvektion hastighet u av u ~L2 gβΔT / v, där L är längden skalan av värmekällan och Δ T är temperaturen ökar i förhållande till referensränta på grund av uppvärmning. g och β är den gravitationsacceleration värmeutvidgningskoefficient, respektive. Vid temperaturer nära 4 ° C, tätheten av vatten medium uppvisar avvikande temperaturberoende och detta leder till en nära noll värmeutvidgningskoefficient och, därför, en försvinnande liten photothermal konvektion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. optiska Setup
Obs: principen om den optiska setup illustreras i figur 1.
- Uppsättning upp optisk pincett kit (se Tabell av material) och fluorescens-modulen (se Tabell för material) enligt sina handböcker. Anslut en 470 nm blå light emitting diod (LED) ljus källa till fluorescerande modulen.
- Ersätta den höga numeriska bländaröppningen (NA) (NA = 1,25, förstoring 100 x) oljeimmersionsobjektivet av en lång fungerande avstånd (WD) Mikroskop mål (brännvidd 3.6 mm, WD = 10,6 mm, NA = 0,5).
- Ta bort objektivet i avsnittet beam expansion av monterade kit att uppnå lös fokusering av laserstrålen.
- Tur på strömförsörjningen och nuvarande för laser diode våglängd 980 nm och använda den laddade kopplad enhet (CCD) kamera så att laserstrålen justeras korrekt.
Obs: Om laserstrålen är väl överens, CCD kameran att läsa en Gaussisk plats.
2. Närfältsmikroskop
- markör Fabrication.
Obs: Markörer hjälper till att placera matrisen i nanoplasmonic under tillverkningsprocessen och efterföljande svällning experiment. Den detaljerade processen illustreras i kompletterande Figur1.- Insättning 40 nm indium tinoxiden (ITO) film på ett täckglas tjocklek 0.17 mm med sputtring.
Obs: ITO filmen hjälper ansvarsfrihet elektroner under efterföljande e-beam litografi. - Spin rock en µm 8 lager av positiv fotoresist med spin varvtal 4000 rpm och tid 30 s med en spin coater.
- Mjuk baka provet vid 90 ° C i 5 min och justera provet med photomasken för markör och exponera provet med UV-ljus för 80 s i den mask aligner.
- Blöt provet i fotoresist utvecklaren för 130 s.
- Deponera ett 2 nm lager av krom och en 40 nm lager av guld på provet med hjälp av termiska avdunstning. 18
- Blötlägg provet i aceton och placera den i ett ultraljud renare rörelseresultat på 43 kHz och 150 W för 5 min för hiss off.
- Insättning 40 nm indium tinoxiden (ITO) film på ett täckglas tjocklek 0.17 mm med sputtring.
- Tillverkning av Nanoplasmonic Array
- Spin coat ett lager av e-beam motstå PMMA 120K med centrifugeringshastighet 5000 rpm för 30 s på en spin coater. Baka provet vid 160 ° C för 3 min på en värmeplatta.
- Spin belägga ytterligare ett lager av e-beam motstå PMMA 960K med centrifugeringshastighet 5000 rpm för 30 s på en spin coater. Baka provet vid 160 ° C för 3 min på en värmeplatta.
- Använd e-beam författare att exponera e-balken motstå med acceleration spänning 30 kV och dosering 400 C cm 2.
- Sätta in en 40 nm lager av guld i en termisk förångare.
- Fukta provet i aceton och placera den i ett ultraljud renare för 5 min för hiss off.
3. Prov kylsystem och dess temperatur kalibrering
Obs: provet kylning scenografi visas i kompletterande diagram 2.
- Att göra styrkrets för provet kylning
- Placera motstånd, bipolär junction transistorer och power metalloxid field-effecttransistorer på anpassade kretskortet genom att följa kopplingsschemat i kompletterande figur 3 . Löda alla dessa komponenter med lödkolv.
- Anslut kablarna mellan kontroll av kretskortet och elektronisk kontrollstyrelsen. Anslut kablarna mellan utdataport av kretskort och thermoelectrical (TEC) Kylelement. Placerar elementet TEC på prov scenen med hetta sjunka.
Obs: The TEC element har ett hål i mitten för att tillåta laserstrålen att gå igenom. - Anslut kablarna från kretskortet till 5 V strömförsörjning. Använda den framåtblickande infraröda kameran för att övervaka temperaturen för att kontrollera om thermoelectrical kyla är korrekt kylning.
- Kalibrering av uppmätta temperaturen i den framåtblickande infraröd kamera och motstånd temperatur detektor (RTD) termometern.
