ייצור ותפעול של מסוע ננו-אופטי
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
הטכניקה של שימוש בקרן לייזר ממוקד למלכודת ומפעיל כוחות על חלקיקים קטנים אפשרה רבות תגליות מרכזיות במדעים ביולוגיים ופיסיים בקנה מידה ננומטרי בעשורים האחרונים. ההתקדמות בתחום זה מזמינה מחקר נוסף של מערכות קטנות עוד יותר ובקנה מידה גדולה יותר, עם כלים שיכולים להיות מופץ בקלות רבה יותר ונעשו יותר זמין באופן נרחב. למרבה הצער, את חוקי היסוד של עקיפה להגביל את הגודל המינימאלי של נקודת המוקד של קרן לייזר, מה שהופך את חלקיקים קטנים יותר ממחצית אורך גל בקוטר קשה מלכודת ובדרך כלל מונע מפעיל להפלות בין חלקיקים שהם קרובים יותר ממחצית -wavelength. זה מונע את המניפולציה האופטית של ננו-חלקיקים באופן הדוק ברווח רב ומגביל את הרזולוציה של מערכות אופטיות-מכאניות. יתר על כן, מניפולציה באמצעות אלומה ממוקדת דורשת אופטיקה יוצרי קרן או היגוי, אשר יכול להיות מאוד מגושם ויקר. כדי לטפל במגבלות אלה במערכת הרחבה של המעבדה השמנה אופטית הקונבנציונלית שלנו פיתחו טכניקה חלופית אשר מנצלת אופטיקה שדה קרוב להעביר חלקיקים על פני שבב. במקום להתמקד בקרן לייזר בשדה הרחוק, השדה ליד האופטי של תהודה plasmonic מייצר שיפור עוצמת אופטית המקומי הדרוש כדי להתגבר על המגבלות של דיפרקציה ולתפעל חלקיקים ברזולוציה גבוהה יותר. תהודה מקרוב ברווח לייצר מלכודות אופטיות חזקות שניתן לטפל לתווך יד משל חלקיקים מאחד למשנהו באופן מסוע-כמו החגורה. כאן אנו מתארים כיצד לעצב ולייצר מסוע באמצעות משטח זהב בדוגמת עם תהודה C בצורת plasmonic ואיך להפעיל אותו עם אור הלייזר מקוטב להשיג מניפולציה ננו-חלקיקים ברזולוציה סופר ותחבורה. שבב מסוע ננו-אופטי יכול להיות מיוצר תוך שימוש בטכניקות ליתוגרפיה וארוז בקלות והפיץ.
Introduction
לכידה, חקירה ומניפולציה של חלקיקים בודדים הן של גידול חשיבות בננוטכנולוגיה. פינצטה אופטית הפכה טכניקת מניפולציה מוצלחת במיוחד עבור ניסויים בביולוגיה מולקולרית 1-4, 5-7 כימיה וננו-7-10 הרכבה, שבו הם אפשרו ניסויי פריצת דרך כגון המדידה של התכונות מכאניות של מולקולות דנ"א יחידים 4 ו המיון של תאים על ידי התכונות אופטיות שלהם 11,12. תגליות בגבולות אלה לפתוח את המחקר של מערכות קטנות עוד יותר, והם עושים את הדרך להנדסה של מוצרים מועילים כמעט חדשים וטכניקות. בתורו, מגמה זו מניעה את הצורך בטכניקות חדשות כדי לתפעל חלקיקים קטנים יותר, בסיסיים יותר. בנוסף, יש דחיפה לבנות התקנים 'מעבדה-על-שבב "כדי לבצע פעולות אלה במחיר זול יותר ובחבילה קטנה יותר על מנת להביא כימי ובדיקות ביולוגיות ממעבדה ולתוך השדה למטרות רפואיות ואחרות 13,14.
לרוע המזל, השמנה קונבנציונלית אופטית (COT) לא יכולה לעמוד בכל הדרישות הגוברת של ננוטכנולוגיה. COT פועל על המנגנון של שימוש בעדשת צמצם מספרי גבוה (NA) מטרה להביא אור הלייזר למיקוד חזק, יצירת שיא מקומי בעוצמה אופטית והדרגות גבוהות באנרגית השדה האלקטרומגנטי. מילויים צפיפות אנרגיה אלה להפעיל כוח שקול על חלקיקי פיזור אור אשר בדרך כלל מושך אותם בכיוון מרכז הפוקוס. לכידת חלקיקים קטנים יותר דורשת יותר כוח אופטי או מיקוד הדוק יותר. עם זאת, אלומה ממוקדת של אור מצייתת לעיקרון של התאבכות, אשר מגביל את הגודל המינימלי של נקודת המוקד ומציב גבול עליון לשיפוע צפיפות אנרגיה. לכך יש שתי השלכות מיידיות: חפצים קטנים COT לא יכול ללכוד ביעילות, וCOT מתקשה להבחין בין חלקיקים צפופים, רזולוציה השמנהמגבלה ידועה כבעיה "האצבעות השמנות". בנוסף, יישום לכידת חלקיקים מרובה עם COT דורש מערכות של אופטיקה קרן-היגוי או מאפנני אור מרחבי, רכיבים אשר באופן דרסטי להגדיל את העלות ומורכבות של מערכת לכידה אופטית.
