एक नैनो ऑप्टिकल कन्वेयर बेल्ट का निर्माण और ऑपरेशन
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
छोटे कणों पर बलों को फंसाने के लिए ध्यान केंद्रित लेजर बीम का उपयोग करने और लागू करने की तकनीक पिछले कुछ दशकों में nanoscale, जैविक और भौतिक विज्ञान में कई अहम खोजों के लिए सक्षम है। इस क्षेत्र में हुई प्रगति और अधिक आसानी से वितरित और अधिक व्यापक रूप से उपलब्ध कराया जा सकता है कि उपकरणों के साथ, यहां तक कि छोटे प्रणालियों की और एक बड़े पैमाने पर आगे के अध्ययन के लिए आमंत्रित किया। दुर्भाग्य से, विवर्तन के मौलिक कानून फंसाने के लिए कठिन व्यास में एक आधा तरंग दैर्ध्य की तुलना में छोटे कणों में आता है जो एक लेज़र बीम के फोकल स्थान का न्यूनतम आकार को सीमित करने और आम तौर पर एक आधे से भी करीब एक साथ कर रहे हैं जो कणों के बीच भेदभाव करने से एक ऑपरेटर को रोकता है -wavelength। यह कई बारीकी से दूरी नैनोकणों के ऑप्टिकल हेरफेर का निवारण होता है और ऑप्टिकल यांत्रिक प्रणालियों के संकल्प की सीमा। इसके अलावा, ध्यान केंद्रित उपयोग कर मुस्कराते हुए हेरफेर बहुत भारी और महंगा हो सकता है, जो किरण के गठन या स्टीयरिंग प्रकाशिकी, की आवश्यकता है। पता करने के लिएपारंपरिक ऑप्टिकल फँसाने हमारी प्रयोगशाला की प्रणाली scalability में इन सीमाओं एक चिप में कणों को स्थानांतरित करने के लिए पास मैदान प्रकाशिकी इस्तेमाल करता है जो एक वैकल्पिक तकनीक तैयार कर लिया गया है। इसके बजाय अभी तक क्षेत्र में लेजर बीम ध्यान केंद्रित की, plasmonic resonators की ऑप्टिकल निकट क्षेत्र विवर्तन के प्रतिबंध को दूर करने और उच्च संकल्प पर कणों में हेरफेर करने के लिए आवश्यक स्थानीय ऑप्टिकल तीव्रता वृद्धि पैदा करता है। बारीकी से स्थान दिया गया है resonators एक कन्वेयर बेल्ट की तरह फैशन में एक से दूसरे कणों के हाथ से बंद मध्यस्थता करने के लिए संबोधित किया जा सकता है, जो मजबूत ऑप्टिकल जाल का उत्पादन। यहाँ, हम डिजाइन और plasmonic सी के आकार का resonators और कैसे सुपर संकल्प nanoparticle हेरफेर और परिवहन को प्राप्त करने के लिए ध्रुवीकृत प्रकाश लेजर के साथ इसे संचालित करने के साथ नमूनों एक सोने की सतह का उपयोग कर एक कन्वेयर बेल्ट का उत्पादन करने के लिए कैसे का वर्णन है। नैनो ऑप्टिकल कन्वेयर बेल्ट चिप लिथोग्राफी तकनीक का उपयोग कर उत्पादन किया है और आसानी से पैक किया और वितरित किया जा सकता है।
Introduction
कब्जा, पूछताछ और एकल नैनोकणों के हेरफेर नैनो में बढ़ते महत्व के हैं। ऑप्टिकल चिमटी वे इस तरह के एक डीएनए अणु 4 और यांत्रिक गुणों की माप के रूप में सफलता के प्रयोगों के लिए सक्षम है, जहां आणविक जीव विज्ञान 1-4, रसायन शास्त्र में 5-7 और नैनो विधानसभा 7-10, में प्रयोगों के लिए एक विशेष रूप से सफल हेरफेर तकनीक बन गए हैं उनके ऑप्टिकल गुण 11,12 द्वारा कोशिकाओं की छंटाई। इन सीमाओं पर खोजों भी छोटे व्यवस्था के अध्ययन के लिए खोलने, और वे नए व्यावहारिक रूप से लाभकारी उत्पादों और तकनीकों के इंजीनियरिंग