Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica
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
A técnica de utilização de feixes de laser focado para interceptar e exercem forças em pequenas partículas permitiu que muitas descobertas fundamentais nas ciências biológicas e físicas em nanoescala ao longo dos últimas décadas. Os progressos realizados neste domínio convida um estudo mais aprofundado dos sistemas ainda menores e em maior escala, com ferramentas que poderiam ser distribuídos com mais facilidade e fez mais amplamente disponível. Infelizmente, as leis fundamentais de difracção de limitar o tamanho mínimo do ponto focal de um feixe de laser, o que faz com que as partículas mais pequenas do que uma metade do comprimento de onda, em diâmetro difícil de armadilha e geralmente impede um operador de discriminar entre as partículas que estão mais próximos do que metade -Comprimento de onda. Isso impede a manipulação óptica de muitas nanopartículas estreitamente espaçados e limita a resolução de sistemas óptico-mecânicos. Além disso, utilizando feixes de manipulação óptica requer focalizados de formação de feixe ou de direcção, as quais podem ser muito volumoso e caro. Endereçarestas limitações na escalabilidade do sistema convencional de captura óptica nosso laboratório desenvolveu uma técnica alternativa que utiliza óptica de campo próximo para mover partículas através de um chip. Em vez de focar feixes de laser no campo distante, o campo próximo óptica de ressonadores plasmonic produz o reforço intensidade óptica local necessária para superar as restrições de difração e manipular partículas com maior resolução. Ressonadores de perto espaçadas produzir fortes armadilhas ópticas que podem ser abordados para mediar a mão-off de partículas a partir de um para o outro de uma forma-de tapetes transportadores semelhantes. Aqui, descrevemos como projetar e produzir uma correia transportadora com uma superfície de ouro modelado com plasmonic ressonadores em forma de C e como operá-lo com luz laser polarizada para atingir super-resolução manipulação de nanopartículas e transporte. O chip correia transportadora nano-óptico pode ser produzido usando técnicas de litografia e facilmente embalada e distribuída.
Introduction
Capture, interrogatório e manipulação de nanopartículas individuais são de importância crescente na nanotecnologia. Pinças ópticas tornaram-se uma técnica de manipulação particularmente bem sucedido para experimentos em biologia molecular 1-4, 5-7 e química nano-montagem 7-10, onde eles permitiram que experiências inovadoras, tais como a medição das propriedades mecânicas de moléculas de DNA de solteiro 4 e a ordenação das células por suas propriedades ópticas 11,12. Descobertas sobre essas fronteiras abrir o estudo de sistemas ainda menores, e eles abrir caminho para a engenharia de novos produtos e técnicas praticamente benéficos. Por sua vez, esta tendência impulsiona a necessidade de novas técnicas para manipular mais rudimentares, partículas menores. Além disso, há uma pressão para construir dispositivos "lab-on-a-chip" para executar essas funções de forma mais barata e numa embalagem mais pequena, a fim de trazer os testes químicos e biológicos para fora dolaboratório e no campo para médicos e outros fins 13,14.
Infelizmente, captura óptica convencional (COT) não pode atender a todas as demandas de crescimento da nanotecnologia. COT opera sobre o mecanismo de utilizar uma elevada abertura numérica (NA) lente objectiva para trazer luz laser para um foco apertado, criando um pico localizado em intensidade óptica e gradientes elevados em energia do campo electromagnético. Estes gradientes de densidade de energia exercem uma força resultante sobre partículas de dispersão da luz que geralmente chama-los em direcção ao centro do foco. Prendendo partículas menores exige potência óptica superior ou um foco mais apertado. No entanto, os feixes de luz focalizado obedecer o princípio da difracção, que limita o tamanho mínimo do ponto focal e coloca um limite superior do gradiente de densidade de energia. Isso tem duas consequências imediatas: COT não pode reter pequenos objetos de forma eficiente, e COT tem dificuldade para discriminar entre as partículas espaçados, uma resolução trappinglimitação conhecida como o problema dos dedos gordos ". Além disso, a implementação de múltiplos aprisionamento de partículas com COT requer sistemas de óptica de orientação de feixe de luz ou moduladores espaciais, componentes que aumentam drasticamente o custo ea complexidade de um sistema de captura óptica.
