השמנה של חלקיקי מיקרו סריג אופטי Nanoplasmonic
Summary
אנו מתארים הליך ללכוד שטיחות מיקרו-חלקיקים בתוך סריג אופטי nanoplasmonic.
Abstract
פינצטה אופטית plasmonic פותחה כדי להתגבר על גבולות עקיפה של פינצטה אופטית השדה הרחוק קונבנציונלי. סריג אופטי plasmonic מורכב מערך של nanostructures, אשר מוצג מגוון של השמנה והתנהגויות תחבורה. מדווחים את ההליכים ניסיוני ללכוד מיקרו-חלקיקים בתוך סריג אופטי פשוטה nanoplasmonic מרובע. אנחנו מתארים גם את ההתקנה אופטי את nanofabrication של מערך nanoplasmonic. פוטנציאל אופטי נוצר על-ידי הארת מערך של זהב nanodiscs עם קרן גאוסיאנית 980 באורך גל של nm, תהודה פלזמון מרגש. התנועה של חלקיקים מנוטרת על ידי קרינה פלואורסצנטית הדמיה. ערכת לדכא את הסעת חום photothermal מתואר גם להגדיל הכוח האופטי שמיש להשמנה אופטימלית. דיכוי של הסעת חום מושגת על ידי קירור הדגימה לטמפרטורה נמוכה, תוך ניצול המקדם הרחבה תרמי כמעט אפסי של מדיום מים. תחבורה חלקיק יחיד והן מרובות חלקיקים השמנה מדווחים כאן.
Introduction
לכידה אופטית של חלקיקי מיקרו-סולם פותחה במקור על ידי ארתור Askin בשנות השבעים המוקדמות. מאז ההמצאה שלו, הטכניקה פותחה ככלי רב תכליתי עבור מיקרו – ו nanomanipulation1,2. קונבנציונלי אופטי השמנה בהתבסס על השדה הרחוק התמקדות עיקרון מטבעו מוגבל על ידי עקיפה בבידוד המרחבי שלה, שבו הכוח השמנה מפחיתה באופן דרמטי (הבאים ~חוק3 עבור חלקיק של רדיוס ) 3. כדי להתגבר על מגבלות דיפרקציה כזו, חוקרים פיתחו טכניקות לכידה אופטית ליד שדה בהתבסס על השדה אופטי evanescent באמצעות plasmonic nanostructures מתכתי ואובייקטים, יתר על כן, לכידה של ננו. מולקולות חלבון יחיד כבר הפגינו4,5,6,7,8,9,10,11. יתר על כן, השבכה אופטי plasmonic נוצר מתוך מערכים של nanostructures plasmonic תקופתי שוחח ארוכות טווח הובלה של מיקרו – חלקיקים ואת מספר החלקיקים הערימה11,12. מכשול רציני כדי לשבש את ההשמנה בסריג אופטי הסעת חום photothermal, המאמצים נעשו התירי את השפעותיו על ידי מספר קבוצות14,15,16,17. באמצעות פונקציית גרין, Baffou. ואח שמחשבת פרופיל הטמפרטורה מידול כל ננו-מבנה plasmonic כמו תנור נקודה, ואז השפעול לאמת שלהם דגם14. הקבוצה של Toussant יש גם מדדו את הסעת חום פלזמון-induced עם חלקיקים velocimetry15. הקבוצה של המחבר גם מאופיין תחבורה שדה- והן convectional, הפגינו אסטרטגיית הנדסה לדכא את photothermal הסעת חום16,17.
כאן אנו מציגים את העיצוב של התקנה אופטי והליך מפורט במיוחד עבור ניסויים השמנה עם סריג אופטי plasmonic. פוטנציאל אופטי נוצר על-ידי הארת מערך של זהב nanodiscs עם קרן גאוסיאנית ממוקד באופן רופף. ערכת לדכא את הסעת חום photothermal על ידי לצנן את הדגימה לטמפרטורה נמוכה (~ 4 ° C) להשמנה האופטימלי הוא גם לתאר כאן17. תחת קירוב בוסינסק, סדר גודל להעריך מהירות הסעת חום טבעי u ניתנת על ידי u ~L–2 – gβ-ΔT / v, איפה L אורך קנה המידה של מקור החום, Δ T היא העלייה בטמפרטורה יחסית ההפניה בשל החימום. g וβ הן תאוצת הכובד ואת מקדם הרחבה תרמי, בהתאמה. בטמפרטורות ליד 4 ° C, הצפיפות של המדיום מים תערוכות התלות טמפרטורה חריגה, זה מיתרגם מקדם הרחבה תרמי כמעט אפסי ולכן הסעת חום photothermal vanishingly קטן.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההליך המתואר כאן מאפשרת לקורא להתרבות בצורה אמינה השמנה על בסיס יומי. קו מנחה כללי אמפיריים לעצב סריג אופטי שמיש היא להשתמש בגודל דומה עבור nanoarray plasmonic, מרחק interdisc, וכלא גודל החלקיקים. העיצוב סריג אופטי בשיתוף עם הכוח האופטי גבוהה המוענקת על ידי קירור לדוגמה כדי ~ 4 ° C משמש כאן באופן משמעותי ב…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
י’ ט’ י’ רוצה לאשר מימון תמיכה מ את משרד המדע והטכנולוגיה תחת גרנט מספרי ביותר 105-2221-E-007-MY3 מהאוניברסיטה הלאומית צינג הואה תחת גרנט מספרים 105N518CE1 ו- 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).
