Name: Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 10 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung und den Betrieb eines Nano-Optical Fließbands zur präzisen optischen Manipulation submikroner dielektrischer Partikel. Diese Methode nutzt plasmonische Resonatoren für verbesserte Skalierbarkeit.

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Die Autoren danken Professor Yuzuru Takashima von der Universität von Arizona für die Diskussionen über optische Bildgebung, Herrn Karl Urbanek für die Unterstützung bei Hochleistungslasern und Max Yuen für die Diskussionen über die Brownsche Bewegung. Die Autoren danken Professor Kenneth Crozier von der Harvard University für hilfreiche Diskussionen über optische Fallenexperimente. Die Finanzierung erfolgte zum Teil durch die United States National Science Foundation (Fördernummer 1028372).

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Das NOCB kombiniert die starken Fangkräfte und die geringe Fallengröße plasmonischer Ansätze mit der Fähigkeit, Teilchen zu transportieren, die lange Zeit nur für herkömmliche fokussierte Strahltechniken verfügbar war. Die Einfang- und Transporteigenschaften des Systems sind das Ergebnis der Oberflächenstrukturierung und nicht der Formung des Beleuchtungsstrahls. Vorausgesetzt, die Beleuchtung ist hell genug und ihre Polarisation oder Wellenlänge kann moduliert werden, können Teilchen in komplizierten Protokollen auf der...

Das Einfangen, Abfragen und Manipulieren einzelner Nanopartikel ist in der Nanotechnologie von wachsender Bedeutung. Die optische Pinzette hat sich zu einer besonders erfolgreichen Manipulationstechnik für Experimente in der Molekularbiologie1-4, der Chemie5-7 und der Nanoassemblierung7-10 entwickelt, wo sie bahnbrechende Experimente wie die Messung der mechanischen Eigenschaften einzelner DNA-Moleküle4 und die Sortierung von Zellen nach ihren optischen Eigenschaften ermöglicht hat11,12. Entdeckungen an diesen Grenzen eröffnen die Erforschung noch kleinerer Systeme und ebnen den Weg für die Entwicklung neuer, praktisch nützlicher Produkte und Techniken. Dieser Trend wiederum treibt den Bedarf an neuen Techniken voran, um kleinere, rudimentärere Partikel zu manipulieren. Darüber hinaus gibt es Bestrebungen, "Lab-on-a-Chip"-Geräte zu bauen, um diese Funktionen billiger und in einem kleineren Gehäuse auszuführen, um chemische und biologische Tests für medizinische und andere Zwecke aus dem Labor in die Praxis zu bringen13,14.
Leider kann das konventionelle optische Trapping (COT) nicht alle wachsenden Anforderungen der Nanotechnologie erfüllen. COT arbeitet nach dem Mechanismus der Verwendung einer Objektivlinse mit hoher numerischer Apertur (N.A.), um das Laserlicht auf einen engen Fokus zu bringen, wodurch ein lokalisierter Spitzenwert der optischen Intensität und hohe Gradienten in der elektromagnetischen Feldenergie erzeugt werden. Diese Energiedichtegradienten üben eine Nettokraft auf lichtstreuende Teilchen aus, die sie in der Regel in Richtung des Fokuszentrums zieht. Das Einfangen kleinerer Partikel erfordert eine höhere optische Leistung oder einen engeren Fokus. Fokussierte Lichtstrahlen gehorchen jedoch dem Prinzip der Beugung, das die minimale Größe des Brennflecks begrenzt und eine Obergrenze für den Energiedichtegradienten setzt. Dies hat zwei unmittelbare Konsequenzen: COT kann kleine Objekte nicht effizient einfangen, und COT hat Schwierigkeiten, zwischen eng beieinander liegenden Partikeln zu unterscheiden, eine Einschränkung der Fangauflösung, die als "Fat Fingers"-Problem bekannt ist. Darüber hinaus erfordert die Implementierung von Mehrfach-Partikel-Trapping mit COT Systeme von Beam-Steering-Optiken oder räumlichen Lichtmodulatoren, Komponenten, die die Kosten und die Komplexität eines optischen Trapping-Systems drastisch erhöhen.
Eine Möglichkeit, die grundlegenden Einschränkungen herkömmlicher fokussierter Lichtstrahlen zu umgehen, von denen gesagt wird, dass sie sich im Fernfeld ausbreiten, besteht darin, stattdessen die Gradienten der optischen elektromagnetischen Energie im Nahfeld auszunutzen. Das Nahfeld zerfällt exponentiell von den Quellen elektromagnetischer Felder weg, was bedeutet, dass es nicht nur stark an diese Quellen gebunden ist, sondern auch sehr hohe Gradienten in seiner Energiedichte aufweist. Es wurde gezeigt, dass die Nahfelder nanometallischer Resonatoren, wie z. B. Bowtie-Blenden, Nanosäulen und C-förmige Gravuren, außergewöhnliche Konzentrationen elektromagnetischer Energie aufweisen, die durch die plasmonische Wirkung von Gold und Silber bei nahinfraroten und optischen Wellenlängen noch verstärkt werden. Diese Resonatoren wurden verwendet, um extrem kleine Partikel mit hoher Effizienz und Auflösungvon 15-22 einzufangen. Während sich diese Technik beim Einfangen kleiner Partikel als effektiv erwiesen hat, hat sie sich auch als begrenzt in ihrer Fähigkeit erwiesen, Partikel über eine nennenswerte Reichweite zu transportieren, was notwendig ist, wenn Nahfeldsysteme mit Fernfeldsystemen oder Mikrofluidik verbunden werden sollen.
Vor kurzem hat unsere Gruppe eine Lösung für dieses Problem vorgeschlagen. Wenn Resonatoren sehr dicht beieinander platziert werden, kann ein Teilchen prinzipiell von einer optischen Nahfeldfalle zur nächsten wandern, ohne von der Oberfläche freigesetzt zu werden. Die Transportrichtung kann bestimmt werden, wenn benachbarte Fallen getrennt ein- und ausgeschaltet werden können. Ein lineares Array von drei oder mehr adressierbaren Resonatoren, bei dem jeder Resonator empfindlich auf eine andere Polarisation oder Wellenlänge des Lichts reagiert als seine Nachbarn, fungiert als optisches Förderband und transportiert Nanopartikel über eine Entfernung von mehreren Mikrometern auf einem Chip.
Das sogenannte 'Nano-Optical Conveyor Belt' (NOCB) ist einzigartig unter den plasmonischen Resonator-Fangschemata, da es Partikel nicht nur an Ort und Stelle halten, sondern sie auch mit hoher Geschwindigkeit entlang gemusterter Bahnen bewegen, Partikel sammeln oder dispergieren, mischen und in eine Warteschlange stellen und sogar nach Eigenschaften wie ihrer Mobilität sortierenkann 23. Alle diese Funktionen werden durch Modulation der Polarisation oder Wellenlänge der Beleuchtung gesteuert, ohne dass eine Beam-Steer-Optik erforderlich ist. Als optische Nahfeldfalle ist die NOCB-Fallenauflösung höher als bei herkömmlichen optischen Fallen mit fokussiertem Strahl, so dass sie zwischen Partikeln in unmittelbarer Nähe unterscheiden kann. Da es eine Metall-Nanostruktur verwendet, um das Licht in einer Einfangvertiefung zu konzentrieren, ist es energieeffizient und benötigt keine teuren optischen Komponenten wie ein Objektiv mit hohem N.A.-Wert. Darüber hinaus können viele NOCBs parallel bei hoher Packungsdichte auf demselben Substrat betrieben werden, und 1 W Leistung kann über 1200 Öffnungenansteuern 23.
Wir haben kürzlich das erste polarisationsgesteuerte NOCB demonstriert, das ein Nanopartikel sanft entlang einer 4,5 μm langen Spur hin und her befördert24. In diesem Artikel stellen wir die Schritte vor, die notwendig sind, um das Gerät zu entwerfen und herzustellen, es optisch zu aktivieren und das Transportexperiment zu reproduzieren. Wir hoffen, dass die breitere Verfügbarkeit dieser Technik dazu beitragen wird, die Größenlücke zwischen Mikrofluidik, Fernfeldoptik und nanoskaligen Geräten und Experimenten zu schließen.

