Optisk fångst av nanopartiklar

Summary

Följande inställningar metoden uppgifter låg effekt optiska fångstmetoder dielektriska nanopartiklar med en dubbel-nanohole i metallfilm.

Abstract

Optisk svällning är en teknik för immobilisering och manipulera små föremål på ett skonsamt sätt med ljus, och den har i stor utsträckning i fånga och manipulera små biologiska partiklar. Ashkin och medarbetare visade först optisk pincett med en enda fokuserad stråle ^1. Den enda stråle fällan kan beskrivas exakt med perturbative formuleringen lutning kraft i små Rayleigh regim partiklar ^1. I perturbative regimen, den optiska effekt som krävs för att fånga en partikel skalor som inversen fjärde potensen av partikelstorleken. Höga optiska krafter kan skada dielektriska partiklar och orsaka uppvärmning. Till exempel, fångades latex sfärer 109 nm i diameter förstördes av en 15 mW balk i 25 sek ^1, som har allvarliga konsekvenser för biologisk materia ^2,3.

En själv-inducerad rygg-action (SIBA) optisk svällning föreslogs att fånga 50 sfärer nm polystyren iicke-perturbative ordningen ^4. I en icke-perturbative regim kan även en liten partikel med liten permittivitet kontrast till bakgrunden avsevärt påverka omgivande elektromagnetiska fältet och framkalla en stor optisk kraft. Som en partikel kommer in i en upplyst öppning ökar ljustransmission dramatiskt på grund av dielektrisk belastning. Om partikeln försöker lämna öppningen, orsakar minskad överföring en förändring i fart utåt från hålet och genom Newtons tredje lag, resulterar i en kraft på partikeln inåt i hålet, fånga partikeln. Ljustransmissionen kan övervakas, och därför kan fällan bli en sensor. Den SIBA fånga teknik kan förbättras ytterligare med hjälp av en dubbel-nanohole struktur.

Den dubbla nanohole struktur har visat sig ge en stark lokal fält förbättring ^5,6. Mellan de två vassa spetsar dubbla nanohole, kan en liten partikel orsaka en stor förändring i optisk transmissioN, därigenom inducera en stor optisk kraft. Som ett resultat, kan mindre nanopartiklar fångas, såsom 12 nm silikat sfärer ⁷ och 3,4 nm hydrodynamiska radie bovinserumalbumin proteiner ^8. I detta arbete är det experimentella konfigurationen för nanopartiklar fånga beskrivs. Först, vi detalj monteringen av fångande setup som är baserad på en optisk Thorlabs Tweezer Kit. Därefter förklarar vi nanofabrikation förfarandet för dubbel-nanohole i en metallfilm, tillverkningen av mikroflödessystem kammaren och provberedning. Slutligen har vi detalj datainsamling förfarandet och ge typiska resultat för att fånga 20 nanosfärer nm polystyren.

Protocol

Principen för SIBA fångande teknik illustreras i figur 1. Figur 2 är en schematisk bild av experimentuppställningen.

1. Optisk Svällning Setup

För denna del av förfarandet, se den optiska fångstmetoder kit handbok ⁹ eller den optiska kraftmätning modulens handbok ¹⁰ för detaljer om inställning av kit. Notera att en lavinfotodiod (APD) användes i stället för en kvadrant positionsdetektor. För skruvar som inte ingår i den optiska svällning kit, använd dem i huvudskruven och hårdvara kit (Thorlabs, HW-Kit2). Ögonskydd bör användas vid alla tillfällen när lasern är på. Se till att strålen inuti ett säkert område och reflekterande tillbehör såsom smycken, bör undvikas. Dessutom är elektrostatisk urladdning skydd rekommenderas vid hantering laserdioder.

1. Ställ in den optiska pincetten kit (Thorlabs, OTKB / M) och kraften MEAningarna modul (Thorlabs, OTKBFM) enligt respektive handböcker. En kiselbaserade lavinfotodiod (APD) (Thorlabs, APD110A) användes i stället för kraftmätning modulens (Thorlabs, OTKBFM) kvadranten lägesdetektorn.
2. Anslut APD till ett oscilloskop (Tektronics, TDS1012) via en koaxialkabel.
3. Lägg till en halv-våg plattan (Thorlabs, AHWP05M-980) inuti strålexpanderaren. Den halwågsplattan är fäst mellan två objektiv rör (Thorlabs, SM1L03).

