나노 광학 컨베이어 벨트의 제작 및 운영
Summary
The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.
Abstract
작은 입자에 힘을 함정에 초점을 맞춘 레이저 빔을 사용 발휘하는 기술은 지난 몇 년 동안 나노 생물과 물리 과학의 많은 중요한 발견을 가능하게했다. 이 분야에서 진전을보다 쉽게 배포하고 널리 사용할 수 있습니다 도구, 더 작은 시스템의 더 큰 규모의 추가 연구를 초대합니다. 불행히도, 회절의 기본 법칙 트랩하기 어려운 지름이 반 파장보다 작은 입자를 만드는 레이저 빔의 초점 스폿의 최소 크기를 제한하고, 일반적으로 하나의 절반보다 더 가깝게되는 입자 사이에 차별 연산자 방지 -wavelength. 이것은 많은 밀접하게 이격 된 나노 입자의 광학 조작을 배제하고, 광 – 기계 시스템의 해상도를 제한한다. 또한, 집중 빔을 사용하여 조작이 매우 부피가 크고 비용이 많이들 수 있습니다 빔 형성 또는 스티어링 광학 필요합니다. 해결하기 위해종래의 광 트래핑 연구실의 시스템 확장 성에서 제한이 칩을 가로 질러 이동하는 입자를 근접장 광학을 이용하는 대안적인 방법을 고안했다. 대신 원거리에 레이저 빔의 초점을 맞추는, 플라즈몬 공진 근접장 광은 회절의 제한을 극복하고 높은 해상도로 입자를 조작하는 데 필요한 로컬 광 강도 향상을 생성한다. 밀접 간격 공진기는 컨베이어 벨트와 같은 방식으로 다음에 한에서 입자의 핸드 오프를 중재 해결할 수 있습니다 강력한 광학 트랩을 생산하고 있습니다. 여기서는 디자인 플라즈몬 C 형 공진기 및 방법 초해 나노 조작 및 수송을 달성하기 편광 된 레이저 광으로 조작하는 패터닝 금 표면을 이용하여 컨베이어 벨트를 제조하는 방법을 설명한다. 나노 광학 컨베이어 벨트 칩은 리소그래피 기술을 사용하여 제조 및 패키징 쉽게 분산 될 수있다.
Introduction
캡처, 심문 및 단일 나노 입자의 조작은 나노 기술의 중요성을 성장의이다. 광학 핀셋이 될 수 있도록 단일 DNA 분자 (4)과의 기계적 특성의 측정으로 획기적인 실험을 사용하도록 설정 한 분자 생물학 1-4, 5-7 화학 및 나노 조립 7-10에서 실험 특히 성공적인 조작 기술이되었다 그들의 광학 특성 11,12 의한 세포의 선별. 이러한 국경에 발견은 더 작은 시스템의 연구를 열어, 그들은 새로운 실질적으로 유익한 제품과 기술의 엔지니어링에 대한 방법을 확인합니다. 차례로, 이러한 경향은 새로운 기술들이 더 작고 기초 입자를 조작 할 필요가 구동한다. 또한, 의견 생화학 시험을 가지고 위해 더 저렴하고 더 작은 패키지에서 이러한 기능을 수행하기 위해 '랩 온어 칩'장치를 구축 할 수있다 푸시실험실, 의료 및 기타 목적으로 13, 14의 필드에.
불행하게도, 종래의 광 트래핑 (COT)는 나노 기술의 증가하는 요구 사항을 모두 충족 할 수 없습니다. COT 광 강도와 전자계 에너지 구배의 높은 국부 피크를 만드는 단단한 포커스에 레이저 광을 가지고 높은 개구 수 (NA)의 대물 렌즈를 사용하는 메커니즘을 동작한다. 이러한 에너지 밀도 구배는 일반적으로 초점의 중심을 향해 그들을 흡입 광 산란 입자에 힘을가 순. 작은 입자를 트래핑 높은 광 출력 또는 엄격한 초점을 필요로한다. 그러나, 광 빔의 초점이 초점 스폿의 최소 크기를 제한하고, 에너지 밀도 구배에 상한을 둔다 회절 원리 순종. 효율적으로 COT 수없는 함정 작은 물체를하고, 침대는, 트래핑 해상도를 문제 근접한 입자 사이에 차별이이 두 즉각적인 결과가제한은 '지방 손가락'문제로 알려져 있습니다. 또한, COT 여러 입자 트래핑 구현은 급격히 광 트래핑 시스템의 비용과 복잡성을 증가 빔 스티어링 광학 또는 공간 광 변조기들, 시스템 구성 요소를 필요로한다.