אחת דרכים לעקוף את המגבלות הבסיסיות של אלומה ממוקדת הקונבנציונלית של אור, אמרה להפיץ בשדה המרוחק, הוא לנצל במקום הדרגתיים של אנרגיה אלקטרומגנטית אופטית בתחום הקרוב. השדה ליד דועך אקספוננציאלית הרחק ממקורות של שדות אלקטרומגנטיים, מה שאומר שלא רק שזה מקומי מאוד למקורות אלה, אך היא גם מציגה הדרגתיים גבוהה מאוד בצפיפות האנרגיה שלה. השדות ליד של תהודה ננו-מתכתי, כגון פתחי עניבת פרפר, עמודי ננו, ותחריטים בצורת C, שהוכחו תערוכה ריכוזים חריגים של אנרגיה אלקטרומגנטית, משופרת עוד יותר על ידי פעולת plasmonic של זהב וכסף בכמעט infrאורכי גל הנגר ואופטיים. תהודה אלה היו בשימוש לחלקיקים קטנים מאוד מלכודת ביעילות גבוהה ורזולוציה 15-22. בעוד טכניקה זו הוכחה כיעילה בלכידת חלקיקים קטנים, יש לו גם הוכח להיות מוגבל ביכולתה להעביר חלקיקים מעל טווח ניכר, אשר הוא הכרחי אם מערכות שדה קרוב הן לממשק עם מערכות שדה רחוק או מיקרופלואידיקה.
לאחרונה, הקבוצה שלנו הציעה פתרון לבעיה זו. כאשר תהודה ממוקמות קרובה מאוד זה לזה, חלקיקים יכולים בעיקרון להעביר ממלכודת אחד ליד שדה-אופטית למשנהו מבלי ששוחרר מהמשטח. הכיוון של תחבורה ניתן לקבוע אם ניתן להפעיל מלכודות סמוכות לסירוגין בנפרד. מערך ליניארי של שלוש או יותר תהודה למיעון, שבו כל מהוד הוא רגיש לקיטוב או אורך גל של אור שונה מזה של שכנותיה, עובד כמסוע אופטי, הובלת nanopartiמלקקים על פני מרחק של כמה מיקרונים על שבב.
מה שנקרא "ננו-האופטי המסוע '(NOCB) הוא ייחודי בין תוכניות השמנה מהוד plasmonic, שלא רק שהוא יכול להחזיק חלקיקים במקום, אבל זה גם יכול להעביר אותם במהירות גבוהה לאורך מסלולים בדוגמת, לאסוף או לפזר חלקיקים, לערבב ולתור אותם, ואפילו למיין אותם לפי מאפיינים כגון הניידות שלהם 23. כל פונקציות אלה נשלטים על ידי ויסות הקיטוב או אורך הגל של תאורה, ללא צורך באופטיקה קרן-היגוי. כמלכודת אופטית שדה קרוב, NOCB השמנה רזולוציה גבוה יותר מזה של מלכודות אופטיות ממוקדת-קרן קונבנציונליות, כך שהוא יכול להבחין בין חלקיקים בסמיכות; משום שהיא משתמשת ננו-מבנה מתכת להתרכז אור להשמנה גם, זה כוח יעיל, ואינו דורש רכיבים אופטיים יקרים כגון מטרת NA גבוהה. יתר על כן, NOCBs רב עשוי להיות מופעל במקביל, בחדר עבודה של אריזה גבוההסיטי, באותו המצע, וW 1 של כוח יכול לנהוג מעל 1200 פתחי 23.
יש לנו לאחרונה הפגין NOCB מונע הקיטוב הראשון, בצורה חלקה הנעת ננו-חלקיקים הלוך ושוב לאורך מסלול של 4.5 מיקרומטר 24. במאמר זה אנו מציגים את הצעדים דרושים כדי לתכנן ולייצר את המכשיר, אופטיים להפעיל אותו ולשחזר את ניסוי התחבורה. אנו מקווים כי ביצוע טכניקה זו זמינה יותר יעזרו לגשר על הפער בין גודל אופטיקה מיקרופלואידיקה, השדה הרחוק, והתקני ננו וניסויים.
