Fabrikasjon og drift av en Nano-Optical transportbånd

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

Teknikken med å bruke fokusert laserstråler for å felle og utøve krefter på små partikler har aktivert mange sentrale funn i nanoskala biologiske og naturvitenskap i løpet av de siste tiårene. Framdriften i dette feltet inviterer videre studier av enda mindre systemer og på en større skala, med verktøy som kan distribueres lettere og gjort mer allment tilgjengelig. Dessverre er de grunnleggende lover diffraksjon begrenser minimumsstørrelsen på brennpunktet for en laserstråle, noe som gjør at partikler som er mindre enn en halv bølgelengde i diameter vanskelig å felle og hindrer generelt en operatør fra skjelne mellom partikler, som er nærmere hverandre enn en halv -wavelength. Dette utelukker den optiske manipulering av flere tett plasserte nanopartikler og begrenser oppløsningen av optiske mekaniske systemer. Videre manipulering ved hjelp av fokusert bjelker krever stråledannende eller styre optikk, som kan være svært plasskrevende og kostbart. Til adressedisse begrensningene i systemet skalerbarhet av konvensjonell optisk fangst vår lab har utarbeidet en alternativ teknikk som benytter nær-feltet optikk å flytte partikler over en chip. I stedet for å fokusere laserstråler i fjernfeltet, frembringer det optiske nærfelt Plasmonic resonatorer den nødvendige lokale optiske intensiteten ekstrautstyr for å overvinne begrensninger av diffraksjon og manipulere partikler ved høyere oppløsning. Kryr resonatorer produsere sterke optiske feller som kan rettes til mekle hånd-off av partikler fra den ene til den neste i et transportbånd-belte-aktig måte. Her beskriver vi hvordan å designe og produsere et transportbånd ved hjelp av en gull overflate mønstret med Plasmonic C-formede resonatorer og hvordan du kan betjene den med polarisert laserlys for å oppnå super-oppløsning nanopartikkel manipulasjon og transport. Nano-optiske transportbånd chip kan produseres ved hjelp litografi teknikker og lett pakket og distribuert.

Introduction

Capture, avhør og manipulering av enkeltnanopartikler blir stadig viktigere i nanoteknologi. Optiske pinsetter har blitt en spesielt vellykket manipulasjon teknikk for eksperimenter i molekylærbiologi ^1-4, kjemi ^5-7 og nano-montering ^7-10, hvor de har gjort det mulig gjennombrudd eksperimenter slik som måling av de mekaniske egenskapene til enkelt DNA-molekyler ^{4 og} sortering av celler ved sine optiske egenskaper ^11,12. Funn på disse grensene åpne opp studiet av enda mindre systemer, og de gjør vei for prosjektering av nye praktisk talt gunstige produkter og teknikker. I sin tur, driver denne trenden behov for nye teknikker for å manipulere mindre, mer elementære partikler. I tillegg er det et trykk for å bygge opp "lab-på-en-brikke" anordninger for å utføre disse funksjonene billigere og i en mindre pakke, for å bringe kjemiske og biologiske tester ut avlab og ut i felten for medisinske og andre formål ^13,14.

Dessverre kan vanlig optisk fangst (COT) ikke oppfyller alle nanoteknologi økende krav. COT opererer på mekanismen ved hjelp av en høy numerisk apertur (NA) objektiv for å bringe laserlyset til en stramt fokus, og skaper en lokalisert topp i optisk intensitet og høye gradienter i den elektromagnetiske felt energi. Disse energi tetthetsgradienter utøver en netto kraft på lys-spredende partikler som generelt trekker dem inn mot midten av fokus. Fangst mindre partikler krever høyere optisk effekt eller en strammere fokus. Imidlertid fokuserte lysstråler adlyde prinsippet for diffraksjon, som begrenser den minimale størrelsen på brennpunktet, og setter en øvre grense for den energi densitetsgradient. Dette har to umiddelbare konsekvenser: barneseng kan ikke felle små gjenstander effektivt, og COT har problemer med å skille mellom tett plasserte partikler, en fangst oppløsningbegrensning kjent som "fete fingre 'problem. I tillegg implementere multiple partikkel overlapping med COT krever systemer av strålestyre optikk eller romlige lysmodulatorene, komponenter som drastisk øker kostnadene og kompleksiteten av et optisk trapping system.

