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.
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Protocol
1. Setup ottico
Nota: il principio dell'apparato ottico è illustrato nella Figura 1.
- Set up ottico pinzetta kit (vedere la Tabella materiali) e il modulo di fluorescenza (Vedi Tabella materiali) secondo i loro manuali. Collegare una fonte di 470 nm blu luce che emettono luce a diodi (LED) al modulo fluorescente.
- Sostituire l'alta apertura numerica (NA) (NA = 1.25, ingrandimento 100 x) obiettivo a immersione in olio tramite un funzionamento di lungo distanza obiettivo del microscopio (WD) (lunghezza focale 3,6 mm, WD = 10.6 mm, NA = 0.5).
- Rimuovere la lente nella sezione di espansione di larghezza del kit assemblato per raggiungere sciolto di messa a fuoco del fascio laser.
- Disabilita l'alimentazione e la corrente per il laser a diodi di lunghezza d'onda 980 nm e uso la carica accoppiata fotocamera del dispositivo (CCD) per assicurarsi che il raggio laser è allineato correttamente.
Nota: Se il raggio laser è ben allineato, la telecamera CCD leggerà un posto gaussiano.
2. Nanofabbricazione
- Marker Fabrication.
Nota: I marcatori aiuterà a posizionare la serie di nanoplasmonic durante il processo di fabbricazione e l'esperimento successivo intrappolamento. Il processo dettagliato è illustrato in complementare figura 1.- Film di ossido di stagno (ITO) di cauzione 40 nm indio su un vetrino coprioggetti spessore 0,17 mm con sputtering.
Nota: La pellicola di ITO aiuterà gli elettroni di scarico durante il processo di Litografia di fascio elettronico successivi. - Spin cappotto uno strato di 8 µm di photoresist positivo con spin velocità 4000 giri/min e tempo 30 s con una macchina a spin.
- Soft cuocere il campione a 90 ° C per 5 min e allineare il campione con strato di fotoresist per marcatore ed esporre il campione ai raggi UV per 80 s nell'assetto maschera.
- Immergere il campione nello sviluppatore di photoresist per 130 s.
- Depositare uno strato di 2 nm di cromo e uno strato di 40 nm di oro sul campione mediante evaporazione termica. 18
- immergere il campione in acetone e posizionarlo in un pulitore ad ultrasuoni operanti a 43 kHz e 150 W per 5 min per lift off.
- Film di ossido di stagno (ITO) di cauzione 40 nm indio su un vetrino coprioggetti spessore 0,17 mm con sputtering.
- Fabbricazione di Nanoplasmonic matrice
- cappotto Spin uno strato di e-fascio resistere PMMA 120K con velocità di rotazione di 5000 giri/min per 30 s su una macchina a rotazione. Cuocere il campione a 160 ° C per 3 min su una piastra calda.
- Spin cappotto un altro strato di fotoresist e-fascio PMMA 960K con velocità di centrifuga 5000 giri/min per 30 s su una macchina a rotazione. Cuocere il campione a 160 ° C per 3 min su una piastra calda.
- Scrittore di fascio elettronico di uso per esporre il fascio elettronico resistere con accelerazione tensione 30 kV e dosaggio 400 C/cm 2.
- Depositare uno strato di 40 nm di oro in un evaporatore termale.
- Immergere il campione in acetone e posizionarlo in un pulitore ad ultrasuoni per 5 min per lift off.
3. Esempio di sistema e la sua taratura della temperatura di raffreddamento
Nota: il campione in fase di progettazione di raffreddamento è mostrato complementare figura 2.
- Rendendo il circuito di pilotaggio per esempio raffreddamento
- posto le resistenze, transistor a giunzione bipolare e transistori di effetto di campo di ossido di metallo di potere sul circuito stampato personalizzato seguendo lo schema di circuito di complementare figura 3 . Saldare tutti questi componenti con saldatore.
- Cavi di connessione tra la porta di controllo del circuito e scheda elettronica di controllo. Collegare i cavi tra la porta di uscita del circuito stampato ed elemento di (TEC) raffreddamento termoelettrico. Posizionare l'elemento TEC sul palco campione con d'affondamento di calore.
Nota: The TEC elemento ha un buco al centro per permettere il fascio laser di passare attraverso. - Connect fili da circuito stampato a 5 V di alimentazione. Utilizzare il lungimirante fotocamera a raggi infrarossi per controllare la temperatura per controllare se il raffreddamento termoelettrico è correttamente raffreddando.
- Calibrazione di temperatura misurata in lungimirante termometro a infrarossi telecamera e resistenza temperatura detector (RTD).
