الملائمة للجسيمات الدقيقة في نانوبلاسمونيك الضوئية شعرية

Dinesh Bhalothia; Ya-Tang Yang

doi:10.3791/56151

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

يصف لنا إجراء بصريا فخ الجسيمات الصغرى في شعرية نانوبلاسمونيك الضوئية.

Abstract

وقد وضعت الملاقط بصري plasmonic للتغلب على حدود حيود الملاقط الضوئية التقليدية مجال بعيد. شعرية بصرية plasmonic يتكون من صفيف النانو، الذي يحمل مجموعة متنوعة من السلوكيات النقل والملائمة. ونحن التقرير الإجراءات التجريبية إلى اعتراض الجسيمات الصغرى في شعرية بصرية نانوبلاسمونيك مربعة بسيطة. كما يصف لنا الإعداد بصري والنانومتري من مجموعة نانوبلاسمونيك. يتم إنشاء القدرة البصرية بإلقاء الضوء على مجموعة نانوديسكس الذهب مع شعاع غاوسي 980 الطول الموجي نانومتر، ومثيرة مأكل مثل الطحين الرنين. ويرصد حركة الجسيمات الفلورية التصوير. كما يتم وصف نظام لقمع فوتوثيرمال الحراري لزيادة الطاقة الضوئية يمكن استخدامها لتعويض الأمثل. ويتحقق قمع الحراري بتبريد العينة بدرجة حرارة منخفضة، واستخدام معامل التمدد الحراري بالقرب من الصفر للمياه المتوسطة. وترد هنا النقل الجسيمات مفردة ومتعددة الجسيمات الملائمة.

Introduction

تعويض بصري من الجزيئات الصغيرة على نطاق وضعت أصلاً من قبل آرثر Askin في أوائل السبعينات. وقد وضعت من أي وقت مضى منذ اختراع لها، التقنية كأداة متعددة الاستخدامات للمشاريع المتناهية الصغر ونانومانيبوليشن¹^،². التقليدية البصرية الملائمة استناداً إلى مجال بعيد تركز مبدأ طبيعتها يقتصر الحيود في حبس المكاني لها، حيث يقلل القوة الملائمة هائلة (التالية ~قانون³ لجسيمات في دائرة نصف قطرها ) ³. للتغلب على هذه الحدود الحيود، قد طور الباحثون التقنيات الملائمة البصرية القريبة من حقل استناداً إلى الحقل البصري زائل باستخدام النانو plasmonic المعدني، وعلاوة على ذلك، الكائنات الملائمة للنانو وصولاً إلى جزيئات البروتين وحيد قد أظهر⁴^،⁵^،^،من⁶⁷^،^،من⁸⁹^،¹⁰^،¹¹. وعلاوة على ذلك، يتم إنشاء شعرية بصرية plasmonic من صفائف النانو plasmonic الدوري لمنح النقل البعيد المدى للمشاريع المتناهية الصغر وجسيمات نانوية ومتعددة الجسيمات التراص¹¹^،¹². هو إحدى العقبات الرئيسية لتعطيل تعويض اللون في شعرية بصرية فوتوثيرمال الحراري وبذلت جهود توضيح إثارة عدة مجموعات¹⁴^،،^،من¹⁵¹⁶^،¹⁷. استخدام دالة غرين، حساب ملف تعريف درجة حرارة بنمذجة كل nanostructure plasmonic سخان نقطة بافو et al. وثم التحقق تجريبيا على نموذج¹⁴. وقد تقاس المجموعة توسانت أيضا الحراري الناجم عن مأكل مثل الطحين مع الجسيمات فيلوسيميتري¹⁵. كما تتسم كونفيكشونال وقرب ميدان النقل الفريق صاحب البلاغ وأثبتت استراتيجية هندسة لقمع photothermal الحراري¹⁶^،¹⁷.

هنا نقدم التصميم بإعداد بصرية وإجراءات مفصلة خصيصا للتجارب الملائمة مع plasmonic شعرية بصرية. تم إنشاء القدرة البصرية بإضاءة مجموعة من الذهب نانوديسكس مع شعاع غاوسي فضفاضة مركزة. مخطط لقمع الحراري photothermal بتهدئة العينة لدرجة حرارة منخفضة (~ 4 درجة مئوية) لتعويض الأمثل أيضا وصف هنا¹⁷. تحت تقريب بوسينيسق، تمنحها تقدير حجم ل سرعة الحمل الحراري الطبيعي يو يو ~ل² gβΔT / v، حيث أن L هو مقياس الطول لمصدر الحرارة و Δ T هو ارتفاع درجة الحرارة بالنسبة للإشارة بسبب التدفئة. (ز ) و بيتا هي تسارع الجاذبية ومعامل التمدد الحراري، على التوالي. في درجات حرارة القرب من 4 درجات مئوية، كثافة متوسطة الماء يسلك الاعتماد على درجة الحرارة الشاذة وهذا يترجم إلى معامل تمدد حراري القريبة من الصفر، ومن ثم الحراري photothermal زوال صغيرة.

