Fabbricazione e funzionamento di un nano-ottica Nastro trasportatore
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
La tecnica di utilizzare raggi laser mirati per intrappolare e esercitare forze in piccole particelle ha permesso a molte scoperte cardine nelle scienze biologiche e fisiche nanoscala nel corso degli ultimi decenni. I progressi compiuti in questo campo invita ulteriore studio di sistemi ancora più piccoli e ad una scala più ampia, con strumenti che potrebbero essere distribuiti più facilmente e reso più ampiamente disponibile. Purtroppo, le leggi fondamentali della diffrazione limitano la dimensione minima del punto focale di un fascio laser, il che rende le particelle più piccole di una mezza lunghezza d'onda di diametro difficile da intrappolare e generalmente impedisce all'operatore di discriminare tra le particelle che sono più vicini della metà -wavelength. Ciò preclude la manipolazione ottica di molte nanoparticelle ravvicinati e limita la risoluzione di sistemi ottici-meccanici. Inoltre, la manipolazione mediante fasci focalizzati richiede ottica beam-forming e di sterzo, che possono essere molto ingombranti e costosi. Indirizzarequeste limitazioni nella scalabilità del sistema di intrappolamento ottico convenzionale nostro laboratorio ha messo a punto una tecnica alternativa che utilizza l'ottica di campo vicino per spostare particelle attraverso un chip. Invece di concentrarsi raggi laser nel campo lontano, il vicino campo ottico di risonatori plasmoniche produce la necessaria valorizzazione locale intensità ottica per superare le restrizioni di diffrazione e manipolare particelle a più alta risoluzione. Risonatori ravvicinate producono forti trappole ottiche che possono essere indirizzati a mediare l'hand-off di particelle da una all'altra in un modo nastro trasportatore-like. Qui, descriviamo come progettare e produrre un nastro trasportatore con una superficie d'oro fantasia con plasmoniche risonatori a forma di C e come farlo funzionare con luce laser polarizzata per ottenere super-risoluzione manipolazione delle nanoparticelle e dei trasporti. Il convogliatore trucioli cinghia nano-ottica può essere prodotto con tecniche di litografia e facilmente confezionato e distribuito.
Introduction
La cattura, l'interrogatorio e la manipolazione di singole nanoparticelle sono di crescente importanza nel campo delle nanotecnologie. Pinzette ottiche sono diventati una tecnica di manipolazione particolarmente efficace per esperimenti di biologia molecolare 1-4, 5-7 e chimica nano-assemblaggio 7-10, dove sono abilitati esperimenti innovativi come la misura delle proprietà meccaniche di singole molecole di DNA 4 e l'ordinamento delle cellule dalle loro proprietà ottiche 11,12. Scoperte su queste frontiere si aprono lo studio di sistemi ancora più piccoli, e fanno strada alla progettazione di nuovi prodotti e tecniche praticamente benefiche. A sua volta, questa tendenza spinge la necessità di nuove tecniche per manipolare piccole particelle, più rudimentali. Inoltre, vi è una spinta per costruire dispositivi 'lab-on-a-chip "per eseguire queste funzioni più a buon mercato e in un pacchetto più piccolo per portare test chimici e biologici dallaboratorio e nel campo medico e per altri scopi 13,14.
Purtroppo, intrappolamento ottico convenzionale (COT) non può soddisfare tutte le richieste crescenti di nanotecnologia. COT opera sul meccanismo di utilizzare un elevato apertura numerica (NA) lente obiettivo per portare la luce laser per un fuoco stretto, creando un picco localizzato in intensità ottica e alti gradienti di energia campo elettromagnetico. Questi gradienti di densità di energia esercitano una forza netta sul particelle di luce-dispersione che generalmente li attira verso il centro del fuoco. Intrappolando le particelle più piccole richiede potenza ottica superiore o una maggiore attenzione. Tuttavia, fasci di luce concentrato obbediscono al principio della diffrazione, che limita la dimensione minima della macchia focale e pone un limite superiore al gradiente di densità di energia. Questo ha due conseguenze immediate: COT non può trattenere piccoli oggetti in modo efficiente, e COT ha difficoltà a discriminare tra particelle ravvicinati, risoluzione di catturalimitazione nota come problema le "dita grasse. Inoltre, l'implementazione multipla cattura particella con COT richiede sistemi di ottica fascio sterzanti o modulatori di luce spaziali, componenti che aumentano drasticamente il costo e la complessità di un sistema di intrappolamento ottico.