2. Nanotekniklaboratoriet

1. Skär en guld-belagd testskivan (EMF Corp, Cr / Au) i fyra identiska delar. Som ett alternativ till de kommersiellt tillgängliga objektglas, har vi också använt en 100 nm tjock Au-film med en 2 nm Ti vidhäftningsskikt avsattes genom e-stråle avsättning på en 1 tums fyrkant glasskiva vid en förhöjd substrattemperatur av 200 ° C under minst 1 timme. Detta ger en jämn polykristallin film.
2. Skapa en bitmap bild av dubbla nanohole struktur som ingång tillden fokuserade jonstrålar (FIB)-systemet är en bitmapp. Bilden består av två fyllda cirklar, 160 nm i diameter, med ett centrum till centrum avstånd av 190 nm. Med denna mall skapas en spets separation av ca 15 nm. Mellan cirklarna kan en valfri tunn linje placeras för att avlägsna eventuella rester metall i mellan spetsarna. Visar en bild exempel bitmapp Figur 3a.
3. Tillverka dubbla nanohole struktur med hjälp av en FIB (Hitachi, FB-2100) fräsning systemet. Konvertera bitmapp i steg 2,2 till en FIB fräsning mönster (det mörka området i bitmappen blir fräst av FIB). Använd en jon accelererande spänning av 40 kV, en stråle begränsande apertur av 15 fim diameter under 60 K gångers förstoring. Kvarn 80 passerar för varje dubbel-nanohole med en 5 isek dos tid vid varje passering. Figur 3b visar en typisk resulterande struktur. Upprepa efter behov. Flera nanoholes bör göras för att möjliggöra fel.
4. Lägg registrering markörer, antingen med FIB och / eller efter hoch att indikera den ungefärliga platsen för det dubbla nanohole (er).
5. Eventuellt, ta en SEM-bild av hålen att exakt utvärdera struktur kvalitet och dricks separering.

3. Mikroflödessystem kammare

Ett processflödesdiagram för tillverkning av mikroflödessystem kammaren visas i figur 4.

1. Häll 10 g av polydimetylsiloxan (PDMS) bas (Dow Corning Kanada, Sylgard 184 silikonelastomer Bas) och ytterligare 1 g av härdningsmedel (Dow Corning Kanada, Sylgard 184 silikonelastomer Härdare) till en engångsbehållare. Blanda i ett par minuter.
2. Evakuera blandningen i vakuumkammare tills alla bubblor är borta.
3. Häll 1,5 g PDMS i en 9 cm diameter Petri-skål. Spin coat PDMS på botten av petriskål vid 950 rpm under 65 sek. Figur 4b visar resultatet. Tjockleken är ej kritisk så länge som den är under 80 pm; guldfilmen ligger inom den nedre mikroskop objective arbetsgrupp avstånd.
4. Försiktigt plats 3-5 # 1,5 täckglas (Fisher Scientific, 12-541-B) på PDMS så att de inte överlappar och evakuera under 30 minuter, såsom visas i figur 4c.
5. Om täckglas flyttats och staplas ovanpå varandra under evakueringen, försiktigt flytta dem ifrån varandra. Försiktighet måste iakttas för att hålla PDMS enligt täckglas tunn och jämn.
6. Om manipulation av täckglas krävdes, evakuera petriskål igen i 30 min.
7. Ta petriskål från vakuumkammare och koka på värmeplatta under 20 minuter vid 85 ° C.
8. Med hjälp av ett rakblad, skär ut en av locket glider sedan försiktigt bända upp bilden med fin spets pincett. Ett tunt skikt av PDMS kommer att stanna på täckglaset som PDMS är mer adhesiv för täckglas än PMMA petriskål såsom i figur 4e.
9. Skär ut en 3 x 3 mm fönster i PDMS med ett rakblad som i figur 4f. Detta fönster kommer att utgöra kammaren där nanoparticle lösning kommer att hållas.

