Fabricación y operación de una banda 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
La técnica de usar rayos láser enfocados para atrapar y ejercer fuerzas sobre las partículas pequeñas ha permitido a muchos descubrimientos fundamentales en las ciencias biológicas y físicas a nanoescala en los últimos decenios. Los avances realizados en este campo invita a un mayor estudio de los sistemas aún más pequeños y en mayor escala, con herramientas que puedan ser distribuidos con mayor facilidad y hacen más accesible. Desafortunadamente, las leyes fundamentales de difracción limitan el tamaño mínimo del punto focal de un rayo láser, lo que hace que las partículas más pequeñas que un medio de longitud de onda de diámetro duro para atrapar y generalmente evita que un operador de discriminar entre las partículas que son más juntos de una media -wavelength. Esto impide la manipulación óptica de muchos nanopartículas estrechamente espaciados y limita la resolución de sistemas óptico-mecánicos. Además, la manipulación utilizando haces enfocados requiere la óptica de formación de haz o de dirección, que pueden ser muy voluminosos y caros. Dirigirseestas limitaciones en la escalabilidad del sistema de captura óptica convencional nuestro laboratorio ha ideado una técnica alternativa que utiliza la óptica de campo cercano para mover partículas a través de un chip. En lugar de centrarse rayos láser en el campo lejano, el cercano campo óptico de resonadores plasmónicas produce la mejora intensidad óptica local, necesario para superar las restricciones de la difracción y manipular partículas a mayor resolución. Resonadores estrechamente espaciadas producen trampas ópticas fuertes que pueden ser abordados para mediar en el hand-off de partículas de uno a otro de una manera cinta transportadora similar. Aquí se describe cómo diseñar y producir una cinta transportadora usando una superficie de oro con dibujos de resonadores en forma de C plasmónicas y cómo operar con luz láser polarizada para lograr la manipulación nanopartícula super-resolución y el transporte. El chip cinta transportadora nano-óptica puede producirse usando técnicas de litografía y fácilmente empaquetado y distribuido.
Introduction
Capture, el interrogatorio y la manipulación de nanopartículas individuales son de creciente importancia en la nanotecnología. Las pinzas ópticas han convertido en una técnica de manipulación particularmente exitoso para experimentos en biología molecular 1-4 química 5-7 y nano-ensamblaje 7-10 donde han permitido experimentos innovadores tales como la medición de las propiedades mecánicas de las moléculas de ADN individuales 4 y la clasificación de células por sus propiedades ópticas 11,12. Descubrimientos sobre estas fronteras se abren el estudio de sistemas aún más pequeños, y dar paso a la ingeniería de nuevos productos y técnicas prácticamente beneficiosos. A su vez, esta tendencia impulsa la necesidad de nuevas técnicas para manipular partículas más pequeñas y rudimentarias. Además, hay un empuje para construir dispositivos "lab-on-a-chip 'para llevar a cabo estas funciones de forma más barata y en un paquete más pequeño para traer pruebas químicas y biológicas dellaboratorio y en el campo para médicos y otros fines 13,14.
Desafortunadamente, atrapamiento óptico convencional (COT) no puede satisfacer todas las demandas crecientes de la nanotecnología. COT opera sobre el mecanismo de utilizar una alta apertura numérica (NA) de lente de objetivo para llevar la luz láser a un foco apretado, creando un pico localizado en intensidad óptica y los altos gradientes en la energía del campo electromagnético. Estos gradientes de densidad de energía ejercen una fuerza neta sobre las partículas de dispersión de luz que en general los lleva hacia el centro del foco. Atrapando partículas más pequeñas requiere mayor potencia óptica o un enfoque más ajustado. Sin embargo, los rayos de luz enfocado obedecen el principio de difracción, lo que limita el tamaño mínimo del punto focal y coloca un límite superior en el gradiente de densidad de energía. Esto tiene dos consecuencias inmediatas: COT no pueden atrapar pequeños objetos de manera eficiente, y COT tiene problemas para discriminar entre partículas muy próximas entre sí, una resolución de capturalimitación conoce como el problema de los "dedos gordos. Además, la aplicación de captura de partículas múltiples con COT requiere que los sistemas de la óptica de dirección del haz o moduladores espaciales de luz, componentes que aumentan drásticamente el costo y la complejidad de un sistema de captura óptica.