के लिए रास्ता बनाते हैं। बदले में, इस प्रवृत्ति को नई तकनीकों छोटे, अधिक अल्पविकसित कणों में हेरफेर करने के लिए की जरूरत है ड्राइव। इसके अलावा, के बाहर रासायनिक और जैविक परीक्षण लाने के क्रम में अधिक सस्ते और एक छोटे पैकेज में इन कार्यों को करने के लिए 'प्रयोगशाला पर एक चिप' उपकरणों का निर्माण करने के लिए एक धक्का हैप्रयोगशाला और चिकित्सा और अन्य प्रयोजनों के 13,14 के लिए मैदान में।
दुर्भाग्य से, पारंपरिक ऑप्टिकल फँसाने (खाट) नैनो की बढ़ती मांग के सभी को पूरा नहीं कर सकते हैं। खाट ऑप्टिकल तीव्रता और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र ऊर्जा के क्षेत्र में उच्च ढ़ाल में एक स्थानीय चोटी बनाने, एक तंग ध्यान करने के लिए लेजर प्रकाश में लाने के लिए एक उच्च संख्यात्मक एपर्चर (एनए) उद्देश्य लेंस का उपयोग के तंत्र पर चल रही है। ये ऊर्जा घनत्व ढ़ाल आम तौर पर ध्यान केंद्रित करने के केंद्र की ओर से उन में आ रही है, जो प्रकाश बिखरने कणों पर एक शुद्ध बल डालती है। छोटे कणों को फँसाने उच्च ऑप्टिकल शक्ति या एक तंग ध्यान देने की आवश्यकता। हालांकि, प्रकाश का ध्यान केंद्रित मुस्कराते हुए फोकल स्थान के न्यूनतम आकार को सीमित करता है और ऊर्जा घनत्व ढाल पर एक ऊपरी सीमा स्थानों विवर्तन के सिद्धांत का पालन करना। कुशलता खाट नहीं कर सकते जाल छोटी वस्तुओं, और खाट, एक फँसाने संकल्प मुसीबत निकट दूरी कणों के बीच भेदभाव है: यह दो तत्काल परिणाम हैसीमा 'मोटी उंगलियों' समस्या के रूप में जाना जाता है। इसके अलावा, खाट के साथ कई कण फँसाने को लागू करने के लिए तेजी से एक ऑप्टिकल फँसाने प्रणाली की लागत और जटिलता में वृद्धि जो बीम स्टीयरिंग प्रकाशिकी या स्थानिक प्रकाश माड्युलेटर्स, घटकों की प्रणाली की आवश्यकता है।
प्रकाश की पारंपरिक ध्यान केंद्रित बीम के मौलिक सीमाओं को नाकाम करने के लिए एक ही रास्ता है, अभी तक क्षेत्र में, के बजाय पास के क्षेत्र में ऑप्टिकल विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा की ढ़ाल का फायदा उठाने के लिए है प्रचार करने के लिए कहा। निकट क्षेत्र में तेजी से दूर विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के स्रोतों से यह अत्यधिक इन स्रोतों के लिए स्थानीय है कि न केवल इसका मतलब है जो decays, लेकिन यह भी अपनी ऊर्जा घनत्व में बहुत अधिक ढ़ाल दर्शाती है। ऐसे bowtie छिद्र, नैनो खंभे, और सी के आकार नक्काशी के रूप में नैनो धातु resonators, के पास के खेतों, पास-infr पर आगे सोने और चांदी के plasmonic कार्रवाई से बढ़ाकर विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा, की असाधारण सांद्रता प्रदर्शन करने के लिए दिखाया गया हैared और ऑप्टिकल तरंगदैर्ध्य। ये resonators उच्च दक्षता और संकल्प 15-22 में फंसाने के अत्यंत छोटे कणों के लिए इस्तेमाल किया गया है। इस तकनीक के छोटे कणों को फँसाने में कारगर साबित हो गया है, यह भी पास मैदान सिस्टम अभी तक क्षेत्र सिस्टम या microfluidics के साथ इंटरफेस के लिए कर रहे हैं, तो जरूरी है कि जो प्रशंसनीय सीमा पर कणों के परिवहन के लिए अपनी क्षमता में सीमित साबित हो गया है।