Protocol

1. "إعداد البصرية"

ملاحظة: مبدأ الإعداد الضوئية ويتضح في الشكل 1.

كيت

مجموعة حتى البصرية الملاقط (انظر الجدول للمواد) ووحدة الأسفار (انظر الجدول للمواد) حسب أدلتها. توصيل مصدر نانومتر أزرق الضوء التي ينبعث منها الضوء صمام ثنائي (LED) 470 إلى الوحدة النمطية الفلورسنت.
استبدال الفتحة العددية عالية (غ) (نا = 1.25، التكبير x 100) النفط الغمر الهدف بعمل طويلة المسافة (WD) مجهر الهدف (البعد البؤري 3.6 ملم، WD = 10.6 مم، غ = 0.5).
إزالة العدسة في المقطع توسع شعاع من المجموعة المجتمعة لتحقيق التركيز فضفاضة لشعاع الليزر-
بدوره على إمدادات الطاقة والحالية الليزر الطول الموجي 980 نانومتر والاستخدام التهمة الموجهة إليه إلى جانب كاميرا الجهاز (CCD) التأكد من محاذاة شعاع الليزر بشكل صحيح.
ملاحظة: إذا كان شعاع الليزر يتم محاذاتها جيدا، سوف تقرأ الكاميرا CCD بقعة ضبابي.

2. النانومترى

ماركر تلفيق.
ملاحظة: سوف تساعد علامات لتحديد موضع الصفيف نانوبلاسمونيك أثناء عملية التصنيع والتجربة اللاحقة الملائمة. يتم توضيح عملية مفصلة في التكميلية الرقم 1.
1. شمال البحر الأبيض المتوسط إيداع 40 الإنديوم أكسيد القصدير (إيتو) بغشاء ساترة سمك 0.17 ملم مع اﻷخرق.
  ملاحظة: الفيلم إيتو سوف يساعد أداء الإلكترونات أثناء عملية الطباعة الحجرية شعاع ه اللاحقة-
2. تدور معطف طبقة 8 ميكرومتر من مقاوم الضوء الإيجابي مع تدور بسرعة 4000 لفة في الدقيقة والوقت 30 ثانية مع المغطى تدور.
3. لينة خبز العينة عند 90 درجة مئوية لمدة 5 دقائق ومحاذاة العينة مع النبائط لعلامة وتعريض العينة للأشعة فوق البنفسجية الخفيفة ل 80 s في راصفة القناع.
4. نقع العينة في المطور مقاوم الضوء على 130 س.
5. إيداع طبقة nm 2 من الكروم وطبقة نانومتر 40 من الذهب على العينة باستخدام التبخير الحراري. ¹⁸
6. نقع العينة في الأسيتون ووضعها في حالة التشغيل النظيف بالموجات فوق الصوتية في 43 كيلو هرتز و 150 واط لمدة 5 دقائق لأعمال رفع
تلفيق مجموعة نانوبلاسمونيك
1. تدور معطف طبقة من شعاع ه مقاومة البولي ميثيل ميثا اكريلات ك 120 مع سرعة الدوران 5000 لفة في الدقيقة لمدة 30 ق على المغطى زيادة ونقصان. خبز العينة على 160 درجة مئوية لمدة 3 دقائق على لوحة الساخن.
2. تدور معطف طبقة أخرى من مقاومة شعاع ه البولي ميثيل ميثا اكريلات 960 ك مع سرعة الدوران 5000 لفة في الدقيقة لمدة 30 ق على المغطى زيادة ونقصان. خبز العينة على 160 درجة مئوية لمدة 3 دقائق على لوحة الساخن.
3. استخدام شعاع ه الكاتب فضح ه-الشعاع مقاومة مع تسريع الجهد الكهربي 30 كيلو فولت والجرعة 400 ج/سم ²-
4. إيداع 40 نانومتر طبقة من الذهب في مبخر حراري.
5. امتصاص العينة في الأسيتون ووضعه في منظف بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 دقائق للجميع رفع

