Trapping von Mikropartikeln in Nanoplasmonic optischen Gitter
Summary
Wir beschreiben eine Prozedur, um optisch Mikropartikel in Nanoplasmonic optischen Gitter einzuschließen.
Abstract
Die plasmonische optische Pinzette wurde entwickelt, um die Beugung Grenzen der konventionellen Fernfeld optische Pinzette zu überwinden. Plasmonische optischen Gitter besteht aus einem Array von Nanostrukturen, die eine Vielzahl von Fang und Transport Verhalten aufweisen. Wir berichten über die experimentellen Verfahren, die Mikro-Partikel in einem einfachen quadratischen Nanoplasmonic optischen Gitter. Wir beschreiben auch der optische Aufbau und Nanofabrikation eines Nanoplasmonic-Arrays. Das optische Potenzial entsteht durch die Beleuchtung ein Array von gold Nanodiscs mit einem “glockenförmig” Strahl von 980 nm Wellenlänge und spannende Plasmon-Resonanz. Die Bewegung der Partikel wird durch Fluoreszenz-Bildgebung überwacht. Ein Schema, photothermische Konvektion zu unterdrücken wird auch beschrieben, um nutzbare optische Leistung für optimale Fang zu erhöhen. Unterdrückung der Konvektion wird durch Kühlung der Probe auf eine niedrige Temperatur und unter Verwendung der in der Nähe von Null thermische Ausdehnungskoeffizient des Mediums Wasser erreicht. Einzelkorn Transport- und mehrere Partikel abfangen werden hier gemeldet.
Introduction
Die optische fallen Mikromaßstab Teilchen wurde ursprünglich von Arthur Askin in den frühen 1970er Jahren entwickelt. Seit seiner Erfindung entwickelte sich die Technik als ein vielseitiges Werkzeug für Mikro- und Nanomanipulation1,2. Konventionelle optische trapping basierend auf das Fernfeld mit Schwerpunkt Prinzip ist von Natur aus begrenzt durch die Beugung in seine räumliche Beengtheit, wobei die Fallenjagd Kraft dramatisch sinkt (folgende eine ~3 -Gesetz für ein Teilchen mit dem Radius ein) 3. um solche Beugung Grenzen zu überwinden, Forscher entwickelten optischen Nahfeld-Trapping Techniken basierend auf dem evaneszenten optische Feld mit plasmonische metallischen Nanostrukturen und darüber hinaus das fangen von nanoskaligen Objekten auf einzelne Proteinmoleküle wurde demonstriert4,5,6,7,8,9,10,11. Darüber hinaus entsteht plasmonische optische Gitter aus Arrays von periodischen plasmonische Nanostrukturen Langstrecken-Transport von Mikro- und Nanopartikel und mehrere Teilchen Stapeln11,12zu verleihen. Ein Haupthindernis für die Fallenjagd in einem optischen Gitter zu stören ist photothermische Konvektion und Anstrengungen unternommen durch mehrere Gruppen14,15,16,17, deren Auswirkungen aufzuklären. Mit Green-Funktion, haben Baffou Et Al. ein Temperaturprofil durch Modellierung jeder plasmonische Nanostruktur als Punkt Heizung berechnet und dann experimentell validiert ihre Modell-14. Toussant Gruppe hat auch der Plasmon-induzierten Konvektion mit Partikel Velocimetry15gemessen. Die Autorengruppe hat auch gekennzeichnet Nahfeld- und konvektiven Transport und demonstriert eine engineering-Strategie um photothermische Konvektion16,17zu unterdrücken.
Hier präsentieren wir das Design eine optische Aufbau und ein detailliertes Verfahren speziell für Überfüllung Experimente mit plasmonische optischen Gitter. Das optische Potenzial entstand durch ein Array von gold Nanodiscs mit einem lose fokussierten “glockenförmig” Lichtstrahl beleuchtet. Ein Schema, photothermische Konvektion zu unterdrücken durch die Abkühlung der Probe auf eine niedrige Temperatur (~ 4 ° C) für optimale Trapping ist auch hier17beschreiben. Unter Boussinesq Näherungswert, ergibt sich eine Schätzung der Größenordnung für die natürliche Konvektion Geschwindigkeit u aus u ~L2 GβΔT / V, wo L die Längenskala der Wärmequelle und Δ ist T wird der Temperaturanstieg im Vergleich zu den Verweis wegen der Heizung. g und β sind die Gravitationsbeschleunigung und thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei Temperaturen in der Nähe von 4 ° C die Dichte des Mediums Wasser Exponate anomale Temperaturabhängigkeit und dies führt zu einer thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahe Null und somit eine verschwindend kleine photothermische Konvektion.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier beschriebene Vorgehensweise ermöglicht dem Leser zuverlässig abfangen auf einer täglichen Basis zu reproduzieren. Eine allgemeine empirische Richtlinie, ein nutzbare optische Gitter zu entwerfen ist eine vergleichbare Größe für plasmonische Nanoarray, interdisc Abstand zu verwenden und Partikelgröße gefangen. Im Vergleich zu einem einzelnen, isolierten plasmonische Nanostruktur, verbessert das optische Gitter-Design in Verbindung mit der hohen optischen Leistung durch die Kühlung der Probe auf ~ 4 ° C …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Y. T. Y. möchte anerkennen, finanzielle Unterstützung vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie unter Grantnummern am 105-2221-E-007-MY3 und an der National Tsing Hua University unter Zuschuss Zahlen 105N518CE1 und 106N518CE1.