- Posizionare il Termometro RTD su un vetrino coprioggetto vuoto e applicare una piccola quantità di pasta termica su di esso per garantire il corretto contatto termico tra il Termometro RTD e il vetrino coprioggetti.
- Modificare l'impostazione di potenza di uscita del circuito di controllo elettronico a TEC elemento modificando il duty cycle di impostazione di modulazione larghezza impulso e attendere 3 minuti per assicurarsi che la temperatura allo stato stazionario è raggiunto. Leggere la temperatura utilizzando il Termometro RTD.
- Disabilita la telecamera a infrarossi che guarda avanti e monitor della temperatura. Ripetere questa operazione con diverse impostazioni di potenza di uscita per ottenere la curva di calibrazione di temperatura. Una curva di calibrazione temperatura rappresentativa è mostrata in complementare figura 4.
Nota: È fondamentale fare calibrazione tra Termometro RTD e la telecamera a infrarossi lungimirante, perché la lettura della temperatura della telecamera a raggi infrarossi previsionale dovrà essere accurata per garantire la corretta temperatura.
4. Cattura di microparticelle
- diluire micro particelle di polistirene di µm di diametro 2 in acqua deionizzata in un microcentrifugetube con rapporto adeguato volume.
Nota: La concentrazione di micro particelle può essere regolata secondo l'obiettivo dell'esperimento. Mentre la concentrazione più bassa consente un intervallo di tempo campione tra gli eventi di intrappolamento di singola particella, maggiore concentrazione accorcerà il tempo per intrappolamento delle particelle più. Per il trapping di singola particella, una concentrazione tipica è ~0.05% (w/v). - Mettere il campione con matrice di nanoplasmonic sul palco e accendere un 470 nm LED come la sorgente di luce di fluorescenza e impostare manualmente la potenza di 5 mW per l'imaging del campo luminoso.
- Utilizzare il marcatore per individuare la matrice nanoplasmonic, allineare il campione e la telecamera CCD per assicurarsi che la matrice sia nel centro della regione di interesse sullo schermo del computer.
- Dispensare 10 µ l del diluito micro particelle di diametro 2 µm sul campione con una pipetta.
- Accendere il rifornimento corrente per il diodo laser di lunghezza d'onda 980 nm per eccitare la risonanza plasmonica della matrice con una potenza nella gamma ~ 1 mW a 10 mW.
- Accendere manualmente l'alimentazione alla scheda elettronica di controllo per raffreddare il campione ad un stato stazionario temperatura ~ 4 ° C.
- Nel software visualizzatore, scegliere il " registrare video " sequenza per aprire la finestra di dialogo di registrazione. Fare clic sul " record " pulsante per avviare la registrazione 1.5 del moto delle particelle micro a un frame rate di 10 fotogrammi/s sopra il campione sotto l'influenza del raggio laser utilizzando la telecamera CCD video. Fare clic sul " stop " pulsante per interrompere la registrazione. Guarda il Video 1.
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Representative Results
Traiettorie di singola particella sono state registrate da una telecamera CCD nel nostro esperimento e le immagini sono state poi elaborate con un programma personalizzato per estrarre traiettoria16 di ogni particella. Risultati rappresentativi vengono visualizzati in Figura 3 e Video 1 per micro-sfere con diametro di 2 µm. più orpelli di particelle all'interno del reticolo ottico sono stati osservati. Successive immagini estratte da un video di movimento rappresentativo della particella vengono visualizzati nella Figura 4. Per microparticelle di diametro 2 µm, uno può vedere il clustering di microparticelle formato esagonale pranzo nelle vicinanze (hcp) struttura. Il campione può essere riscaldato anche disattivando l'elemento TEC; il cluster intrappolato osservato disperderebbe dovuto convezione photothermal.
Figura 1 . Disegno schematico dell'apparato ottico.