3. عينة تبريد النظام ومعايرة درجة الحرارة في

ملاحظة: يبين العينة التبريد تصميم المرحلة التكميلية الرقم 2-

مما يجعل الدارة السائق لوضع نموذج التبريد
1. المقاومات والترانزستورات تقاطع بين القطبين، والسلطة أكسيد المعدن الحقل ترانزستور تأثير على لوحة الدائرة المخصصة باتباع مخطط الدائرة في تكميلية الشكل 3 . لحام جميع هذه المكونات مع حام الحديد.
2. أسلاك الاتصال بين ميناء التحكم مجلس الدائرة ومجلس المراقبة الإلكترونية. توصيل الأسلاك بين منفذ الإخراج حلبة المجلس والعنصر (TEC) التبريد ثيرموليكتريكال. وضع العنصر المجلس التنفيذي الانتقالي على المسرح عينة مع الحرارة الغرق.
  ملاحظة: عنصر "المجلس التنفيذي الانتقالي" قد حفرة في الوسط للسماح لشعاع الليزر من خلال الذهاب إلى.
3. أسلاك الاتصال من لوحة الدوائر إلى 5 الخامس إمدادات الطاقة. استخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء تطلعية لرصد درجة الحرارة للتحقق إذا ثيرموليكتريكال التبريد هو التبريد بشكل صحيح.
معايرة درجة الحرارة المقاسة في تطلعي الأشعة تحت الحمراء الكاميرا ومقاومة درجة الحرارة (RTD) للكشف عن الحرارة.
1. وضع الترمومتر RTD على ساترة فارغة وتنطبق على كمية صغيرة من معجون الحراري على أنه لضمان الاتصال الحرارية المناسبة بين الحرارة RTD وساترة-
2. والانتظار لمدة 3 دقائق للتأكد من الوصول إلى درجة الحرارة ثابت الدولة. قراءة درجة الحرارة باستخدام الترمومتر RTD.
3. بدوره على كاميرا الأشعة تحت الحمراء يبحث إلى الأمام ومراقبة درجة الحرارة. كرر هذه العملية في إخراج الطاقة إعدادات مختلفة للحصول على منحنى معايرة درجة الحرارة. ويبين منحنى معايرة درجة حرارة ممثل التكميلية الرقم 4-
  ملاحظة: من الأهمية بمكان القيام بالمعايرة بين الحرارة RTD وكاميرا الأشعة تحت الحمراء تطلعي لأنه يجب أن تكون قراءة درجة الحرارة من كاميرا الأشعة تحت الحمراء تطلعية دقيقة لضمان الوصول إلى درجة الحرارة الصحيحة.

4. تصيد من المجهرية الدقيقة

ديلوت جزيئات البوليستيرين الصغرى قطرها 2 ميكرومتر في المياه في ميكروسينتريفوجيتوبي مع نسبة حجم مناسب-
ملاحظة: يمكن تعديل تركيز الجسيمات الدقيقة وفقا لهدف التجربة. بينما يسمح تركيز أقل فاصل زمني عينة بين الأحداث محاصرة الجسيمات مفردة، أعلى تركيز سيقصر وقت متعددة الجسيمات الملائمة. لمحاصرة الجسيمات واحد، هو تركيز نموذجي ~0.05% (w/v)-
وضع العينة مع مجموعة نانوبلاسمونيك على المسرح وتشغيله 470 نانومتر أدى كمصدر الضوء الفلورية ويدويًا بتعيين السلطة إلى 5 ميغاواط لتصوير حقل مشرق.
استخدام العلامة لتحديد موقع مجموعة نانوبلاسمونيك، ومحاذاة العينة، واستخدام الكاميرا CCD للتأكد من الصفيف في وسط منطقة الاهتمام على شاشة الكمبيوتر.
الاستغناء عن 10 ميليلتر من الجسيمات الدقيقة المخفف للقطر 2 ميكرومتر في العينة مع ماصة الصغير-
تشغيل العرض الحالي إلى صمام ثنائي ليزر من الطول الموجي 980 نانومتر تثير صدى plasmonic الصفيف مع سلطة في ميغاواط النطاق من ~ 1 إلى 10 ميغاواط.
يدوياً بتشغيل إمدادات الطاقة إلى مجلس المراقبة الإلكترونية لتبرد العينة لدرجة مئوية درجة حرارة ~ 4 حالة ثابتة.
في البرنامج العارض، انقر " تسجيل الفيديو " تسلسل لفتح مربع الحوار تسجيل. انقر " سجل " زر لبدء تشغيل تسجيل 1.5 حركة الجسيمات الدقيقة بمعدل إطار من 10 إطارات/ثانية على العينة تحت تأثير شعاع الليزر باستخدام الكاميرا CCD الفيديو. انقر فوق " وقف " الزر لإيقاف التسجيل. مشاهدة فيديو 1-

النتائج

وسجلت مسارات الجسيمات واحد بكاميرا CCD في تجربتنا وثم تم تجهيز الصور مع برنامج مخصص لاستخراج مسار كل جسيم¹⁶. يتم عرض النتائج الممثلة في الشكل 3 و 1 فيديو للمجالات الدقيقة بأقطار من 2 ميكرومتر. ولوحظت عدة زخارف الجسيمات داخل شعرية بصرية. ?...

Discussion

الإجراء الموضح هنا يتيح للقارئ أن تستنسخ موثوق الملائمة على أساس يومي. توجيهي تجريبي عام لتصميم شعرية بصرية قابلة للاستخدام لاستخدام حجم مماثل ل plasmonic نانواراي، إينتيرديسك المسافة، وحوصر حجم الجسيمات. بالمقارنة مع nanostructure plasmonic وحيدة، معزولة، يعزز تصميم البصرية شعرية بالاشتراك مع قوة ال?...

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

ي. ت. ي. أود أن نعترف بدعم من وزارة العلوم والتكنولوجيا بموجب منحة أرقام آخر 105-2221-ه-007-MY3 من جامعة تسينغ هوا الوطنية تحت منحة أرقام 105N518CE1 و 106N518CE1 والتمويل.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

127 Plasmonics

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: