Overlapping van Micro-deeltjes in Nanoplasmonic optische Lattice
Summary
Beschrijven we een procedure voor het optisch overvullen van micro-deeltjes in nanoplasmonic optische lattice.
Abstract
De Enterprise optische pincetten is ontwikkeld om te overwinnen van de grenzen van de diffractie van de conventionele verre veld optische pincetten. Enterprise optische rooster bestaat uit een matrix van nanostructuren, die een verscheidenheid van overlapping en vervoer gedrag vertonen. We melden de experimentele procedures voor de overlapping van micro-deeltjes in een eenvoudige vierkante nanoplasmonic optische rooster. Ook beschrijven we de optische setup en de nanofabricage van een nanoplasmonic array. Het optische potentieel is gemaakt door het verlichten van een matrix van gouden nanodiscs met een Gaussiaanse bundel van 980 nm golflengte en spannende plasmon resonantie. De beweging van deeltjes wordt gecontroleerd door fluorescentie imaging. Een regeling om te onderdrukken photothermal convectie wordt ook beschreven om bruikbare optische kracht voor optimale overvulling verhogen. Onderdrukking van convectie wordt bereikt door de koeling van het monster, tot op een lage temperatuur, en met behulp van de coëfficiënt van de bijna-nulemissie thermische uitzetting van een water-medium. Zowel één deeltje vervoer en meerdere deeltje overlapping worden hier gemeld.
Introduction
De optische overlapping van micro-schaal deeltjes werd oorspronkelijk ontwikkeld door Arthur Askin in de vroege jaren 1970. Sinds zijn uitvinding, is de techniek ontwikkeld als een veelzijdig instrument voor micro- en nanomanipulation1,2. Conventionele optische overvulling op basis van het ver-veld gericht principe is inherent beperkt door de diffractie in zijn ruimtelijke opsluiting, waarin de kracht van de vangst drastisch vermindert (volgende een ~een3 wet voor een deeltje met een straal een) 3. om te overwinnen dergelijke grenzen diffractie, onderzoekers hebben ontwikkeld in de buurt van field optische vangst technieken op basis van het vluchtig optische veld met behulp van Enterprise metalen nanostructuren en, bovendien, de vangst van nanoschaal objecten neer enkele eiwitmolecules geweest aangetoonde4,5,6,7,8,9,10,11. Bovendien is de Enterprise optische rooster bestaat uit matrices van periodieke Enterprise nanostructuren te dragen lange afstand vervoer van micro – en nanodeeltjes en meerdere deeltje stapelen11,12. Een belangrijk obstakel voor het verstoren van de overlapping in een optische rooster is photothermal convectie en inspanningen hebben verricht om te verhelderen van de gevolgen ervan door verschillende groepen14,15,16,17. Greense functie gebruikt, hebben Baffou et al. een temperatuursprofiel berekend door het modelleren van elke Enterprise nanostructuur als een punt kachel en vervolgens experimenteel gevalideerd hun model14. Toussant de groep heeft ook de plasmon-geïnduceerde convectie met deeltje velocimetry15gemeten. Van de auteur groep is ook gekenmerkt in de buurt van veld en convectional vervoer en aangetoond van een technische strategie om te onderdrukken photothermal convectie16,17.
Hier presenteren we het ontwerp van een optische setup en een gedetailleerde procedure speciaal voor overvullen experimenten met Enterprise optische lattice. Het optische potentieel ontstond door de verlichting van een matrix van gouden nanodiscs met een losjes gerichte Gaussiaanse bundel. Een schema om te onderdrukken de convectie photothermal door afkoeling van het monster, tot op een lage temperatuur (~ 4 ° C) voor optimale overvulling is ook beschrijven hier17. Onder de aanpassing van de Boussinesq, een schatting van de orde van grootte voor de natuurlijke convectie snelheid u wordt gegeven door u ~L2 gβΔT / v, waar L de omvang van de lengte van de warmtebron en Δ is T is de temperatuurstijging ten opzichte van de referentie te wijten aan de verwarming. g en β zijn de valversnelling en thermische uitzetting coëfficiënt, respectievelijk. Bij temperaturen in de buurt van 4 ° C, de dichtheid van het medium water vertoont abnormaal temperatuursafhankelijkheid en dit vertaalt zich in een bijna-nulemissie thermische uitzetting coëfficiënt en dus een verwaarloosbaar kleine photothermal convectie.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier beschreven procedure schakelt de lezer te overvullen op dagbasis betrouwbaar te reproduceren. Een algemene empirische richtsnoer voor het ontwerpen van een bruikbare optische rooster is het gebruik van een vergelijkbare omvang voor Enterprise nanoarray, interdisc afstand, en gevangen deeltjesgrootte. In vergelijking met een enkele, geïsoleerde Enterprise nanostructuur, vergroot het ontwerp van de optische lattice in combinatie met de optische hoogvermogen geboden door afkoeling van het monster tot ~ 4 ° C gebru…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. wil erkennen financiering van de steun van het ministerie van wetenschap en technologie onder grant nummers meest 105-2221-E-007-MY3 en van de nationale Tsing Hua Universiteit onder grant nummers 105N518CE1 en 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 |
Riferimenti
- 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).