4. Provberedning

1. Tillverka en objektglas med en ¾ "diameter hål i centrum med akryl. Detta kan uppnås med en laserskärare. Andra material kan användas. Guldet Provet placeras i hålet.
2. Tejpa omkretsen av hålet med dubbelhäftande tejp. Använd ett rakblad för att skära över tejpen.
3. Placera objektglas på täckglaset, PDMS uppåt.
4. Späd lösningen polystyren NanoSphere (Thermo Scientific, 3020A) från 1% vikt / volym till 0,05% vikt / volym med avjoniserat vatten. En mikropipett kan användas.
5. Tillsätt några droppar lösning i PDMS fönstret. Lägg en droppe på guld provet där nanoholes finns.
6. Placera guld prov ovanpå täckglas så att nanoholes är inne i PDMS-fönstret. Se till att bubblor inte är närvarande inuti kammaren. Tryck guld prov mot täckglas och badda överflödig lösning.
7. Om du använder en oljeimmersionsobjektivet (vilket är fallet här, men inte nödvändigt), tillsätt en droppe immersionsolja på motsatt sida av täckglas, under PDMS fönstret. Ta del av placeringen av nanoholes.
8. Infoga objektglas i hållaren, olja nedåt och sänk hållaren tills immersionsolja kommer i kontakt med mikroskop målet.
9. Ungefär anpassa bild skede så att indikatorn märken är under målet.
10. Följ indikator linjer som leder upp till nanoholes. Placera bilden så att indikatorn märken och andra öppna ytor tas bort från skärmens mitt. Överdriven ljustransmission kan skada APD.
11. Slå på laser. Eftersom den dikroiska spegeln är inte perfekt, bör en plats nära mitten av skärmen från laserstrålen visas.
12. Använda piezo scenen styrprogram, ytterligare förfina anpassningen för alla tre axlar.

5. Data Acquisition

1. Med help av indikatorn märken, placera plats nära en känd nanohole plats. De nanoholes kommer att vara för små för att lösas och bör finnas endast som fläckar.
2. Ljustransmissionen genom provet indikeras av signalnivån på oscilloskopet. Ytterligare anpassa provet för att maximera ljustransmission. Var försiktig med indikatorer märken och synliga och icke-synliga repor som ljus kommer att vara hög i dessa områden. Nanoholes visar plötsliga hopp i ljustransmission, medan repor uppvisar mer gradvisa förändringar.
3. Med hjälp av waveplate, justera ljuset polarisation för högsta ljustransmission som dubbel-nanohole struktur är polariserad.
4. För att minimera buller, bygga ett RC-filter med bakbord, 200 kQ resistor och 100 pF och ansluta den efter APD via en koaxialkabel. Dessa värden kan justeras för bästa prestanda, med tanke på bandbredd data som krävs förvärvet.
5. Koppla oscilloskop och data regelverkition modul (Omega, USB-4711A) till RC-filter med koaxialkablar och T adapter.
6. Provsmaka APD är spänningen med datainsamling modul för önskad tid. Hämtningstider är typiskt i de hundratals sekunder. I detta fall en anpassad mjukvara som används för datainsamling. Spänningen samplas vid 2.000 gånger per sekund.
7. Med hjälp av Matlab, filtrera de förvärvade data med hjälp av en Savitzky-Golay filter och rita den funktion av tiden i ett diagram.

Representative Results

En typisk förvärv spår visas i figur 5a. En fångsten är karakteristiskt plötslig, med en skarp kant, visar en tydlig växla mellan två sändeffektnivåer. Som partiklar är föremål för Brownsk rörelse kommer fångstmetoder händelser slumpmässigt. För 20 nm partiklar, var överföring förändringar från fångst vanligtvis runt 5-10% och fångstmetoder tider, runt 10-300 sek. Den typiska tid för att uppnå en fångsten för kraft och koncentration som beskrivs ovan är i storleksordningen en minut. På grund av steriskt hinder är det ovanligt att se flera partiklar svällning samtidigt, men när en partikel släpps, är det normalt följs av en efterföljande fångsten. Beroende på kvaliteten på resultaten, kan det finnas en viss ökning i signal brus i den instängda läge. Detta buller ökning kommer från Brownsk rörelse fångade partikeln. Utan den fångade partikeln, är denna bullerkällan ej närvarande.

