Fabrication et fonctionnement d'un Convoyeur Nano-optique
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
La technique d'utilisation faisceaux laser focalisés à piéger et à exercer des forces sur de petites particules a permis de nombreuses découvertes pivots dans les sciences biologiques et physiques à l'échelle nanométrique au cours des dernières décennies. Les progrès réalisés dans ce domaine invite en outre l'étude des systèmes encore plus petites et à plus grande échelle, avec des outils qui pourraient être distribués plus facilement et plus largement accessibles. Malheureusement, les lois fondamentales de diffraction limitent la taille minimum de la tache focale d'un faisceau laser, ce qui rend les particules inférieures à une demi-longueur d'onde de diamètre difficile de piège et empêche généralement un opérateur d'établir une discrimination entre les particules qui sont plus rapprochées que la moitié -Attenuateurs. Cela empêche la manipulation optique de nombreuses nanoparticules rapprochées et limite la résolution de systèmes optiques-mécaniques. En outre, la manipulation à l'aide faisceaux focalisés nécessite optique de formation de faisceaux ou direction, qui peuvent être très encombrants et coûteux. Adresserces limitations dans l'évolutivité du système de piégeage optique conventionnelle Notre laboratoire a mis au point une technique alternative qui utilise champ proche optique pour déplacer des particules à travers une puce. Au lieu de concentrer des faisceaux laser dans le champ lointain, le champ proche optique de résonateurs plasmoniques produit la mise en valeur d'intensité optique locale nécessaire pour surmonter les restrictions de diffraction et de manipuler des particules à plus haute résolution. Résonateurs rapprochées produisent pièges optiques fortes qui peuvent être adressées à la médiation de la main-off de particules de l'un à l'autre dans un mode à bande transporteuse-like. Ici, nous décrivons comment concevoir et produire une bande transporteuse en utilisant une surface d'or à motifs avec plasmoniques résonateurs en forme de C et comment le faire fonctionner avec une lumière laser polarisée pour atteindre la manipulation de nanoparticules de super-résolution et le transport. Le convoyeur puce de bande de nano-optique peut être produit en utilisant des techniques de lithographie et facilement emballé et distribué.
Introduction
Capture, l'interrogation et la manipulation de nanoparticules individuelles sont d'une importance croissante dans les nanotechnologies. Pinces optiques sont devenus une technique de manipulation particulièrement réussie pour les expériences en biologie moléculaire 1-4, 5-7 et la chimie des nano-assemblage 7-10, où ils ont permis à des expériences de pointe telles que la mesure des propriétés mécaniques des molécules d'ADN simple et 4 le tri des cellules par leurs propriétés optiques 11,12. Découvertes sur ces frontières ouvrent l'étude des systèmes encore plus petits, et ils laissent la place à l'ingénierie des nouveaux produits et techniques pratiquement bénéfiques. À son tour, cette tendance entraîne le besoin de nouvelles techniques pour manipuler des particules plus petites, plus rudimentaires. En outre, il ya une poussée pour construire des dispositifs «lab-on-a-chip 'pour exécuter ces fonctions à moindre coût et dans un emballage plus petit afin d'apporter des tests chimiques et biologiques de lalaboratoire et sur le terrain à des fins médicales et autres 13,14.
Malheureusement, le piégeage optique classique (COT) ne peut pas répondre à toutes les demandes croissantes de la nanotechnologie. COT fonctionne sur le mécanisme de l'aide d'une grande ouverture numérique (NA) objectif d'apporter la lumière laser à un foyer serré, créant un pic localisé en intensité optique et des gradients élevés dans l'énergie du champ électromagnétique. Ces gradients de densité d'énergie exercent une force nette sur particules diffusant la lumière qui les entraîne en général vers le centre du foyer. Le piégeage des particules plus petites exige puissance optique élevée ou un accent plus serré. Cependant, faisceaux de lumière focalisé obéissent au principe de la diffraction, ce qui limite la taille minimale de la tache focale et place une limite supérieure sur le gradient de densité d'énergie. Cela a deux conséquences immédiates: lit bébé peut pas retenir de petits objets de manière efficace, et COT a du mal à distinguer entre particules étroitement espacés, une résolution de piégeagelimitation connu comme le problème des «gros doigts de. En outre, la mise en oeuvre piégeage des particules multiple avec berceau nécessite des systèmes de l'optique d'orientation de faisceau ou de modulateurs spatiaux de lumière, les composants qui augmentent considérablement le coût et la complexité d'un système de piégeage optique.