Una forma de sortear las limitaciones fundamentales de los haces enfocados convencionales de luz, dijo para propagar en el campo lejano, es en lugar de explotar los gradientes de energía electromagnética óptico en el campo cercano. El campo cercano decae exponencialmente alejado de fuentes de campos electromagnéticos, lo que significa que no sólo es muy localizada a estas fuentes, pero también exhibe muy altos gradientes en su densidad de energía. Los cerca de campos de resonadores nano-metálicos, tales como aberturas bowtie, pilares nano, y grabados en forma de C, se ha demostrado que presentan concentraciones extraordinarias de energía electromagnética, reforzada por la acción plasmónica de oro y plata en casi infrlongitudes de onda ARED y ópticas. Estos resonadores se han utilizado para atrapar partículas extremadamente pequeñas con alta eficiencia y resolución de 15-22 de. Si bien esta técnica ha demostrado ser eficaz para atrapar las partículas pequeñas, también ha demostrado ser limitado en su capacidad de transportar partículas sobre el rango apreciable, lo cual es necesario si los sistemas de campo cercano son para interconectar con sistemas de campo lejano o microfluídica.
Recientemente, nuestro grupo ha propuesto una solución a este problema. Cuando resonadores se colocan muy juntos, una partícula puede migrar, en principio, de una trampa óptica de campo cercano a la siguiente sin ser liberado de la superficie. La dirección de transporte se puede determinar si las trampas adyacentes se pueden activar y desactivar por separado. Una disposición lineal de tres o más resonadores direccionables, en el que cada resonador es sensible a una polarización o longitud de onda de luz diferente de la de sus vecinos, funciona como una cinta transportadora óptico, el transporte de nanopartiCiclos de más de una distancia de varias micras en un chip.
El llamado 'nano-óptica Cinta transportadora' (NOCB) es único entre los esquemas de captura resonador plasmónicas, ya que no sólo puede contener partículas en el lugar, pero también puede moverlos a alta velocidad a lo largo de pistas estampadas, recoger o dispersar partículas, mezclar y hacer cola, e incluso ordenarlos por propiedades tales como su movilidad 23. Todas estas funciones se controlan mediante la modulación de la polarización o longitud de onda de la iluminación, sin necesidad de óptica de dirección del haz. Como una trampa óptica de campo cercano, la NOCB atrapando resolución es mayor que la de trampas ópticas enfocada de haz convencionales, por lo que puede diferenciar entre partículas en las proximidades; porque utiliza una nanoestructura de metal para concentrar la luz en un atrapando así, es de bajo consumo, y no requiere de componentes ópticos caros, como un alto objetivo NA. Además, muchos NOCBs pueden funcionar en paralelo, a alta den embalajesidad, en el mismo sustrato, y 1 W de potencia puede pasar por encima de las aberturas 23 1200.
Hemos demostrado recientemente la primera NOCB polarización impulsada, sin problemas propulsar una nanopartícula de ida y vuelta a lo largo de una pista 24 4.5 micras. En este artículo se presentan los pasos necesarios para diseñar y fabricar el dispositivo, ópticamente activarlo y reproducimos el experimento transporte. Esperamos que lo que esta técnica más ampliamente disponibles ayudará a cerrar la brecha de tamaño entre la óptica de microfluidos, campo lejano y dispositivos a nanoescala y experimentos.
Protocol
Representative Results
Discussion
El NOCB combina las poderosas fuerzas de captura y pequeño tamaño trampa de enfoques plasmónicas con la capacidad para el transporte de partículas, siempre disponibles sólo para las técnicas de centrado de vigas convencionales. Único en el NOCB, las propiedades de captura y transporte del sistema son el resultado de los patrones de la superficie y no de la conformación del haz de iluminación. Siempre que la iluminación es lo suficientemente brillante y su polarización o longitud de onda se puede modular, las …
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).
