Summary
Vi beskriver en prosedyre for å optisk felle mikro-partikler i nanoplasmonic optisk gitter.
Abstract
Plasmonic optisk tweezer er utviklet for å overvinne Diffraksjon grensene for den konvensjonelle langt feltet optisk tweezer. Plasmonic optisk gitter består av en rekke nanostrukturer, som viser en rekke overlapping og transport atferd. Vi rapporterer eksperimentelle fremgangsmåtene å felle mikro-partikler i en enkelt firkantet nanoplasmonic optisk gitter. Vi beskriver også optisk oppsettet og nanofabrication av en nanoplasmonic-matrise. Optisk potensialet opprettes ved å belyse en rekke gull nanodiscs med en Gaussian strålen 980 nm bølgelengde og spennende plasmon resonans. Bevegelsen av partikler overvåkes av fluorescens tenkelig. En plan for å undertrykke photothermal konveksjon er også beskrevet for å øke brukbare optisk makt for optimal overlapping. Undertrykkelse av konveksjon oppnås ved kjøling prøven til en lav temperatur, og utnytte nær null termisk ekspansjon koeffisient av en vann-medium. Både enkelt partikkel transport og flere partikkel overlapping rapporteres her.
Introduction
Det optiske fangst av mikro-skala partikler ble opprinnelig utviklet av Arthur Askin i 1970. Helt siden sin oppfinnelse, er teknikken utviklet som et allsidig verktøy for mikro- og nanomanipulation1,2. Konvensjonelle optisk overlapping basert på langt-feltet fokusere prinsippet er iboende begrenset av Diffraksjon i sin romlige confinement, der overtrykk kraft avtar dramatisk (følgende en ~en3 lov for en partikkel av radius en) 3. for å overvinne slike Diffraksjon grenser, forskere har utviklet feltnære optisk overlapping teknikker basert på evanescent optisk feltet bruker plasmonic metallic nanostrukturer, og videre fangst av nanoskala objekter ned til enkelt protein molekyler har vært demonstrert4,5,6,7,8,9,10,11. Videre opprettes plasmonic optisk gitteret fra matriser av periodiske plasmonic nanostrukturer til å tildele lang rekkevidde transport av mikro - og nanopartikler og flere partikkel stabling11,12. En stor utfordring å forstyrre overtrykk i en optisk gitter er photothermal konveksjon innsats er gjort for å belyse dens effekter av flere grupper14,15,16,17. Green-funksjonen, har Baffou et al. beregnet en temperatur profil av modellering hver plasmonic nanostructure som en ovn for punkt og deretter eksperimentelt godkjent deres model14. Toussants gruppe har også målt plasmon-indusert konveksjon med partikkel velocimetry15. Forfatterens gruppen har også preget både nær-feltet og convectional og viste en utvikling strategi for å undertrykke photothermal konveksjon16,17.
Her presenterer vi utformingen av en optisk installasjon og en detaljert prosedyre for overtrykk eksperimenter med plasmonic optisk gitter. Optisk potensialet ble opprettet ved å belyse en rekke gull nanodiscs med en løst fokusert Gaussian strålen. En plan for å undertrykke photothermal konveksjon ved nedkjøling prøven til en lav temperatur (~ 4 ° C) for optimal overlapping er også beskrive her17. Under Boussinesq tilnærming, estimert størrelsesorden naturlig konveksjon hastighet u er gitt av u ~L2 gβΔT / v, der L er lengden omfanget av varme og Δ T er temperaturøkningen i forhold til referanse på grunn av oppvarming. g og β er gravitasjonsakselerasjonen og varmeutvidelseskoeffisient, henholdsvis. Tettheten av vann mediet utstillinger uregelrett temperatur avhengighet temperaturer nær 4 ° C, og dette oversettes til en nær null varmeutvidelseskoeffisient og derfor en vanishingly liten photothermal konveksjon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. optisk Setup
Merk: prinsippet om optisk oppsettet er illustrert i figur 1.
- Sett opp den optiske tweezer kit (se Tabell for materiale) og modulen fluorescens (se Tabell for materiale) som sine manualer. Koble en 470 nm blå lys emitting diode (LED) lys kilde til modulen fluorescerende.