Une façon de contourner les limites fondamentales de faisceaux focalisés classiques de la lumière, a déclaré à se propager dans le champ lointain, est d'exploiter la place des gradients d'énergie électromagnétique optique en champ proche. Le champ proche décroît exponentiellement loin de sources de champs électromagnétiques, ce qui signifie que non seulement il est très localisée à ces sources, mais il présente également de très forts gradients dans sa densité d'énergie. Les champs près de résonateurs nano-métalliques, tels que les ouvertures de noeud papillon, piliers nano et gravures en forme de C, ont été montrés pour présenter des concentrations extraordinaires d'énergie électromagnétique, encore renforcée par l'action plasmonique de l'or et de l'argent à court infrARED longueurs d'onde et optiques. Ces résonateurs ont été utilisés pour piéger les particules extrêmement petites à haut rendement et la résolution 15-22. Bien que cette technique a prouvé son efficacité pour piéger les petites particules, il est également avéré être limitée dans sa capacité à transporter des particules sur toute la plage appréciable, qui est nécessaire si les systèmes en champ proche sont à l'interface avec les systèmes ou la microfluidique en champ lointain.
Récemment, notre groupe a proposé une solution à ce problème. Lorsque résonateurs sont placés très près les uns, une particule peut en principe migrer d'un piège optique en champ proche à l'autre sans avoir été libéré de la surface. La direction de transport peut être déterminé si pièges adjacentes peuvent être allumés et éteints séparément. Un réseau linéaire d'au moins trois résonateurs adressables, dans lequel chaque résonateur est sensible à une longueur d'onde ou la polarisation de la lumière différente de celle de ses voisins, fonctionne comme une courroie de transport optique, le transport nanoparticles sur une distance de plusieurs microns sur une puce.
Le soi-disant «Nano-optique Convoyeur '(NOCB) est unique parmi les régimes résonateur de piégeage plasmoniques, que non seulement il peut retenir les particules en place, mais il peut aussi les déplacer à grande vitesse le long de pistes à motifs, de recueillir ou de disperser des particules, mélanger et la file d'attente, et même de les trier par des propriétés telles que leur mobilité 23. Toutes ces fonctions sont commandés par modulation de la polarisation ou de la longueur d'onde d'illumination, sans avoir besoin de l'optique d'orientation de faisceau. Comme un piège optique à champ proche, la NOCB piégeage résolution est supérieure à celle des pièges optiques ciblée faisceau conventionnels, de sorte qu'il peut différencier les particules à proximité; car il utilise une nanostructure métallique pour concentrer la lumière dans un puits de piégeage, il est économe en énergie, et ne nécessite pas de composants optiques coûteux comme un objectif haute NA. En outre, de nombreux NOCBs peuvent être exploités en parallèle, à haute den d'emballagesité, sur le même substrat, et 1 W de puissance peut conduire plus de 1200 ouvertures 23.
Nous avons récemment démontré le premier NOCB de polarisation-driven, propulsant en douceur une nanoparticule avant et en arrière le long d'une piste 24 4,5 um. Dans cet article, nous présentons les mesures nécessaires pour concevoir et fabriquer le dispositif, optiquement l'activer et reproduisons l'expérience de transport. Nous espérons que le fait de cette technique plus largement disponibles aidera à combler l'écart de taille entre l'optique de la microfluidique, champ lointain, et des dispositifs nanométriques et expériences.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le NOCB combine les forces de piégeage fortes et la petite taille du piège des approches plasmoniques avec la capacité de transporter des particules, à long disponibles uniquement pour les techniques de croisement classiques ciblée. Unique au NOCB, les propriétés de piégeage et de transport du système sont le résultat d'un motif de surface et de mise en forme de pas du faisceau d'illumination. Fourni l'éclairage est suffisamment lumineux et sa polarisation ou de longueur d'onde peut être modu…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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