<table><tbody><tr><td>HSQ E-Beam-Resist</td><td>Dow Corning</td><td>XR-1541-006</td><td></td></tr><tr><td>PMMA</td><td>MicroChem</td><td>950A2 M230002</td><td></td></tr><tr><td>Schnell aushärtender optischer Klebstoff</td><td>Norland Optischer Klebstoff</td><td>NOA 81</td><td></td></tr><tr><td>Fluoreszierende Carboxyl-Mikrosphären</td><td>Bangs Laboratories</td><td>FC02F, FC03F</td><td></td></tr><tr><td>Fluoreszierende Carboxylat-modifizierte Mikrosphären</td><td>Molekulare Sonden</td><td>F-8888</td><td></td></tr><tr><td>Quarz-Objektträger</td><td>SPI liefert</td><td>1020-AB</td><td></td></tr><tr><td>Inverses Fluoreszenzmikroskop</td><td>Nikon</td><td>ECLIPSE TE2000-U</td><td></td></tr><tr><td>Nd:YAG-Laser</td><td>Lightwave Electronics</td><td>221-HD-V04</td><td></td></tr><tr><td>sCMOS-Kamera</td><td>PCO</td><td>EDGE55</td><td></td></tr><tr><td>CCD-Kamera</td><td>Watec</td><td>WAT-120N</td><td></td></tr><tr><td>Halbwellenplatte nullter Ordnung</td><td>Thorlabs</td><td>WPH05M-1064</td><td></td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T8787</td><td></td></tr><tr><td>Destilliertes Wasser</td><td>Invitrogen</td><td>10977-023</td><td></td></tr><tr><td>Si Wafer</td><td>Silicon Quest International</td><td>708069</td><td></td></tr><tr><td>Optische Linsen</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

