Intrappolamento delle Micro particelle in grata ottica Nanoplasmonic
Summary
Descriviamo una procedura per intercettare otticamente micro-particelle in grata ottica nanoplasmonic.
Abstract
La pinzetta ottica plasmonica è stata sviluppata per superare i limiti di diffrazione delle pinzette ottiche convenzionali campo lontano. Plasmonica reticolo ottico è costituito da una matrice di nanostrutture, che esibiscono una varietà di intrappolamento e comportamenti di trasporto. Segnaliamo le procedure sperimentali per intrappolare micro-particelle in un reticolo ottico semplice quadrato nanoplasmonic. Descriviamo anche l’installazione di ottica e la nanofabbricazione di una matrice di nanoplasmonic. Il potenziale ottico è creato da illuminare una matrice di nanodiscs d’oro con un fascio gaussiano di 980 nm lunghezza d’onda ed eccitante risonanza plasmonica. Il moto delle particelle è monitorato da formazione immagine di fluorescenza. Uno schema per sopprimere photothermal convezione anche descritto per aumentare la potenza ottica utilizzabile per il trapping ottimale. Soppressione della convezione è realizzata il campione a bassa temperatura di raffreddamento, ed utilizzando il coefficiente di dilatazione termica quasi zero di un mezzo di acqua. Trasporto di singola particella sia più dell’intrappolamento delle particelle sono segnalati qui.
Introduction
L’intrappolamento ottico di particelle micro-scala è stato originariamente sviluppato da Arthur Askin agli inizi del 1970. Mai fin dalla sua invenzione, la tecnica è stata sviluppata come un versatile strumento per micro – e nanomanipulation1,2. Optical trapping base lontano dal campo-principio di messa a fuoco è intrinsecamente limitato dalla diffrazione nel suo confinamento spaziale, in cui la forza di intrappolamento diminuisce drammaticamente convenzionale (seguente un ~unalegge3 per una particella di raggio un) 3. per superare tali limiti di diffrazione, i ricercatori hanno sviluppato tecniche di intrappolamento ottico vicino-campo basati sul campo ottico evanescente utilizzando Nanostrutture plasmoniche metallico e, inoltre, l’intrappolamento di nanoscala oggetti verso il basso per singole molecole proteiche, è stata dimostrata4,5,6,7,8,9,10,11. Inoltre, il reticolo ottico plasmonico viene creato da matrici di periodici plasmoniche di conferire il trasporto a lungo raggio di micro e nanoparticelle e più particelle impilamento11,12. È uno dei principali ostacoli per interrompere la cattura in un reticolo ottico photothermal convezione e sono stati compiuti sforzi per delucidare i suoi effetti da diversi gruppi14,15,16,17. Utilizzando la funzione di Green, Valerio et al hanno calcolato un profilo di temperatura modellando ogni Nanostrutture plasmoniche come un riscaldatore di punto ed ha quindi convalidato sperimentalmente loro modello14. Gruppo di Toussant ha misurato anche la convezione indotta da plasmon con particella velocimetry15. Gruppo dell’autore ha anche caratterizzato il trasporto sia di campo vicino e convezione e ha dimostrato una strategia ingegneria per sopprimere photothermal convezione16,17.
Qui presentiamo la progettazione di una configurazione ottica e una procedura dettagliata in particolare per gli esperimenti dell’intrappolamento con grata ottica plasmonica. Il potenziale ottico è stato creato da illuminare una matrice di oro nanodiscs con un fascio gaussiano vagamente focalizzato. Uno schema per sopprimere la convezione photothermal dal raffreddarsi il campione ad una temperatura bassa (~ 4 ° C) per il trapping ottimale è anche descrivere qui17. Sotto approssimazione di Boussinesq, una stima dell’ordine di grandezza per la convezione naturale velocità u è data da u ~L2 gβΔT / v, dove L è la scala di lunghezza della sorgente di calore e Δ T è l’aumento della temperatura rispetto al riferimento a causa del riscaldamento. g e β sono l’accelerazione gravitazionale e coefficiente di espansione termica, rispettivamente. A temperature vicine ai 4 ° C, la densità del mezzo acqua esibisce la dipendenza dalla temperatura anomala e questo si traduce in un coefficiente di dilatazione termica quasi zero e, quindi, una convezione photothermal infinitamente piccolo.
Protocol
Representative Results
Discussion
La procedura qui descritta consente al lettore di riprodurre in modo affidabile la registrazione dei colori su una base quotidiana. Regola empirica generale per progettare un reticolo ottico utilizzabile è quello di utilizzare una dimensione paragonabile per plasmoniche nanoarray, interdisc distanza e intrappolati dimensione delle particelle. Rispetto ad una singola, isolata Nanostrutture plasmoniche, il design di grata ottica in collaborazione con l’alto potere ottico accordato dal raffreddamento il campione a ~ 4 ° C…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. desidera ringraziare finanziamento dal Ministero della scienza e della tecnologia in numeri di sovvenzione più 105-2221-E-007-MY3 e dal National Tsing Hua University sotto grant numeri 105N518CE1 e 106N518CE1.
Materials
| 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. , (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).