En måte å omgå de fundamentale begrensninger ved konvensjonelle fokuserte lysstråler, som sies å forplante seg i fjernfeltet, er i stedet for å utnytte gradientene av optisk elektromagnetisk energi i nærfeltet. Nær feltet henfaller eksponentielt vekk fra kilder til elektromagnetiske felt, noe som betyr at ikke bare er det svært lokalisert til disse kildene, men det også viser svært høye gradienter i sin energitetthet. De nære felt av nano-metalliske resonatorer, slik som bowtie åpninger, nano søyler, og C-formede graveringer, har vist seg å oppvise ekstraordinære konsentrasjoner av elektromagnetisk energi, forbedres ytterligere ved plasmonic virkningen av gull og sølv ved nær-infrared og optiske bølgelengder. Disse resonatorer er blitt brukt til å fange opp meget små partikler ved høy effektivitet og oppløsning ^15-22. Selv om denne teknikk har vist seg effektive i å fange små partikler, har det også vist seg å være begrenset i sin evne til å transportere partiklene i løpet av vesentlig område, noe som er nødvendig hvis nærfeltet systemer er å kommunisere med systemer fjernfeltet eller MicroFluidics.

Nylig har vår gruppe foreslått en løsning på dette problemet. Når resonatorer er plassert svært nær hverandre, kan en partikkel i prinsippet migrere fra en nær-felt optisk felle til den neste uten å bli frigjort fra overflaten. Transportretningen kan bestemmes hvis tilstøtende feller kan slås av og på separat. En lineær oppstilling av tre eller flere adresser resonatorer, hvor hver resonator er følsom for en polarisering eller bølgelengde av lys som er forskjellig fra sine naboer, virker som en optisk transportbånd, transport nanoparticles over en avstand på flere mikrometer på en chip.

Den såkalte "Nano-Optical transportbånd" (NOCB) er unik blant Plasmonic resonator fangst ordninger, som ikke bare kan det holde partiklene på plass, men det kan også flytte dem i høy hastighet langs mønstrede spor, samle eller spre partikler, mikse og kø dem, og selv sortere dem etter egenskaper som deres mobilitet ^23. Alle disse funksjoner styres ved å modulere polarisering eller bølgelengde for belysning, uten behov for strålestyrings optikk. Som et nærfeltet optisk felle, den NOCB overlapping oppløsning er høyere enn den for konvensjonelle fokuserte stråle optiske feller, slik at det kan skille mellom partikler i umiddelbar nærhet; fordi den bruker en metall nanostrukturen å konsentrere lys inn en fangst vel, det er strømsparende, og krever ikke dyre optiske komponenter som en høy NA objektiv. Videre kan mange NOCBs drives i parallell, ved høy paknings hulesity, på samme underlaget, og en W effekt kan kjøre over 1 200 åpninger ^23.

Vi har nylig vist den første polarisasjonen drevne NOCB, jevnt driv en nanopartikkel og tilbake langs et spor ²⁴ 4,5 mikrometer. I denne artikkelen presenterer vi de nødvendige skritt for å designe og dikte enheten, optisk aktivere den og reprodusere transport eksperimentet. Vi håper at det å gjøre denne teknikken mer allment tilgjengelig vil hjelpe bro størrelsen gapet mellom MicroFluidics, fjernfeltet optikk, og nanoskala enheter og eksperimenter.

Protocol

1. Design C-formede Gravering (CSE) Array Designe rekken mønster. Figur 1. CSE Layout. Visning av transportbånd gjenta element. Vellykket transport er oppnådd ved hjelp av d y = 320 nm og d x = 360 nm. Tilstøtende par av graveringer har en 60º relativ rotasjons utlignet. Kli…

Representative Results

Figur 7 er et bilde av den siste enheten. I midten av 1 cm x 1 cm gulloverflate er matrisen av CSE og transportmønster, som kan knapt sees fra en vinklet vis. Figur 6 er et scanning-elektronmikroskopi bilde av et eksempel CSE mønster på den siste enhet. Den partikkelbevegelse av et 390 nm polystyrenkule reiser over en nano-optisk transportbånd 5 um i lengde, er vist i figur 9. Kurven viser partikkelens posisjon som en funksjon av laserpo…

Discussion

Den NOCB kombinerer de sterke fangst styrker og liten felle størrelsen Plasmonic tilnærminger med evne til å transportere partikler, lenge bare tilgjengelig for vanlige fokusert stråle teknikker. Unikt for NOCB, fangst og transportegenskaper i systemet er et resultat av overflate mønstring og ikke fra forme belysning bjelke. Forutsatt at belysningen er sterkt nok, og dens polarisasjon eller bølgelengde kan moduleres, partikler kan bli holdt eller flyttes i kompliserte protokoller på overflaten. Vi har vist gjenno…

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