Un fascio gaussiano con lunghezza d'onda di 980 nm è utilizzato per eccitare il campione plasmoniche grata ottica per creare potenziali dell'intrappolamento. Un diodo accoppiati in fibra laser di lunghezza d'onda 980 nm passa attraverso specchio (M1), ottiene vagamente focalizzato da un lungo lavoro obiettivo del microscopio di distanza ed eccita il campione plasmonico. L'immagine fluorescente è presa con stesso obiettivo in collaborazione con specchio dicroico (DM) e filtro di emissione (EF) sotto l'eccitazione fluorescente a 470 nm da sorgente luminosa diodo luminescente. L'eccitazione luce a 980 nm per la risonanza plasmonica è colore codificato 'rosa' e l'eccitazione e emissione di luce per l'imaging di fluorescenza sono colore codificato 'blu' e 'verde', rispettivamente. Il movimento viene registrato con la telecamera CCD. Raffreddamento termoelettrico (TEC) è utilizzato per raffreddare il campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 . Nano plasmoniche matrice fabbricato di Litografia E-Beam. (un) Marker design utilizzato per individuare e allineare il campione nel writer e trave. Sono le dimensioni del quadrato bianco esterno 22 mm x 22 mm, e il marcatore anulare nella rientranza ha un diametro esterno di 150 µm e diametro interno di 50 µm. (b) A microscopio elettronico a scansione (SEM) image di una matrice di nanoplasmonic. Viene utilizzata una semplice matrice quadrata di 22 x 22 nanodiscs e ogni cella contiene una nanodisc di spessore 40 nm e diametro 550 nanometro con distanza inter-disco 750 nm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 . Singola particella traiettorie. Le traiettorie delle microparticelle estratte mediante elaborazione di immagini vengono compilate utilizzando l' algoritmo di centroide16 e visualizzata qui. Il potere ottico utilizzato per eccitazione di risonanza plasmonica a 980 nm è di 5 mW. Viene visualizzata una barra di scala di 2 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 . Immagine di un Cluster di microparticelle intrappolati in plasmoniche grata ottica e accumulo di microparticelle Over Time ad una potenza ottica di 5 mW. (un) fluorescenza Successive immagini che mostrano l'accumulo di microparticelle intrappolate formando aggregati. Viene visualizzata una barra di scala bianca di 4 µm. (b) numero di microparticelle intrappolate rispetto al tempo, estratte da (a). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Video 1. Optical Trapping e l'accumulo di particelle di 2 µm particelle. Il potere ottico utilizzato per eccitazione di risonanza plasmonica a 980 nm è di 5 mW. Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)
Complementare nella figura 1. Flusso di processo di nanofabbricazione di matrice Nanoplasmonic. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Complementare nella figura 2. Esempio di progetti in fase di raffreddamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Complementare nella figura 3. Circuito di pilotaggio per il raffreddamento del campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Complementare nella figura 4. Calibrazione di temperatura tra un RST Termometro e previsionali telecamera a raggi infrarossi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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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 utilizzato qui notevolmente migliora la probabilità di cattura. Se Nanostrutture plasmoniche, ben separati vengono utilizzati come siti di intrappolamento, bisogna aspettare a lungo per la migrazione di microparticelle nel volume efficace intrappolamento vicino le Nanostrutture plasmoniche. Inoltre, aumentando la distanza inter-disco criticamente diminuisce la probabilità di accumulo delle particelle. Nota che uno può anche eseguire l'esperimento di cattura con la grata ottica plasmonica a temperatura ambiente, ma la potenza ottica utilizzabile sarà molto limitato. Inoltre, a bassa potenza ottica, bisogna aspettare a lungo (~ 1 h) per l'evento di intrappolamento di microparticelle. In genere, si accende la telecamera CCD per registrare il moto della particella e raccogliere l'evento di registrazione dei colori in pochi minuti. La potenza applicabile è alta come 10 mW. Un alto potere ottico, può essere osservata una grande aggregazione di microparticelle.
Il passaggio fondamentale per successo in questo lavoro è quello di raffreddare giù la plasmonica su un vetrino coprioggetto fragile e monitorare contemporaneamente la temperatura del campione. Abbiamo scelto la lungimirante telecamera a infrarossi per misurare la temperatura, poiché tale misura senza contatto riduce notevolmente la possibilità di rottura del campione. In alternativa, si può scegliere di colla su un termometro di piccole dimensioni e usarlo per misurare la temperatura in tempo reale. Il sistema di raffreddamento con misurazione della temperatura senza contatto è generalmente applicabile per la microscopia ottica a basse temperature.
Sebbene la dimostrazione qui è fatto con particelle di dimensioni micron, uno può intrappolare le nanoparticelle ridimensionamento entrambe le dimensioni e la spaziatura dell'oro nanodiscs. Finora, intrappolando di nanoparticelle con diametri piccoli come 100 nm è stata dimostrata19. Non si tratta, tuttavia, il limite ultimo del reticolo ottico plasmonico. Inoltre, abbiamo utilizzato un lungo lavoro obiettivo del microscopio di distanza per facilitare la progettazione meccanica della fase del campione. Può ottenere una risoluzione migliore nell'imaging sostituendolo con un obiettivo microscopio a immersione in olio. Con la scalatura verso il basso le dimensioni delle Nanostrutture plasmoniche, l'intrappolamento di nanoparticelle ancora più piccole dovrebbe essere anche fattibile. 20 , 21
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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