_content "> Vissa artefakter kan dyka upp i resultaten som inte är tecken på fångstmetoder händelser. resultat som visar drivande, långsamma förändringar i överföringen under en period av minuter som visas i figur 5b, bör kasseras. Andra artefakter också kan finnas sådana som inkonsekventa överföring förändras, för mycket buller eller inget fångst alls. Till exempel kan bubblor orsaka diskontinuerliga intensitet hoppar om man inte är vaksam för att se till att kammaren är bubbelfri. Dessa bubblor kommer att svara olika på fångstmetoder händelser i termer av dynamisk beteende och intensitet förändras, och så de är lätta att identifiera. Sådana symtom kan orsakas av en dålig dubbel nanohole struktur, föroreningar eller mekaniska vibrationer. En tyst, låg aktivitet inställning rekommenderas att placera denna inställning. Dessutom, så laser och skede för att lösa ett par minuter efter att anpassa kan hjälpa också.

s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/>
Figur 1 subwavelength bländare optisk överföring: a) Utan partikel, b) Ökad överföring genom dielektrisk partikel, c) Om partikel försöker lämna, kommer minskningen i ljus rörelsemängd (AT) orsakar en kraft (F) på partikeln som till. dra tillbaka in i hålet, d) Röd-växling av transmissionskurvan orsakas av partikeln, vilket leder till förändring i transmission AT.

. Figur 2 a) Total schema att fånga installationen är utvidgningen av röd cirkel visas i b), b) Utvidgningen visar dubbel-nanohole och nanosfärer inuti PDMS kammaren, c) SEM-bild av den dubbla nanohole struktur. Använda förkortningar: LD = laserdiod, ODF = optisk densitet filter, HWP = halv-våg plattan, BE = strålexpanderare, MR = spegel, MO = mikroskop mål, OI MO = olja Immernen mikroskop mål, DH = dubbel nanohole, APD = lavin fotodetektor.

Figur 3 a) Exempel bitmapp siffra används i FIB tillverkning,. B) En SEM-bild av en dubbel-nanohole.

Figur 4. Process diagram för att tillverka mikroflödessystem kammaren.

Figur 5. (A) Typisk förvärv att fånga händelser med 20 kulor nm polystyren. (B) En dålig förvärv visar akut drivförmåga.

Discussion

Den nuvarande inställningen har effektiva fångstmetoder förmåga på grund av strukturen i nanohole. Denna nanohole fällor ~ 10 nm-skala dielektriska partiklar vid låga optiska intensiteter. Andra nya optiska fällor omfattar optiska dipolantenner ^11, viskande-gallery-mode optisk resonatorer ^12,13 och vågledare ^14, men de brukar verksamma inom perturbative regimen, som begränsas av den omvända fjärde ordningen skalning av den erforderliga optiska effekten kontra partikel storlek, till skillnad från SIBA och dubbelklicka nanohole fälla. Alternativa bländare former har också presenterats för fällor, till exempel en rektangulär plasmoniska nanopore ^15. Andra fördelaktiga egenskaper som visas av den dubbla nanohole fälla innefattar partikelstorlek-selektiv beteende ^7, en enda svällning plats (för att begränsa flera partiklar fånga) och enkel tillverkning ^16. Som ett alternativ till att använda en FIB, kan dubbel-nanoholes tillverkas genom att använda en kolloidal litografiy ^6.

Fångst av biologiska material med stor polariserbarhet och storlek har inkluderat bakterier ^3, levande celler, ^17,2,18 den tobakmosaikvirus ³ och manipulering och sträckning av DNA-strängar bundna vid ändarna med stora dielektriska partiklar ^19, men direkt infångning av mindre biologiska prover utan uppbindning förblir utmanande. Denna fångst konfiguration kan fånga små dielektriska partiklar vid lägre ljusintensiteter än konventionella ljus pincett och den runda nanohole, så att små biologiska partiklar som skall hållas under långa perioder utan skador eller tjudra. Även de fångstmetoder händelser uppvisar en hög signal-till-brus-förhållande gör denna inställning för att arbeta som en känslig sensor och upptäcka de minsta biologiska partiklar, såsom virus och proteiner. I själva verket, 20 nm polystyrensfärer har ett brytningsindex av 1,59, som är jämförbar med de minsta biologiska partiklarsåsom virus. Denna metod kan bli en pålitlig och mogen teknik för immobilisering och hantering av nanopartiklar, inklusive biologiska partiklar.