Un modo per aggirare le limitazioni fondamentali convenzionali fasci focalizzati di luce, detto propagare nel campo lontano, è quello di sfruttare invece i gradienti di energia elettromagnetica ottica nel campo vicino. Il campo vicino decade esponenzialmente lontano da fonti di campi elettromagnetici, il che significa che non solo è altamente localizzata a queste fonti, ma espone anche molto elevati gradienti nella sua densità di energia. I vicini campi di risonatori nano-metallici, quali aperture bowtie, pilastri nano, e incisioni a forma di C, hanno dimostrato di esporre straordinarie concentrazioni di energia elettromagnetica, ulteriormente rafforzata dall'azione plasmonica di oro e argento a quasi infrle lunghezze d'onda ARED e ottici. Questi risonatori sono stati utilizzati per intrappolare particelle estremamente piccole ad alta efficienza e la risoluzione 15-22. Sebbene questa tecnica si è dimostrata efficace in grado di intrappolare piccole particelle, ma ha anche dimostrato di essere limitato nella sua capacità di trasportare particelle range sensibile, che è necessaria se i sistemi in campo vicino sono di interfacciarsi con sistemi di campo lontano o microfluidica.
Recentemente, il nostro gruppo ha proposto una soluzione a questo problema. Quando risonatori sono posizionati molto vicini tra loro, una particella può in linea di principio migrare da un campo vicino trappola ottica all'altro senza essere rilasciato dalla superficie. La direzione di trasporto può essere determinato se trappole adiacenti possono essere accesi e spenti separatamente. Un array lineare di tre o più risonatori indirizzabili, in cui ciascun risonatore è sensibile ad una polarizzazione o lunghezza d'onda di luce differente da quella dei suoi vicini, funziona come un nastro trasportatore ottica, trasportando nanopartiCicli su una distanza di alcuni micron su un chip.
Il cosiddetto 'Nano-ottica Nastro trasportatore' (NOCB) è unico tra i regimi risonatore di cattura plasmoniche, in quanto non solo può contenere particelle in luogo, ma può anche spostarli ad alta velocità lungo le piste fantasia, raccogliere o disperdere le particelle, mescolare e coda, e persino dalle proprietà ordinarli come la mobilità 23. Tutte queste funzioni sono controllate modulando la polarizzazione o lunghezza d'onda di illuminazione, senza necessità per l'ottica del fascio sterzanti. Come trappola ottica in campo vicino, il NOCB intrappolando risoluzione è superiore a quella dei tradizionali focalizzato travi trappole ottiche, in modo che possa distinguere tra particelle in prossimità; perché utilizza una nanostruttura metallica per concentrare la luce in una cattura bene, è a basso consumo, e non richiede componenti ottici costosi come obiettivo elevata NA. Inoltre, molti NOCBs possono funzionare in parallelo, ad alta den imballaggiosity, sullo stesso substrato, e 1 W di potenza può guidare più di 1200 aperture 23.
Abbiamo recentemente dimostrato la prima NOCB polarizzazione-driven, senza intoppi spingendo una nanoparticella avanti e indietro lungo un 4,5 micron pista 24. In questo articolo vi presentiamo le misure necessarie per progettare e fabbricare il dispositivo, otticamente attivarlo e riproduciamo l'esperimento di trasporto. Speriamo che rendendo questa tecnica più ampiamente disponibile contribuirà a colmare il divario tra le dimensioni ottica microfluidica, in campo lontano, e dispositivi in nanoscala e sperimentazioni.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il NOCB combina le potenti forze di cattura e le piccole dimensioni trappola di approcci plasmoniche con la capacità di trasportare particelle, lungo disponibile solo per le tecniche convenzionali mirato a fascio. Unico al NOCB, le proprietà di cattura e di trasporto del sistema sono il risultato di patterning superficiale e non di modellare il fascio di illuminazione. Fornito l'illuminazione è abbastanza luminoso e la sua polarizzazione o lunghezza d'onda può essere modulata, particelle può essere tenuto o…
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 |
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