Треппинг микро частиц в Nanoplasmonic оптической решетки
Summary
Мы опишем процедуру для оптически ловушку микро частиц в nanoplasmonic оптической решетки.
Abstract
Плазмонных Оптический пинцет был разработан преодолеть дифракционный пределы обычных далекое поле Оптический пинцет. Плазмонных оптической решетки состоит из массива наноструктур, которые демонстрируют разнообразие треппинга и поведения транспортного. Мы приводим экспериментальной процедуры в ловушку микро частиц в простой квадратный nanoplasmonic оптической решетки. Мы также обсудим, оптические установки и нанотехнологические nanoplasmonic массива. Оптический потенциал создается путем освещения массив золота nanodiscs с гауссова пучка 980 нм длины волны, и захватывающие плазмон резонанса. Движение частиц контролируется флуоресценции изображений. Схема для подавления яркостной конвекции также описана для увеличения использования оптической мощности для оптимального захвата. Подавление конвекции достигается путем охлаждения образца при низкой температуре и используя коэффициент теплового расширения почти нулевой водной среды. Здесь сообщается одной частицы транспорта и нескольких частиц треппинга.
Introduction
Оптических улавливания частиц микро масштабе был первоначально разработан Артур Askin в начале 1970-х годов. Когда-либо с момента его изобретения техника была разработана как универсальный инструмент для микро – и деятельность1,2. Обычные оптические треппинг основаны на дальнем поле-упором принцип по сути ограничены дифракцией в пространственной изоляции, которой резко снижается сила треппинга (следующий ~3 закон для частицы радиусом ) 3. для преодоления таких ограничений дифракции, исследователи разработали методы ближнепольной оптической треппинга на основе затухающих оптического поля, используя плазмонных металлических наноструктур и, Кроме того, треппинг наноразмерных объектов вниз один белковых молекул была продемонстрирована в4,5,6,,78,9,10,11. Кроме того плазмонных оптической решетки создается из массивов периодических наноструктур плазмонных придать большие расстояния микро – и наночастиц и несколько частиц укладки11,12. Одним из основных препятствий, чтобы сорвать треппинга в оптической решетки является яркостной конвекции и усилия для выяснения его последствия были сделаны несколько групп14,,1516,17. С помощью функции Грина, Baffou et al. Расчет температурного профиля путем моделирования каждого плазмонных наноструктуры как подогреватель точки и затем экспериментально проверяются их модель14. Toussant группа также измеряется плазмон индуцированной конвекция с частиц Велосиметрия15. Автора группа также характеризуется рядом с полем и конвекционный транспорта и продемонстрировал инженерной стратегии подавить яркостной конвекции16,17.
Здесь мы представляем дизайн оптические установки и подробные процедуры специально для треппинга экспериментов с плазмонных оптической решетки. Оптический потенциал был создан освещает массив золота nanodiscs с слабо фокусированный луч Гаусса. Схема для подавления яркостной конвекции охлаждать вниз образца при низкой температуре (~ 4 ° C) для оптимального захвата является также описать здесь17. При приближении Буссинеска, порядок оценки для естественной конвекции скорости u задаётся u ~L2 gβΔT / v, где L является шкала длина источника тепла и Δ T является повышение температуры относительно ссылки из-за нагрева. g и β являются гравитационное ускорение и коэффициент теплового расширения, соответственно. При температурах около 4 ° C плотность воды среды экспонатов аномальных температурная зависимость и это переводит в коэффициент теплового расширения почти нуля и, следовательно, исчезающе малой яркостной конвекции.
Protocol
Representative Results
Discussion
Процедура, описанная здесь позволяет читателю достоверно воспроизвести треппинга на ежедневной основе. Эмпирическое правило для разработки использовать оптические решетки является использование сопоставимого размера для плазмонных nanoarray, interdisc расстояние и размер частиц в ловушке. …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Т. ю. ю. хотел бы признать финансовую поддержку от министерства науки и технологии в рамках гранта числа наиболее 105-2221-E-007-MY3 и от национального университета Цинь Хуа под Грант номера 105N518CE1 и 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).