- Placera den FoTU-termometern på en tom täckglas och applicera en liten mängd av termisk pasta på att säkerställa god termisk kontakt mellan FoTU-termometer och täckglas.
- Ändra power kapacitetsinställningen elektroniska styrkretsen till TEC element genom att ändra intermittensen av puls bredd modulation inställning och vänta på 3 min för att kontrollera den steady-state temperaturen har uppnåtts. Läs temperaturen med hjälp av FoTU-termometern.
- Tur på framåt ser infraröd kamera och monitor temperaturen. Upprepa detta vid olika output power inställningar att få temperaturen kalibreringskurvan. Representativ temperatur kalibreringskurvan visas kompletterande figur 4.
Obs: Det är avgörande att göra kalibrering mellan FoTU-termometer och den framåtblickande värmekamera eftersom temperaturavläsning av den framåtblickande infraröda kameran måste vara korrekt att säkerställa rätt temperatur nås.
4. Svällning av mikropartiklar
- Dilute polystyren mikropartiklar av diameter 2 µm i avjoniserat vatten i ett microcentrifugetube med korrekt volymförhållandet.
Obs: Koncentrationen av mikropartiklar kan justeras enligt syftet med experimentet. Medan lägre koncentration ger ett prov tidsintervall mellan enskild partikel svällning händelser, kommer att högre koncentration förkorta tiden för flera partikel svällning. För enda partikel fångstmetoder, en typisk koncentration är ~0.05% (w/v). - Sätta provet med nanoplasmonic utbud på scenen och slå på en 470 nm LED som ljuskälla fluorescens och manuellt ställa in kraften till 5 mW för ljusa fält imaging.
- Använda markören för att lokalisera nanoplasmonic matrisen, justera urvalet och använda CCD kameran för att kontrollera att matrisen är i centrera av regionen av intresse på datorskärmen.
- Fördela 10 µL av de utspädda mikropartiklar av diameter 2 µm på prov med micro pipett.
- Aktivera strömtillförselen den laser-diod våglängd 980 nm att excitera plasmoniska resonansen av matrisen med en kraft i intervallet ~ 1 mW till 10 mW.
- Aktivera manuellt strömförsörjningen till elektronisk kontrollstyrelsen svalna provet till en steady-state temperatur ~ 4 ° C.
- Viewer programvaran, klicka på den " spela in video " sekvens för att öppna dialogrutan inspelning. Klicka på den " post " knappen för att starta videoinspelning 1.5 i förslaget till micro partiklar med en bildhastighet av 10 bildrutor/s över provet under inflytande av laserstrålen med hjälp av CCD-kamera. Klicka på den " stoppa " knappen för att stoppa inspelningen. Se Video 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Enda partikel banor spelades in av en CCD-kamera i vårt experiment och bilderna bearbetades sedan med ett anpassat program för att extrahera varje partikelns bana16. Representativa resultat visas i figur 3 och Video 1 för mikro-kulor med en diameter av 2 µm. flera partikel grannlåt inuti det optiska gallret observerades. Bildföljden extraheras från en representativ motion video av partikeln visas i figur 4. För mikropartiklar av diameter 2 µm, kan man se den klustring av mikropartiklar bildade en sexkantig nära packade (hcp) struktur. Provet kan också värmas upp genom att stänga av elementet TEC; observerade instängd klustret skulle skingra på grund av photothermal konvektion.
Figur 1 . Schematisk bild av den optiska Setup.