- Erstatte høy numeriske blenderåpning (NA) (NA = 1,25, forstørrelse 100 x) oljeobjektiv nedsenking av en lang arbeider avstand (WD) mikroskop mål (brennvidde 3,6 mm, WD = 10.6 mm, NA = 0,5).
- Fjerne linsen i delen strålen utvidelse av sammensatte kit å oppnå løs fokusering av laserstrålen.
- Slår på strømforsyningen og gjeldende for laser diode bølgelengde 980 nm og bruk den ladet forente apparat (CCD) kameraet å sikre laserstrålen er riktig justert.
Merk: Hvis laserstrålen godt justert, CCD kameraet vil lese en Gaussian spot.
2. Nanofabrication
- markør fabrikasjon.
Merk: Markører hjelper deg for å plassere matrisen i nanoplasmonic i løpet av fabrikasjon prosessen og påfølgende overlapping eksperiment. Detaljert prosessen er illustrert i supplerende figur 1.- Innskudd 40 nm indium tinn oksid (ITO) film på en dekkglassvæske av tykkelse 0,17 mm med sputtering.
Merk: ITO filmen vil hjelpe utslipp elektroner under prosessen med påfølgende e-beam litografi. - Spin coat en 8 µm lag av positiv photoresist med snurr fart 4000 rpm og tiden 30 s med en spinn coater.
- Myk bake prøven ved 90 ° C i 5 min og justere utvalget med photomask for markør og utsette prøven for UV-lys for 80 s i masken aligner.
- Suge prøven i photoresist utvikleren for 130 s.
- Inn et 2 nm lag av krom og en 40 nm lag av gull på prøven ved hjelp av termisk fordampning. 18
- suge eksemplet i aceton og legg den i en ultrasonisk renere opererer på 43 kHz og 150 M i 5 min for løft av
- Innskudd 40 nm indium tinn oksid (ITO) film på en dekkglassvæske av tykkelse 0,17 mm med sputtering.
- Fabrikasjon av Nanoplasmonic Array
- Spin pels et lag av e-beam motstå PMMA 120K med rotere fart 5000 rpm for 30 s på en spinn coater. Bake prøven ved 160 ° C i 3 minutter på en stekeplate.
- Snurr pels et lag av e-beam motstå PMMA 960K med rotere fart 5000 rpm for 30 s på en spinn coater. Bake prøven ved 160 ° C i 3 minutter på en stekeplate.
- Bruk e-beam forfatter å utsette e-strålen motstå med akselerasjon spenning 30 kV og dosering 400 C/cm 2.
- Sette en 40 nm lag av gull i en termisk fordamperen.
- Nyt utvalget i aceton og plassere den i en ultrasonisk renere i 5 min for løft av
3. Eksempel kjølesystem og temperatur kalibrering
Merk: utvalget kjøling scenedesign vises i supplerende figur 2.
- Gjør sjåføren krets for eksempel kjøling
- Place motstander, bipolar krysset transistorer og power metal Oxice feltet effekt transistorer på egendefinerte kretskortet etter koblingsskjemaet i supplerende figur 3 . Loddetinn alle disse komponentene med loddebolt.
- Koble ledninger mellom kontroll porten kretskortet og elektroniske styret. Koble ledningene mellom utdataporten krets og thermoelectrical kjøleelement (TEC). Plassere TEC elementet på utvalg scenen med varmen synker.
Merk: The TEC element har et hull i midten tillate laserstrålen å erfare. - Koble ledningene fra kretskortet 5 V strømnett. Bruk av fremtidsrettede infrarødt kamera for å overvåke temperaturen å sjekk hvis thermoelectrical kjøling er riktig nedkjøling.
- Kalibrering av målt temperaturen i fremtidsrettet infrarød kamera og motstand temperatur detektor (RTD) termometeret.
- Plasser RTD termometeret på en tom dekkglassvæske og Påfør en liten mengde termisk pasta til det å sikre riktig termisk kontakt mellom RTD termometer og dekkglassvæske.
- Endre strøminnstillingen produksjon av elektronisk krets TEC elementet ved å endre driftssyklus for puls bredde modulasjon og vente på 3 minutter å sikre steady state temperaturen er nådd. Lese temperatur bruke RTD termometeret.