Uma maneira de contornar as limitações fundamentais de vigas focadas convencionais de luz, disse a propagar no campo agora, é a vez explorar os gradientes de energia eletromagnética óptica no campo próximo. O próximo campo decai exponencialmente a partir de fontes fora dos campos electromagnéticos, o que significa que não só é altamente localizada a estas fontes, mas também exibe muito elevados gradientes na sua densidade de energia. Os próximos campos de ressonadores nano-metálicos, como aberturas bowtie, nano colunas e as gravuras em forma de C, foram mostrados para expor extraordinária concentração de energia eletromagnética, reforçada pela ação plasmonic de ouro e prata a quase infrcomprimentos de onda ópticos e ARED. Estes ressoadores ter sido usado para prender partículas extremamente pequenas com elevada eficiência e resolução 15-22. Embora esta técnica tem se mostrado eficaz na captura de partículas pequenas, ele também provou ser limitado em sua capacidade para o transporte de partículas sobre a escala apreciável, o que é necessário se os sistemas de campo próximo são a interface com sistemas de campo distante ou microfluídica.
Recentemente, o nosso grupo propôs uma solução para este problema. Quando ressonadores são colocados muito próximos entre si, uma partícula pode, em princípio, migrar de um campo próximo armadilha óptica para o próximo sem ser liberado a partir da superfície. A direcção do transporte pode ser determinado se armadilhas adjacentes podem ser ligados e desligados separadamente. Uma cadeia linear de três ou mais ressonadores endereçáveis, em que cada um ressonador é sensível a um comprimento de onda ou polarização de luz diferente da dos seus vizinhos, funciona como uma correia transportadora óptico, o transporte de nanopartiCiclos mais de uma distância de alguns micra num chip.
O chamado 'Nano-óptica Correia Transportadora' (NOCB) é único entre os regimes de ressonador de armadilhagem plasmonic, como não só ele pode conter partículas no lugar, mas também pode movê-los em alta velocidade ao longo das trilhas estampados, reunir ou dispersar as partículas, misturar e fila-los, e até mesmo classificá-los por propriedades, tais como a sua mobilidade 23. Todas estas funções são controladas através da modulação do comprimento de onda ou polarização de iluminação, sem necessidade de óptica de orientação de feixe. Como uma armadilha óptica de campo próximo, o NOCB prendendo resolução é maior do que a de armadilhas ópticas de feixe focado convencionais, de modo que pode diferenciar entre as partículas em estreita proximidade; porque ele usa uma nanoestrutura metálica para concentrar a luz em um prendendo bem, é eficiente em termos de energia, e não requer componentes ópticos caros, como um objectivo elevado NA. Além disso, muitos NOCBs podem ser operados em paralelo, com alto embalagem densidade, no mesmo substrato, e um W de potência pode dirigir mais de 1200 aberturas 23.
Temos demonstrado recentemente o primeiro NOCB-driven polarização, sem problemas impulsionando uma nanopartícula frente e para trás ao longo de uma faixa de 4,5 mm 24. Neste artigo apresentamos os passos necessários para projetar e fabricar o dispositivo, opticamente ativá-lo e reproduzir o experimento de transporte. Esperamos que a esta técnica mais amplamente disponível vai ajudar a preencher a lacuna entre a óptica tamanho microfluídica, em campo distante e dispositivos em nanoescala e experimentos.
Protocol
Representative Results
Discussion
O NOCB combina as forças de armadilhagem fortes e tamanho pequeno armadilha de abordagens plasmonic com a capacidade para o transporte de partículas, a longo disponível somente para as técnicas de feixe focalizado convencionais. Exclusivo para o NOCB, as propriedades de captura e transporte do sistema são o resultado de padrões de superfície e não de moldar o feixe de iluminação. Desde que a iluminação é brilhante o suficiente e sua polarização ou comprimento de onda pode ser modulada, as partículas pode…
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 |
References
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M. Optical Trapping and Manipulation Of Viruses and Bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
- Svoboda, K., Block, S. M. Biological Applications of Optical Forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).