हाल ही में, हमारे समूह इस समस्या का समाधान करने का प्रस्ताव किया है। Resonators के बहुत करीब एक साथ रखा जाता है, एक कण सिद्धांत रूप में सतह से रिहा होने के बिना अगले करने के लिए एक के पास मैदान ऑप्टिकल जाल से पलायन कर सकते हैं। आसन्न जाल से दूर अलग पर दिया जा सकता है और यदि परिवहन की दिशा निर्धारित किया जा सकता है। प्रत्येक गुंजयमान यंत्र अपने पड़ोसियों के उस से एक ध्रुवीकरण या हल्के अलग की तरंग दैर्ध्य के प्रति संवेदनशील है, जिसमें तीन या अधिक पता resonators, की एक रैखिक सरणी, nanoparti परिवहन, एक ऑप्टिकल कन्वेयर बेल्ट के रूप में काम करता हैएक चिप पर कई माइक्रोन की दूरी पर Cles।
यह जगह में कणों को पकड़ कर सकते हैं, लेकिन यह भी नमूनों पटरियों के साथ उच्च गति पर उन्हें स्थानांतरित कर सकते हैं, इकट्ठा या कणों को फैलाने के रूप में न केवल तथाकथित 'नैनो ऑप्टिकल कन्वेयर बेल्ट' (NOCB), plasmonic गुंजयमान यंत्र फँसाने योजनाओं के बीच में अद्वितीय है मिश्रण है और उन्हें कतार, और यहां तक कि इस तरह अपनी गतिशीलता के रूप में 23 गुण द्वारा उन्हें तरह। इन कार्यों के सभी बीम स्टीयरिंग प्रकाशिकी के लिए कोई जरूरत के साथ, रोशनी के ध्रुवीकरण या तरंग दैर्ध्य नियमन द्वारा नियंत्रित कर रहे हैं। एक के पास मैदान ऑप्टिकल जाल के रूप में, संकल्प फँसाने NOCB पारंपरिक ध्यान केंद्रित बीम ऑप्टिकल जाल की तुलना में अधिक है, तो यह करीब निकटता में कणों के बीच अंतर कर सकते हैं; यह एक अच्छी तरह से फँसाने में प्रकाश ध्यान केंद्रित करने के लिए एक धातु nanostructure का उपयोग करता है, क्योंकि यह बिजली के कुशल है, और इस तरह के एक उच्च एनए उद्देश्य के रूप में महंगा ऑप्टिकल घटकों की आवश्यकता नहीं है। इसके अलावा, कई NOCBs उच्च पैकिंग मांद में, समानांतर में संचालित किया जा सकता है1200 23 छिद्र से अधिक चर्चाएं, उसी सब्सट्रेट पर, और बिजली की 1 डब्ल्यू ड्राइव कर सकते हैं।
हमने हाल ही में सुचारू रूप से आगे और पीछे एक 4.5 माइक्रोन ट्रैक 24 के साथ एक nanoparticle पहुंचा, पहले ध्रुवीकरण संचालित NOCB प्रदर्शन किया है। इस लेख में हम ऑप्टिकली, डिवाइस डिजाइन और निर्माण करने के लिए आवश्यक कदम पेश इसे सक्रिय करने और परिवहन प्रयोग पुनरुत्पादन। हम इस तकनीक को और अधिक व्यापक रूप से उपलब्ध बनाने microfluidics, अभी तक क्षेत्र प्रकाशिकी, और nanoscale उपकरणों और प्रयोगों के बीच आकार की खाई को पाटने में मदद मिलेगी।
Protocol
Representative Results
Discussion
NOCB केवल पारंपरिक ध्यान केंद्रित बीम तकनीक के लिए लंबे समय तक उपलब्ध कणों, परिवहन के लिए मजबूत फँसाने बलों और क्षमता के साथ plasmonic दृष्टिकोण के छोटे जाल आकार को जोड़ती है। NOCB के लिए अद्वितीय, प्रणाली के फँसा?…
Declarações
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 |
Referências
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