En Gaussisk balk med våglängd av 980 nm används för att excitera plasmoniska optical lattice provet att skapa svällning potentiella. En fiber-kopplade laserdiod av våglängd 980 nm går igenom spegel (M1), blir löst fokuseras av en lång arbetar avstånd Mikroskop mål, och retar plasmoniska provet. Fluorescerande bilden tas med samma mål i samband med dikroiskt spegel (DM) och utsläpp filter (EF) under fluorescerande excitation vid 470 nm från ljusavgivande diod ljuskälla. Magnetiseringen ljus på 980 nm för plasmoniska resonansen är färgkodade 'rosa' och excitation och utsläpp ljus för fluorescerande imaging är färgkodade 'blå' och 'gröna', respektive. Rörelsen registreras med den CCD-kameran. Thermoelectrical kylning (TEC) används för att kyla ner provet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . Nano plasmoniska Array fabricerade av E-Beam litografi. (en) markör design används för att lokalisera och justera provet i e-beam författare. Måtten på den yttersta vita kvadraten är 22 mm x 22 mm, och den ringformiga markören i infällt har en yttre diameter av 150 µm och innerdiameter på 50 µm. (b) en svepelektronmikroskop (SEM) bild av en nanoplasmonic matris. En enkel fyrkantig matris av 22 x 22 nanodiscs används och varje enhet cell innehåller ett nanodisc tjocklek 40 nm och diameter 550 nm med Inter skiva avstånd 750 nm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . Enda partikel bollbanor. Trajectoriesen av de mikropartiklar som utvinns med hjälp av bildbehandling sammanställs med hjälp av centroiden algoritm16 och visas här. Den optiska effekt används för plasmoniska resonans magnetiseringen på 980 nm är 5 mW. En skala av 2 µm visas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 . Bild av ett kluster av mikropartiklar instängd i plasmoniska optiska galler och ansamling av mikropartiklar med tiden vid en optisk effekt av 5 mW. (en) successiva fluorescens bilder visar ansamling av fångade mikropartiklar bildar kluster. En vit skalstapeln 4 µm visas. (b) antalet fångade mikropartiklar kontra tid, utvinns ur (en). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Video 1. Optiska svällning och partikel ackumulering av 2 µm partiklar. Den optiska effekt används för plasmoniska resonans magnetiseringen på 980 nm är 5 mW. Vänligen klicka här för att se denna video. (Högerklicka för att ladda ner.)
Kompletterande bild 1. Bearbeta flödet av närfältsmikroskop Nanoplasmonic array. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande bild 2. Provet kylning scenografi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande bild 3. Styrkrets för provet kylning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande bild 4. Temperatur kalibrering mellan en FoTU-termometer och framåtblickande infraröd kamera. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Proceduren som beskrivs här kan läsaren att på ett tillförlitligt sätt reproducera svällning på daglig basis. En allmän empiriska riktlinje att utforma ett användbart optiska galler är att använda en jämförbar storlek för plasmoniska nanoarray, interdisc avstånd, och fångade partikelstorlek. Jämfört med en enda, isolerade plasmoniska nanostruktur, ökar optiska galler design tillsammans med den höga optiska makt som tillförsäkras genom kylning provet till ~ 4 ° C används här kraftigt sannolikheten för svällning. Om väl separerade, plasmoniska nanostrukturer används som fångstmetoder platser, behöver man vänta för länge för migrering av mikropartiklar till effektiva fångstmetoder volym nära plasmoniska nanostrukturerna. Dessutom minskar ökar avståndet mellan skiva kritiskt sannolikheten för partikel ackumulering. Observera att man kan även utföra svällning experimentet med plasmoniska optiska galler vid rumstemperatur men den användbar optisk effekt kommer att vara mycket begränsad. Även vid låg optisk effekt, måste man vänta en lång tid (~ 1 h) för händelsen microparticle svällning. Typiskt, vi slår på den CCD-kameran att spela in den partikel rörelsen och plocka upp händelsen svällning inom några minuter. Den tillämpliga lasereffekten är så hög som 10 mW. Vid en hög optisk effekt, kan en stor aggregering av mikropartiklar observeras.
Det kritiska steget för framgång i detta arbete är att kyla ner den plasmoniska på en bräcklig täckglas och övervaka samtidigt provtemperaturen. Vi har valt den framåtblickande värmekamera mäta temperaturen eftersom sådan en Beröringsfri mätning minskar avsevärt risken för provet brott. Alternativt kan man välja att limma på en liten termometer och använda den för att mäta temperaturen i realtid. Kylsystemet tillsammans med beröringsfri temperaturmätning gäller generellt för optisk mikroskopi vid låga temperaturer.
Även om demonstrationen här är gjort med micron-storlek partiklar, kan en fälla nanopartiklar av skalar ned både storlek och avstånd av den guld nanodiscs. Hittills, svällning av nanopartiklar med diametrar så liten som 100 nm har visat19. Detta är dock inte den yttersta gränsen av plasmoniska optiska gallret. Dessutom har vi använt en lång arbeta avstånd Mikroskop mål att underlätta den mekaniska konstruktionen av provet scenen. Bättre upplösning i imaging kan uppnås genom att ersätta det med ett mikroskop för oljeimmersionsobjektivet. Genom att skala ner måtten på plasmoniska nanostrukturerna, bör fångst av ännu mindre nanopartiklar också vara genomförbart. 20 , 21
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Y. T. Y. vill erkänna finansieringsstöd från ministeriet för vetenskap och teknik under grant nummer mest 105-2221-E-007-MY3 och från National Tsing Hua University under grant nummer 105N518CE1 och 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).
