Overlapping av mikro partikler i Nanoplasmonic optisk gitter
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.
Protocol
Representative Results
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 …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