Materials
| Thermoelectric cooling element | Thorlabs | TEC 1.4-6 | TEC element for sample cooling |
| RTD thermometer | Omega Engineering | RTD Thermometer 969C | |
| Forward looking infrared camera | FLIR | FLIR One | IR camera for temperature monitoring |
| light emitting diode light source | Touchbright | Light source for illumination for fluorescent imaging | |
| Long working distance objective | Olympus | LMPLFLN | For illuminating the sample and imaging |
| Optical trap kit | Thorlabs | OTKB/M | |
| Cover slip | thickness 0.17 mm | ||
| Scanning electron microscope | Hitachi | SEM-Hitachi S3400N | |
| Electron beam blanker | DEBEN | PCD beam blanker | the blanker is added to the scanning electron microscope |
| Thermal evaporator | SYSKEY Technology | ||
| Mask aligner | Karl Suss | MJB 3 | For marker fabrication |
| Electron beam resist | Sigma Alrich | PMMA 120K | For e-beam lithography |
| Electron beam resist | Sigma Alrich | PMMA 960K | For e-beam lithography |
| Fluoresent labeled polystyrene microspheres | Polyscience | 2 um diameter | |
| Bipolar transistor | Mouser | 2N3904 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| Bipolar transistor | Mouser | 2N3906 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| MOSFET power transistor | Mouser | IRF5305 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| MOSFET power transistor | Mouser | IRF131ON | quantity 2 for TEC driver circuit |
| 10 kOhm resistor | Mouser | quantity 6 for TEC driver circuit | |
| 910 Ohm resistor | Mouser | quantity 2 for TEC driver circuit | |
| Photoresist | Microchemicals | AZ4620 | For marker fabrication |
| Acetone | Sigma Alrich | For marker fabrication | |
| Fluorescence Module for the OTKB/M, Metric Threads | Thorlabs | OTKB-FL/M | |
| Fluorescent filter set | Thorlabs | MDF-FITC | For Fluorescein Isothiocyanate (FITC) |
| Ultrasonic cleaner | Delta | DC150H | For the lift off step |
References
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).
- Grier, D. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 21-27 (2003).
- Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. Radiation on trapping forces with optical tweezers. Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).
- Kawata, S., Tani, T. Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide. Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).
- Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. Optical Manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides. Nature. 457, 71-75 (2009).
- Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. Optical manipulation with planar silicon microring resonators. Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).
- Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators. Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).
- Lin, S., Crozier, K. Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles. Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., R, Plasmonic nano optical tweezers. Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).
- Huang, J. S., Yang, Y. -. T. The origin and future of plasmonic optical tweezer. Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of single protein. Nano Lett. 12, 402-406 (2012).
- Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. -. T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., Stein, B., Canguier-Durand, A., Devaux, E., Genet, C., Ebbesen, T. W. Brownian motion in a designer force field: Dynamical effects of negative refraction on nanoparticles. Nano Lett. 12, 4329-4332 (2012).
- Baffou, G., Berto, P., Urena, E. B., Quidant, R., Monnert, S. J., Polleux, J., Righeault, H. Photoinduced heating of nanoparticle arrays. ACS Nano. 8, 6478-6488 (2013).
- Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. Understanding and controlling plasmon-induced convection. Nat. Commun. 5, (2014).
- Yang, T. P., Yossifon, G., Yang, Y. -. T. Characterization of the near-field and convectional transport behavior of micro and nano particles in nanoscale plasmonic optical lattice. Biomicrofluidics. 10, 034102 (2016).
- Chen, Y. -. C., Yossifon, G., Yang, Y. -. T. Supression of phtothermal convection of micro particles in two dimensional nanoplamonic optical lattice. Appl. Phys. Lett. 109, 201111 (2016).
- Smith, D. . Thin film deposition: principles and practice. , (1995).
- Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres. Sci. Rep. 2, 966 (2012).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas. Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 2011 (11), 3763-3767 (2011).
