Svällning av mikropartiklar i Nanoplasmonic optiska gallret
Summary
Vi beskriver en procedur för att optiskt fälla mikro-partiklar i nanoplasmonic optiska gallret.
Abstract
Denna plasmoniska optisk pincett har utvecklats för att övervinna diffraktion gränserna för det konventionella långt fält optisk pincett. Plasmoniska optiska galler består av en matris av nanostrukturer, som uppvisar en mängd svällning och transport beteenden. Vi rapporterar de experimentella rutiner att fälla mikro-partiklar i en enkel fyrkantig nanoplasmonic optiska gallret. Vi beskriver också den optiska setup och närfältsmikroskop av en nanoplasmonic matris. Den optiska potentialen är skapad av lysande en rad guld nanodiscs med en Gaussisk stråle av 980 nm våglängd och spännande plasmon resonans. Förslaget till partiklar övervakas av fluorescens imaging. Ett system för att undertrycka photothermal konvektion beskrivs också för att öka användbar optisk effekt för optimal fångstmetoder. Dämpning av konvektion uppnås genom kylning provet till en låg temperatur, och utnyttja nära noll termisk utvidgningskoefficient av ett vatten-medium. Här redovisas både enskild partikel transport- och flera partikel svällning.
Introduction
Den optiska svällningen av mikroskala partiklar utvecklades ursprungligen av Arthur Askin på tidiga 1970-talet. Ända sedan dess uppfinning, har tekniken utvecklats som ett mångsidigt verktyg för mikro- och nanomanipulation1,2. Konventionella optiska svällning baserat på långt-fältet fokus princip inneboende begränsas av diffraktion i dess rumsliga instängdhet, vari den svällning kraften minskar dramatiskt (följande en ~en3 lag för en partikel med radie en) 3. för att övervinna sådana diffraktion begränsningar, forskare har utvecklat nära-fält optiska svällning tekniker baserat på flyktig optiska fältet plasmoniska metalliska nanostrukturer och, dessutom, fångst av nanoskala föremål ned till enda proteinmolekyler har visat4,5,6,7,8,9,10,11. Dessutom skapas det plasmoniska optiska gallret från matriser av periodiska plasmoniska nanostrukturer att ge långväga transporter av mikro – och nanopartiklar och flera partikel stapling11,12. Ett stort hinder att störa svällning i en optisk gallret är photothermal konvektion och ansträngningar har gjorts att belysa effekterna av flera grupper14,15,16,17. Använda Greens funktion, har Baffou et al. beräknas en temperaturprofil genom modellering varje plasmoniska nanostruktur som en punkt värmare och sedan experimentellt validerade deras modell14. Toussants grupp har också mätt den plasmon-inducerad konvektion med partikel Velocimetri15. Författarens gruppen har också präglat både nära-fält och convectional transport och visat en teknisk strategi för att undertrycka photothermal konvektion16,17.
Här presenterar vi utformningen av en optisk installationen och en detaljerad procedur specifikt för svällning experiment med plasmoniska optiska galler. Den optiska potentialen skapades av lysande en rad guld nanodiscs med ett löst fokuserade Gaussisk strålen. Ett system för att undertrycka den photothermal konvektion genom att kyla ner provet till en låg temperatur (~ 4 ° C) för optimal fångstmetoder är också beskriva här17. Under Boussinesq tillnärmning, ges en storleksordning uppskattning för egenkonvektion hastighet u av u ~L2 gβΔT / v, där L är längden skalan av värmekällan och Δ T är temperaturen ökar i förhållande till referensränta på grund av uppvärmning. g och β är den gravitationsacceleration värmeutvidgningskoefficient, respektive. Vid temperaturer nära 4 ° C, tätheten av vatten medium uppvisar avvikande temperaturberoende och detta leder till en nära noll värmeutvidgningskoefficient och, därför, en försvinnande liten photothermal konvektion.
Protocol
Representative Results
Discussion
Proceduren som beskrivs här kan läsaren att på ett tillförlitligt sätt reproducera svällning på daglig basis. En allmän empiriska riktlinje att utforma ett användbart optiska galler är att använda en jämförbar storlek för plasmoniska nanoarray, interdisc avstånd, och fångade partikelstorlek. Jämfört med en enda, isolerade plasmoniska nanostruktur, ökar optiska galler design tillsammans med den höga optiska makt som tillförsäkras genom kylning provet till ~ 4 ° C används här kraftigt sannolikheten…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. vill erkänna finansieringsstöd från ministeriet för vetenskap och teknik under grant nummer mest 105-2221-E-007-MY3 och från National Tsing Hua University under grant nummer 105N518CE1 och 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).