종래의 광 집속 빔의 근본적인 한계를 회피하는 하나의 방법은, 파 필드에서, 대신 근접장 광학 전자기 에너지의 기울기를 악용하는 전파했다. 니어 필드는 기하 급수적으로 떨어져 전자기장의 소스는 매우 이러한 소스 지역화뿐만 아니라 것을 의미 붕괴뿐만 아니라 에너지 밀도가 매우 높은 구배를 나타낸다. 이러한 나비 넥타이 구멍, 나노 기둥 및 C 모양의 조각으로 나노 금속 공진기의 근처 필드는 거의 infr에 더 골드와 실버의 플라즈몬 작용에 의해 강화 된 전자기 에너지의 특별한 농도를 나타내는 것으로 밝혀졌다ared 및 광학 파장. 이러한 공진기는 고효율 및 해상도 15-22에서 매우 작은 입자를 트랩하는데 사용되어왔다. 이 기술은 작은 입자를 포착하는데 효과적 입증되었지만, 그것은 또한 근거리 시스템 원방 시스템 또는 마이크로 유체와 인터페이스 할 경우에 필요한 상당한 범위에 걸쳐 입자를 운반하는 능력에 제한되는 것으로 입증되었다.
최근 우리의 그룹은이 문제에 대한 해결책을 제시하고있다. 공진기가 서로 매우 가까이에 위치하는 경우, 입자는 원칙적으로 표면으로부터 방출되지 않고 다음 한 근접장 광학 트랩에서 마이그레이션 할 수 있습니다. 인접한 트랩 별도로 온 오프 할 수있는 경우에 전송의 방향을 결정할 수있다. 각 공진기는 그 이웃과는 상이한 편광 또는 빛의 파장에 민감되는 세 개 이상의 어드레스 가능한 공진기의 선형 배열은, nanoparti 수송, 광학 컨베이어 벨트로 작동칩에 여러 미크론의 거리에 사이클 사용.
제자리에 입자를 보유 할 수 있지만, 또한 패턴의 트랙을 따라 빠른 속도로 이동할 수 있으며, 수집 또는 입자를 분산뿐만로서 소위 '나노 광학 컨베이어 벨트'(NOCB)는, 플라즈몬 공진 트래핑 기법들 중 고유 혼합을 대기하고, 심지어 자신의 이동성 (23)와 같은 속성별로 정렬. 이들 기능 모두는 빔 스티어링 광학 필요없이, 조명의 편광 또는 파장을 조절함으로써 제어된다. 근접장 광 트랩으로, 해상도를 포착 NOCB 종래 집속 광 빔 트랩보다 높다, 그래서 근접해있는 입자를 구분할 수있다; 그것이 잘 포착에 광을 집중하는 금속 나노 구조물을 사용하기 때문에 전력 효율이며, 이러한 높은 NA 대물 비싼 광학 부품을 필요로하지 않는다. 또한, 많은 NOCBs 높은 패킹 덴에서 병렬로 동작 될 수있다1200 (23)을 통해 개구 SITY는, 동일 기판 상에, 그리고 1 W의 전력을 구동 할 수있다.
우리는 최근에 부드럽게 앞뒤로 4.5 μm의 트랙 (24)를 따라 나노 입자를 추진, 제 1 편광 중심 NOCB을 증명하고있다. 이 문서에서는 광학적 장치를 설계하고 제조하는 데 필요한 단계를 제시하여 활성화하고 상기 전송 실험을 재현. 우리는이 기술이 더 널리 사용할 수 있도록하는 마이크로 유체, 원거리 광학 및 나노 장치 및 실험 사이의 크기의 격차를 해소하는 데 도움이되기를 바랍니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
NOCB는 기존의 초점 빔 기술에 대한 긴 가능한 입자를 수송하는 강력한 트래핑 힘과 능력을 갖춘 플라즈몬 접근의 작은 함정의 크기를 결합합니다. NOCB 고유 시스템의 트래핑 및 전송 특성은 표면 패터닝의 결과가 아닌 조명 빔을 성형하는. 제공된 조명은 충분히 밝고 편광 또는 파장은, 변조 될 수있는 입자가 파지 표면 상에 복잡한 프로토콜을 이동시킬 수있다. 우리는 NOCB도 신속하게 정렬 자신?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Professor Yuzuru Takashima at the University of Arizona for discussions on optical imaging, Mr. Karl Urbanek for assistance with high power lasers, and Max Yuen for discussions of Brownian motion. The authors send further thanks to Professor Kenneth Crozier at Harvard University for helpful discussions on optical trapping experiments. Funding was provided in part by the United States National Science Foundation (award number 1028372).
Materials
| HSQ e-beam resist | Dow Corning | XR-1541-006 | |
| PMMA | MicroChem | 950A2 M230002 | |
| Fast curing optical adhesive | Norland Optical Adhesive | NOA 81 | |
| Fluorescent carboxyl microspheres | Bangs Laboratories | FC02F, FC03F | |
| Fluorescent carboxylate-modified microspheres | Molecular Probes | F-8888 | |
| Quartz slide | SPI Supplies | 1020-AB | |
| Inverted fluorescent microscope | Nikon | ECLIPSE TE2000-U | |
| Nd:YAG laser | Lightwave Electronics | 221-HD-V04 | |
| sCMOS camera | PCO | EDGE55 | |
| CCD camera | Watec | WAT-120N | |
| Zero-order half-wave plate | Thorlabs | WPH05M-1064 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| Distilled water | Invitrogen | 10977-023 | |
| Si Wafer | Silicon Quest International | 708069 | |
| Optical lenses | Thorlabs |
Referenzen
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