- Neuman, K., Block, S. Optical Trapping. Rev. Sci. Instrum. 75 (9), 2787-2809 (2004).
- Fazal, F. M., Block, S. M. Optical Tweezers Study Life Under Tension. Nat. Photonics. 5 (6), 318-321 (2011).
- Bockelmann, U., Thomen, P., Essevaz-Roulet, B., Viasnoff, V., Heslot, F. Unzipping DNA with Optical Tweezers: High Sequence Sensitivity and Force Flips. Biophys. J. 82 (3), 1537-1553 (2002).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical Trapping of Single Protein. Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).
- Dholakia, K., Čizm̌aŕ, T. Shaping the Future of Manipulation. Nat. Photonics. 5 (6), 335-342 (2011).
- Grier, D. G., Roichman, R. Holographic Optical Trapping. Appl. Opt. 45 (5), 880-887 (2006).
- Korda, P. T., Taylor, M. B., Grier, D. G. Kinetically Locked-in Colloidal Transport in an Array of Optical Tweezers. Phys. Rev. Lett. 89 (12), 128301 (2002).
- Pelton, M., Ladavac, K., Grier, D. G. Transport and Fractionation in Periodic Potential-energy Landscapes. Phys. Rev. E. 70 (3), 031108 (2004).
- Eriksson, E., et al. A Microfluidic System in Combination with Optical Tweezers for Analyzing Rapid and Reversible Cytological Alterations in Single Cells upon Environmental Changes. Lab Chip. 7 (1), 71-76 (2007).
- Applegate, R. W., Squier, J., Vestad, T., Oakey, J., Marr, D. W. M. . Optical Trapping, Manipulation, and Sorting of Cells and Colloids in Microfluidic Systems with Diode Laser. 12 (19), 4390-4398 (2004).
- MacDonald, G. C., Spalding, G. C., Dholakia, K. Microfluidic Sorting in an Optical Lattice. Nature. 426 (6965), 421-424 (2003).
- Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. All-optical Control of Microfluidic Components using Form. Nat. Mater. 4 (7), 530-533 (2005).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, R. Plasmon Nano-optical Tweezers. . Nat. Photonics. 5 (6), 349-356 (2011).
- Kwak, E. S., et al. Optical Trapping with Integrated Near-Field Apertures. J. Phys. Chem. B. 108 (36), 13607-13612 (2004).
- Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape. Nat. Phys. 3 (7), 477-480 (2007).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and Sensing 10 nm Metal Nanoparticles using Plasmonic Dipole Antennas. Nano Lett. 10 (3), 1006-1011 (2010).
- Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. Trapping and Rotating Nanoparticles using a Plasmonic Nano-tweezer with an Integrated Heat Sink. Nat. Commun. 2, 469 (2011).
- Shi, X., Hesselink, L., Thornton, R. Ultrahigh Light Trans- mission through a C-shaped Nanoaperture. Opt. Lett. 28 (15), 1320-1322 (2003).
- Chen, K., Lee, A., Hung, C., Huang, J., Yang, Y. Transport and Trapping in Two-Dimensional Nanoscale Plasmonic Optical Lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., et al. Sorting Nanoparticles with Intertwined Plasmonic and Thermo-Hydrodynamical Forces. Nano Lett. 13, 4230-4235 (2013).
- Hansen, P., Zheng, Y., Ryan, J., Hesselink, L. Nano-Optical Conveyor Belt, Part I: Theory. Nano Lett. 14, 2965-2970 (2014).
- Zheng, Y., et al. Nano-Optical Conveyor Belt, Part II: Demonstration of Handoff Between Near-Field Optical Traps. Nano Lett. 14, 2971-2976 (2014).
- Vogel, N., Zieleniecki, J., Koper, I. As flat as it gets: Ultrasmooth Surfaces from Template-stripping Procedures. Nanoscale. 4 (13), 3820-3832 (2012).
- Zhu, X., et al. Ultrafine and Smooth Full Metal Nanostructures for Plasmonics. Adv. Mater. 22 (39), 4345-4349 (2010).
- Kaleli, B., et al. Electron Beam Lithography of HSQ and PMMA Resists and Importance of their Properties to Link the Nano World to the Micro World. , 105-108 (2010).