Tillämpningar av denna teknik inkluderar integrering i en mikroflödessystem omgivning. I stället för en enda mikrofluidisk kammare, skulle en kanal kan användas för att dynamiskt styra miljön, idealisk för brytningsindex avkänning. En sådan inställning skulle fastställas i ett enda mikroflödessystem chips leder till en mer stabil och robust installation och snabbare analyser av lösta ämnen. Ett annat alternativ är utvecklingen av en fluorescensdetektion system för karakterisering av enstaka fluorescerande-märkta virus, halvledare kvantprickar och gröna fluorescerande proteiner. Denna setup har också potential för modifiering i en biosensor för ett enda virus eller protein, vilket mycket små prover som skall analyseras. Läkemedelsutveckling ²¹ och sjukdomar och infektioner upptäckt ²² skulle dra fördel av ett enda protein detektor. Raman SPEctroscopy kan införlivas för detektering av Raman signaler av partiklar och enskilda bindande händelser. Den dubbla nanohole struktur möjliggör starka lokala fält förbättringar vid tips, lämpliga för tip-förstärkt Ramanspektroskopi ^23. En mycket specifik etikett-fri metod materialkarakterisering skulle också vara möjligt med användning av Ramanspektroskopi ^24.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Immersion Oil	Cargille Labs	16484	Quantity: 1
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit	Dow Corning Canada		Quantity: 1 Contains both PDMS base and curing agent
Gold Coated Test Slides	EMF Corp	Cr/Au	Quantity: 1 A Ti adhesion layer can be used as well
No 1.5 Coverslips	Fisher Scientific	12-541-B	Quantity: 1
Focused-Ion Beam System	Hitachi	FB-2100
Portable Data Acquisition Module	Omega Engineering	USB-4711A	Quantity: 1
Linear Stage	Parker	4034M	Quantity: 1
Laser Diode Head and Controller	Sacher Lasertechnik Group	TEC 120	Quantity: 1 Manual Tunable Littrow Laser System
Digital Oscilloscope	Tektronics	TDS1012	Quantity: 1
20 nm Nanosphere Size Standards	Thermo Scientific	3020A	Quantity: 1
1" Lens Mount	Thorlabs	LMR1	Quantity: 1
0.3" Lens Tube	Thorlabs	SM1L03	Quantity: 2
Absorptive ND 4.0 Filter	Thorlabs	NE40A	Quantity: 1
Aluminum Breadboard	Thorlabs	MB1824	Quantity: 1
Avalanche Photodiode	Thorlabs	APD110A	Quantity: 1
Digital Optical Power Meter	Thorlabs	PM100	Quantity: 1 Obsolete, others will do
Force Measurement Module	Thorlabs	OTKBFM	Quantity: 1
Kinematic Mirror Mount	Thorlabs	KM200-E03	Quantity: 1 With Near IR Laser Quality Mirror
Laser Diode Constant Current Driver	Thorlabs	LD1255R	Quantity: 1
LD1255 Optical Table Mounting Plate	Thorlabs	LD1255P	Quantity: 1
Mounted Achromatic Half-Wave Plate	Thorlabs	AHWP05M-980	Quantity: 1 690 - 1200 nm
Optical Tweezer Kit	Thorlabs	OTKB/M	Quantity: 1 Metric or Imperial
Post Holder Base	Thorlabs	BA2	Quantity: 2
Power Supply	Thorlabs	PS-12DC-US	Quantity: 1
Power Supply Cable	Thorlabs	LD1255-CAB	Quantity: 1
Right Angle Plate	Thorlabs	AP90	Quantity: 1
Right Angle Post Clamp	Thorlabs	RA90	Quantity: 1
Stainless Steel Optical Post	Thorlabs	TR3	Quantity: 1
Table Clamp	Thorlabs	CL1	Quantity: 2 Obsolete, others will do
Thermal Sensor	Thorlabs	PM210	Quantity: 1 For digital optical power meter
100 pF Capacitor			Quantity: 1 Any brand, not critical
200 KOhm Resistor			Quantity: 1 Any brand, not critical
Acrylic Sheet			Quantity: 3" x 1" Any brand, not critical
Assortment of coaxial cables, wires and connectors			As needed
Breadboard			Quantity: 1 Any brand, not critical
Concave Lens			Quantity: 1 Any brand, not critical
Diamond Cutter			Quantity: 1 Any brand, not critical
Double Sided Tape			Any brand, not critical
Razor Blade			Quantity: 1 Any brand, not critical
Tweezers			Quantity: 1 Any brand, fine tipped