- Slå på fremover ser infrarødt kamera og skjerm temperaturen. Gjenta dette på ulike utgang innstillinger å få kalibreringskurven temperatur. En representant temperatur kalibreringskurven vises i supplerende figur 4.
Merk: Det er viktig å gjøre kalibrering mellom RTD termometer og fremtidsrettede infrarøde kameraet fordi temperaturen lese av fremtidsrettet infrarød kameraet må være korrekt å sikre riktig temperatur er nådd.
4. Overlapping av Microparticles
- Dilute mikro polystyren partikler av diameter 2 µm i deionisert vann i en microcentrifugetube med riktig volumkontrollen.
Merk: Konsentrasjonen av mikro partikler kan justeres i henhold til direktivets eksperimentet. Mens lavere konsentrasjon lar et eksempel tidsintervall mellom én partikkel overlapping hendelser, vil høyere konsentrasjon forkorte tiden flere partikkel overlapping. Enkelt partikkel overlapping er en typisk konsentrasjon ~0.05% (w/v). - Sette prøven med nanoplasmonic utvalg på scenen og slå på en 470 nm ledet som fluorescens lyskilden og manuelt sette makt til 5 mW for lyse feltet bildebehandling.
- Bruke markøren å finne nanoplasmonic array, justere utvalget, og bruke CCD kamera matrisen skal i midten av regionen rundt på dataskjermen.
- Dispensere 10 µL av utvannet mikro partikler av diameter 2 µm på prøven med en mikro pipette.
- Aktiverer gjeldende tilførselen til laserdiode av bølgelengde 980 nm å opphisse plasmonic resonans i matrisen med en kraft i området ~ 1 mW til 10 mW.
- Slå på strømforsyningen til elektroniske styret å kjøle ned prøve å en steady state temperatur ~ 4 ° C.
- Viewer-programvaren, klikk på " videoopptak " rekkefølge for å åpne dialogboksen opptak. Klikk i " posten " for å starte videoen innspillingen 1.5 av bevegelsen av mikro partikler på en bildefrekvens på 10 rammer/s over prøven under påvirkning av laserstrålen bruker CCD kameraet. Klikk på " stoppe " for å stoppe opptaket. Se Video 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Enkelt partikkel baner var registreres av en CCD kamera i vårt eksperiment og bildene ble deretter behandlet med et egendefinert program for å trekke ut hver partikkel bane16. Representant vises i Figur 3 og Video 1 for mikro-kuler med diameter på 2 µm. flere partikkel pynt inne optisk gitteret ble observert. Etterfølgende bilder Hentet fra en representant motion video av partikkel vises i Figur 4. For microparticles av diameter 2 µm, kan man se klynging av microparticles dannet et Sekskantet tett pakket (hcp) struktur. Prøven kan også varme opp ved å slå av TEC elementet; observerte fanget klyngen ville spre seg på grunn av photothermal konveksjon.
Figur 1 . Skjematisk av optisk.
En Gaussian stråle med bølgelengde på 980 nm brukes å opphisse plasmonic optisk gitter prøve å opprette overtrykk potensielle. En fiber-kombinert laserdiode av bølgelengde 980 nm går gjennom speilet (M1), blir løst fokusert av en lang arbeider avstand mikroskop mål, og interesserer plasmonic prøven. Fluorescerende bildet er tatt med samme mål i forbindelse med dichroic speil (DM) og utslipp filter (EF) under fluorescerende magnetisering på 470 nm fra lys emitting diode lyskilde. Magnetisering lys i 980 nm for plasmonic resonans er fargekodet "pink" og eksitasjon og utslipp lys for fluorescerende imaging er fargekodet 'blue' og 'grønne', henholdsvis. Bevegelse registreres med CCD kameraet. Thermoelectrical kjøling (TEC) brukes til å kjøle ned prøven. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 . Nano Plasmonic matrise fabrikkert av E-Beam litografi. (en) markør design brukt til å finne og justere utvalget i e-beam writer. Den ytre hvite firkanten er 22 mm x 22 mm, og ringformede markøren i rammemargen har en ytre diameter på 150 µm og indre diameter 50 µm. (b) A scanning elektron mikroskop (SEM) bilde av en nanoplasmonic-matrise. En enkel matrise av 22 x 22 nanodiscs brukes, og hver enhet-cellen inneholder en nanodisc tykkelse 40-nm og diameter 550 nm med mellom platen avstand 750 nm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 . Enkelt partikkel baner. Baner av microparticles utdraget benytter bildebehandling er kompilert med centroid algoritmen16 og vises her. Optisk strømforbruket for plasmonic resonans eksitasjon på 980 nm er 5 mW. En skala bar med 2 µm vises. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 . Bilde av en klynge av Microparticles fanget i Plasmonic optisk gitter og akkumulering av Microparticles Over tid på en optisk effekt på 5 mW. (en) påfølgende fluorescens bilder viste Oppsamling av fanget microparticles danner klynger. En hvit skala bar på 4 µm vises. (b) antall fanget microparticles versus tid, Hentet fra (en). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Video 1. Optisk fangst og partikkel oppbygging av 2 µm partikler. Optisk strømforbruket for plasmonic resonans eksitasjon på 980 nm er 5 mW. Vennligst klikk her å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)
Supplerende figur 1. Behandle strømmen av Nanofabrication i Nanoplasmonic matrise. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende figur 2. Eksempel kjøling scenedesign. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende figur 3. Sjåføren krets for eksempel kjøling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende figur 4. Temperatur kalibrering mellom en rtd termometer og Forward-Looking infrarødt kamera. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Fremgangsmåten som er beskrevet her gjør leseren til å reprodusere pålitelig overtrykk på daglig basis. En generell empirisk retningslinje å designe en brukbar optisk gitter er å bruke en tilsvarende størrelse for plasmonic nanoarray, interdisc avstand, og fanget partikkelstørrelse. Sammenlignet med en enkelt, isolerte plasmonic nanostructure, forbedrer optisk gitter design sammen med høy optisk makt by av kjøling prøven ~ 4 ° c brukes her sterkt sannsynligheten for overlapping. Hvis godt adskilt, plasmonic nanostrukturer brukes som overlapping, må vente lenge for overføringen av microparticles i effektiv overlapping volum nær plasmonic nanostrukturer. Også reduserer øke avstanden mellom platen kritisk sannsynligheten for partikkel oppbygging. Merk at en kan også utføre overlapping eksperimentet med plasmonic optisk gitteret ved romtemperatur men brukbare optisk makt vil være svært begrenset. Også på optisk strømsparingsmodus, må vente i lang tid (~ 1 h) for hendelsen microparticle overlapping. Vanligvis slår vi på CCD kameraet å registrere partikkel bevegelse og plukke opp hendelsen overlapping innen få minutter. Gjeldende laser makt er så høy som 10 mW. En stor samling av microparticles kan observeres på en høy optisk ytelse.
Det kritiske trinnet for suksess i dette arbeidet er å kjøle ned plasmonic på en skjør cover slip og temperaturen samtidig prøven. Vi har valgt av fremtidsrettede infrarødt kamera å måle temperaturen fordi slike en ikke-kontakt måling reduserer sjansen for eksempel brudd. Alternativt kan man velge å lime på en liten størrelse termometer og bruke den til å måle temperaturen i sanntid. Kjølesystemet sammen med ikke-kontakt temperaturmåling gjelder generelt for optisk mikroskopi ved lave temperaturer.
Selv om demonstrasjon her gjøres med mikron-størrelse partikler, kan en felle nanopartikler Nedskalering både størrelsen og linjeavstand til gull nanodiscs. Så langt, fangst av nanopartikler med diameter så lite som 100 nm har vært demonstrert19. Dette er, men ikke den ytterste grensen av plasmonic optisk gitteret. Også vi har brukt lang arbeider avstand mikroskop mål å lette mekanisk design av utvalg scenen. Bedre oppløsning i bildebehandling kan oppnås ved å erstatte den med en nedsenking mikroskop oljeobjektiv. Ved å skalere ned dimensjonene til den plasmonic nanostrukturer, bør fangst av enda mindre nanopartikler også være mulig. 20 , 21
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Y. T. Y. ønsker å erkjenne finansiering fra departementet for vitenskap og teknologi under grant tall mest 105-2221-E-007-MY3 og fra National Tsing Hua University under grant tall 105N518CE1 og 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. Photoinduced heating of nanoparticle arrays. ACS Nano. 8, 6478-6488 (2013).
- 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).