Protocol
Representative Results
Discussion
NOCB משלב כוחות ההשמנה חזקים וגודל מלכודת קטן של גישות plasmonic עם היכולת להעביר חלקיקים, ארוך זמינים רק לטכניקות ממוקדת-קרן קונבנציונליות. ייחודי לNOCB, התכונות השמנה והובלה של המערכת הן תוצאה של דפוסי פני השטח ולא של עיצוב אלומת התאורה. סיפק את התאורה בהירה מספיק ויכול להי…
Disclosures
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 |
References
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M. Optical Trapping and Manipulation Of Viruses and Bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
- Svoboda, K., Block, S. M. Biological Applications of Optical Forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).
- Neuman, K., Block, S. Optical Trapping. Rev. Sci. Instrum. 75 (9), 2787-2809 (2004).
- Fazal, F. M., Block, S. M. Optical Tweezers Study Life Under Tension. Nat. Photonics. 5 (6), 318-321 (2011).
- Bockelmann, U., Thomen, P., Essevaz-Roulet, B., Viasnoff, V., Heslot, F. Unzipping DNA with Optical Tweezers: High Sequence Sensitivity and Force Flips. Biophys. J. 82 (3), 1537-1553 (2002).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical Trapping of Single Protein. Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).
- Dholakia, K., Čizm̌aŕ, T. Shaping the Future of Manipulation. Nat. Photonics. 5 (6), 335-342 (2011).
- Grier, D. G., Roichman, R. Holographic Optical Trapping. Appl. Opt. 45 (5), 880-887 (2006).
- Korda, P. T., Taylor, M. B., Grier, D. G. Kinetically Locked-in Colloidal Transport in an Array of Optical Tweezers. Phys. Rev. Lett. 89 (12), 128301 (2002).
- Pelton, M., Ladavac, K., Grier, D. G. Transport and Fractionation in Periodic Potential-energy Landscapes. Phys. Rev. E. 70 (3), 031108 (2004).
- Eriksson, E., et al. A Microfluidic System in Combination with Optical Tweezers for Analyzing Rapid and Reversible Cytological Alterations in Single Cells upon Environmental Changes. Lab Chip. 7 (1), 71-76 (2007).
- Applegate, R. W., Squier, J., Vestad, T., Oakey, J., Marr, D. W. M. . Optical Trapping, Manipulation, and Sorting of Cells and Colloids in Microfluidic Systems with Diode Laser. 12 (19), 4390-4398 (2004).
- MacDonald, G. C., Spalding, G. C., Dholakia, K. Microfluidic Sorting in an Optical Lattice. Nature. 426 (6965), 421-424 (2003).
- Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. All-optical Control of Microfluidic Components using Form. Nat. Mater. 4 (7), 530-533 (2005).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, R. Plasmon Nano-optical Tweezers. . Nat. Photonics. 5 (6), 349-356 (2011).
- Kwak, E. S., et al. Optical Trapping with Integrated Near-Field Apertures. J. Phys. Chem. B. 108 (36), 13607-13612 (2004).
- Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape. Nat. Phys. 3 (7), 477-480 (2007).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and Sensing 10 nm Metal Nanoparticles using Plasmonic Dipole Antennas. Nano Lett. 10 (3), 1006-1011 (2010).
- Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. Trapping and Rotating Nanoparticles using a Plasmonic Nano-tweezer with an Integrated Heat Sink. Nat. Commun. 2, 469 (2011).
- Shi, X., Hesselink, L., Thornton, R. Ultrahigh Light Trans- mission through a C-shaped Nanoaperture. Opt. Lett. 28 (15), 1320-1322 (2003).
- Chen, K., Lee, A., Hung, C., Huang, J., Yang, Y. Transport and Trapping in Two-Dimensional Nanoscale Plasmonic Optical Lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., et al. Sorting Nanoparticles with Intertwined Plasmonic and Thermo-Hydrodynamical Forces. Nano Lett. 13, 4230-4235 (2013).
- Hansen, P., Zheng, Y., Ryan, J., Hesselink, L. Nano-Optical Conveyor Belt, Part I: Theory. Nano Lett. 14, 2965-2970 (2014).
- Zheng, Y., et al. Nano-Optical Conveyor Belt, Part II: Demonstration of Handoff Between Near-Field Optical Traps. Nano Lett. 14, 2971-2976 (2014).
- Vogel, N., Zieleniecki, J., Koper, I. As flat as it gets: Ultrasmooth Surfaces from Template-stripping Procedures. Nanoscale. 4 (13), 3820-3832 (2012).
- Zhu, X., et al. Ultrafine and Smooth Full Metal Nanostructures for Plasmonics. Adv. Mater. 22 (39), 4345-4349 (2010).
- Kaleli, B., et al. Electron Beam Lithography of HSQ and PMMA Resists and Importance of their Properties to Link the Nano World to the Micro World. , 105-108 (2010).
