Diffusering af mikro partikler i Nanoplasmonic optisk gitter
Summary
Vi beskriver en metode til at optisk fælde mikro-partikler i nanoplasmonic optisk gitter.
Abstract
Den plasmonic Optisk pincet er blevet udviklet for at overvinde diffraktion grænserne for konventionelle langt ager Optisk pincet. Plasmonic optisk gitter består af en bred vifte af nanostrukturer, der udviser en række diffusering og transport adfærd. Vi rapporterer de eksperimentelle procedurer til at fælde mikro-partikler i en simpel firkantet nanoplasmonic optisk gitter. Vi beskriver også opsætningen af optiske og nanofabrication i en nanoplasmonic array. Den optiske potentiale er lavet af lysende et array af guld nanodiscs med en Gaussisk stråle af 980 nm bølgelængde, og spændende plasmon resonans. Bevægelsen af partikler overvåges af fluorescens billeddannelse. En ordning til at undertrykke photothermal konvektion er også beskrevet for at øge brugbar optiske effekt for optimal diffusering. Undertrykkelse af konvektion er opnået ved køling prøven til en lav temperatur, og udnytte nær nul termisk udvidelse koefficient på en vand medium. Både enkelt partikel transport og flere partikel fældefangst indberettes her.
Introduction
Den optiske diffusering af mikro-skala partikler blev oprindeligt udviklet af Arthur Askin i begyndelsen af 1970erne. Lige siden sin opfindelse, er teknikken blevet udviklet som et alsidigt værktøj til mikro- og nanomanipulation1,2. Konventionelle optisk diffusering baseret på langt-ager fokuserer princip er i sagens natur begrænset af diffraktion i sin rumlige indeslutning, hvori diffusering kraften falder drastisk (følgende en ~3 lov for en partikel af radius en) 3. for at overvinde disse diffraktion grænser, har forskere udviklet nær felt optisk diffuseringsteknikker baseret på det flygtige optisk feltet plasmonic metallisk nanostrukturer og derudover diffusering af nanoskala objekter ned til enkelt proteinmolekyler har været demonstreret4,5,6,7,8,9,10,11. Desuden oprettes plasmonic optisk gitter fra arrays af periodiske plasmonic nanostrukturer til at overdrage langtrækkende transport af mikro – og nanopartikler og flere partikel stabling11,12. En væsentlig hindring for at forstyrre diffusering i et optisk gitter er photothermal konvektion og indsats er blevet foretaget til at belyse virkningerne af flere grupper14,15,16,17. Bruger greens funktion, har Baffou et al. beregnet en temperatur profil ved at udforme hver plasmonic nanostrukturer som et punkt opvarmningsanlægget og derefter eksperimentelt bekræftet deres model14. Toussants gruppe har også målt på plasmon-induceret konvektion med partikel Velocimetri15. Forfatterens gruppe er også kendetegnet både nær-felt og convectional transport og demonstreret en teknisk strategi for at undertrykke photothermal konvektion16,17.
Her præsenterer vi design af en optisk setup og en detaljeret procedure specifikt for fældefangst eksperimenter med plasmonic optisk gitter. Den optiske potentiale var lavet af lysende et array af guld nanodiscs med et løst fokuseret Gaussisk stråle. En ordning til at undertrykke photothermal konvektion ved nedkøling prøven til en lav temperatur (~ 4 ° C) for optimal fældefangst er også beskrive her17. Under Boussinesq tilnærmelse, en størrelsesorden estimat for den naturlige konvektion velocity u er givet ved u ~L2 gβΔT / v, hvor L er længde omfanget af varmekilde og Δ T er temperaturstigning i forhold til reference på grund af varmen. g og β er tyngdeaccelerationen og termisk ekspansion koefficient, henholdsvis. Ved temperaturer nær 4 ° C, densitet af vand medium udstiller unormal temperatur afhængighed og dette udmønter sig i en nær nul termisk ekspansion koefficient og derfor en forsvindende lille photothermal konvektion.
Protocol
Representative Results
Discussion
Proceduren beskrevet her gør det muligt for læseren at pålideligt reproducere diffusering på daglig basis. En generel empiriske retningslinje at designe et brugbart optisk gitter er at bruge en tilsvarende størrelse for plasmonic nanoarray, interdisc afstand, og fanget partikelstørrelse. I forhold til en enkelt, isoleret plasmonic nanostrukturer, øger optisk gitterdesign sammen med den høje optiske effekt ved køling prøven til ~ 4 ° C anvendes her meget sandsynligheden for diffusering. Hvis godt adskilt, plasm…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. vil gerne anerkende finansieringen støtte fra ministeriet for videnskab og teknologi under grant numre mest 105-2221-E-007-MY3 og National Tsing Hua University under grant numre 105N518CE1 og 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 |
References
- 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).