herstellung und betrieb eines nano-optical fließband

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

Die Technik, fokussierte Laserstrahlen zu verwenden, um kleine Teilchen einzufangen und Kräfte auf sie auszuüben, hat in den letzten Jahrzehnten viele entscheidende Entdeckungen in den nanoskaligen biologischen und physikalischen Wissenschaften ermöglicht. Die auf diesem Gebiet erzielten Fortschritte geben Anlass zu weiteren Untersuchungen noch kleinerer Systeme und in größerem Maßstab, mit Werkzeugen, die leichter verbreitet und breiter verfügbar gemacht werden könnten. Leider begrenzen die fundamentalen Gesetze der Beugung die minimale Größe des Brennflecks eines Laserstrahls, was Partikel mit einem Durchmesser von weniger als einer halben Wellenlänge schwer zu fangen macht und einen Bediener im Allgemeinen daran hindert, zwischen Teilchen zu unterscheiden, die näher als eine Halbwellenlänge beieinander liegen. Dies schließt die optische Manipulation vieler eng beieinander liegender Nanopartikel aus und schränkt die Auflösung optisch-mechanischer Systeme ein. Darüber hinaus erfordert die Manipulation mit fokussierten Strahlen eine Strahlformungs- oder Lenkoptik, die sehr sperrig und teuer sein kann. Um diese Einschränkungen in der Systemskalierbarkeit herkömmlicher optischer Fallen zu beheben, hat unser Labor eine alternative Technik entwickelt, bei der Nahfeldoptiken verwendet werden, um Partikel über einen Chip zu bewegen. Anstatt Laserstrahlen im Fernfeld zu fokussieren, erzeugt das optische Nahfeld plasmonischer Resonatoren die notwendige lokale optische Intensitätsverstärkung, um die Einschränkungen der Beugung zu überwinden und Teilchen mit höherer Auflösung zu manipulieren. Eng beieinander liegende Resonatoren erzeugen starke optische Fallen, die angesprochen werden können, um die Weitergabe von Teilchen von einem zum nächsten wie ein Fließband zu vermitteln. Hier beschreiben wir, wie man ein Förderband mit einer Goldoberfläche, die mit plasmonischen C-förmigen Resonatoren strukturiert ist, entwirft und herstellt und wie man es mit polarisiertem Laserlicht betreibt, um eine superaufgelöste Manipulation und den Transport von Nanopartikeln zu erreichen. Der nanooptische Förderbandchip kann mit Hilfe von Lithographietechniken hergestellt und einfach verpackt und vertrieben werden.

Abbildung 7 zeigt ein Bild des fertigen Geräts. Im Zentrum der 1 cm x 1 cm großen Goldoberfläche befindet sich die Matrix aus CSE- und Fördererstrukturen, die aus einem schrägen Blickwinkel kaum sichtbar sind. Abbildung 6 ist ein Rasterelektronenmikroskopiebild eines beispielhaften CSE-Musters auf dem fertigen Gerät.
Die Teilchenbewegung einer 390 nm großen Polystyrolkugel, die eine 5 µm lange nano-optische Förderbahn entlangwandert, ist in Abbildung 9...

Die Skalierbarkeit und Auflösung herkömmlicher optischer Manipulationstechniken sind durch Beugung begrenzt. Wir umgehen die Beugungsgrenze und beschreiben eine Methode zum optischen Transport von Nanopartikeln über einen Chip unter Verwendung einer Goldoberfläche, die mit einem Pfad aus eng beieinander liegenden C-förmigen plasmonischen Resonatoren strukturiert ist.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, submikronische dielektrische Teilchen mithilfe des optischen Nahfelds eines linear angeordneten, adressierbaren Plasmonik-Resonator-Arrays zu transportieren, das auch als nano-optischer Förderband bezeichnet wird. Dies wird erreicht, indem zunächst das Förderband mit Hilfe einer Software so konstruiert wird, dass ein erfolgreicher Transport entlang des gewünschten Pfads gewährleistet ist. Im zweiten Schritt wird das Förderband mittels Elektronenstrahllithografie und einer Template-Stripping-Technik hergestellt.Als Nächstes wird eine Probe am Ende des Förderbandes mit einem Laser eingefangen, und eine λ/2-Platte im Strahlengang wird gedreht, um den Transport des Teilchens einzuleiten. Die Ergebnisse zeigen einen linearen Transport über die Breite des Laserstrahls, der durch die Drehung des Polarisationswinkels verursacht wird, und nicht durch eine Änderung des Intensitätsprofils des Strahls. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens gegenüber herkömmlichen optischen Pinzetten liegt darin, dass das Transportverhalten und die Auflösung von mittels Lithografie hergestellten Strukturen abhängen und nicht von einer Strahllenkung. D

fabrication-and-operation-of-a-nano-optical-conveyor-belt

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