电浆捕获和纳米粒子的释放在监控环境

摘要

并入电浆镊子的微芯片制造工艺在这里呈现。微芯片使捕集粒子的成像来测量最大俘获力。

摘要

电浆镊子使用表面等离子体激元来限制极化纳米级物体。在电浆镊子的各种设计，只有少数可以观察到固定的颗粒。此外，研究有限数量的实验测得的颗粒上的可施加的力。这些设计可以被分类为突出纳米盘类型或抑制纳米孔类型。对于后者，显微镜观察是极具挑战性。在本文中，一个新的等离激元镊子系统中引入来监测颗粒，无论是在平行方向和垂直于等离子体激元纳米孔结构的对称轴。通过此功能，我们观察到纳米孔的边缘附近的每个粒子的运动。此外，我们可以定量评估采用了全新的流体通道的最大阱力。

引言

操纵微尺度对象的能力是许多微/纳米实验中不可缺少的功能。直接接触操作会损坏操纵对象。释放之前保持的对象也正是因为静摩擦问题具有挑战性。为了克服这些问题，采用的流体^1，电动^2，磁^3，或光子力^{4，5，6，7}几个间接方法^，8已经被提出。使用光子力电浆镊子是基于非凡场增强几个数量级比入射光强度大⁹的物理性质。这种极其强烈的场增强使极小的纳米粒子的捕集。例如，已显示，以固定和操纵纳米级的对象，如聚苯乙烯颗粒^{7，10，11，12，13，14，}聚合物链^15，蛋白质^16，量子点^17，和DNA分子^8,18。如果没有电浆镊子，它是很难被诱捕的纳米粒子，因为它们很快消失在有效地检查之前，他们或者是因为它们是由于激光的高强度受损。

许多电浆研究中使用的各种纳米级金结构。我们可以分类的金结构作为突出纳米盘类型^{12，13，14，15，19 >，20，21}或抑制纳米孔类型^{7，8，10，11，22，23。}在成像的方便的观点出发，纳米盘类型是比纳米孔类型的更多合适的，因为对于后者，金基材可以妨碍观察视野。此外，等离激元俘获发生等离子结构附近，使得观测甚至更具挑战性。据我们所知，在纳米孔类型的电浆诱捕用间接散射信号，只有通过验证。但是，没有成功的直接观察，如显微图像，已报告。很少有研究描述俘获粒子的位置。这样的一个结果被王等人提出。他们创建的金基板上的金支柱和观察到的所述p使用荧光显微镜²⁴条运动。然而，这仅仅是为了在平行于光束轴的方向监测侧向运动无效。

在本文中，我们引入新的流体微芯片的设计和制造过程。使用这种芯片，我们证明plasmonically捕获粒子的监测，无论是在方向平行和垂直的电浆纳米结构。此外，我们通过增加流体速度找到在微芯片的引爆速度测量固定化的粒子的最大力量。这项研究是独一无二的，因为在电浆镊子大多数研究不能定量地显示在他们的实验设置中使用的最大阱力。

研究方案

注意:使用前请所有有关材料安全法规。几个在微芯片制造中使用的化学品是剧毒和致癌性。进行光刻和蚀刻工艺的情况下，包括使用工程控制（通风柜，热板，和对准器）和个人防护设备（安全眼镜，手套，实验室外套，全长裤和关闭的请使用所有适当的安全实践-toe鞋）。

1. PDMS微通道的制作

1. 通过光刻工艺微通道模具的制造
   1. 完全4英寸Si晶片表面用piranha清洁（ 图1a）上除去异物。在以3:1的比例混合的硫酸（H ₂ SO _4）和过氧化氢（H ₂ O _2）:1，使在盘的食人鱼溶液。通过逐渐加入少量的强酸（H ₂ O混合 _{2）的弱酸（H 2 SO 4）;反转该顺序可能会导致由于高反应性强酸的爆炸。}
   2. 浸入晶片在10分钟食人鱼溶液。接着，浸入去离子（DI）水的晶片3分钟以除去残留的食人鱼溶液。冲洗晶片用流动的去离子水10秒。重复漂洗过程3次，并干燥以N ₂气体以除去剩余的DI。
   3. 放置在晶片上的热板上20分钟在180℃下进一步脱水的晶片。
   4. 以1500rpm（ 图1b）倾5毫升在晶片和旋涂45秒的顶部上的负性光刻胶的;旋涂后，光致抗蚀剂珠粒在晶片边缘处创建，因为光致抗蚀剂的相对高的粘度。
   5. 平衡在流平支架5小时通过平坦化光致抗蚀剂涂覆的晶片。
   6. 放置光致抗蚀剂涂覆的晶片在热板上在65 12分钟℃，35分钟，在95℃，并在65℃（软烤）12分钟。
   7. 固定在掩模保持器和矫正器的基片台上的软烘焙晶片薄膜掩模。暴露于紫外（UV）光下43号在650毫焦/厘米²以固化光致抗蚀剂。
   8. 放置在热板上进行5分钟的晶片在65℃下，在95℃下15分钟，并在65°C（曝光后烘焙）5分钟。
   9. 浸泡在光刻胶显影剂晶片30分钟，以除去未固化的光致抗蚀剂。
   10. 冲洗用异丙醇（IPA）中，用N ₂气体的干式晶片以除去剩余的IPA。
2. 在PDMS微通道的制造
   1. 处理晶片，并以200瓦使用大气等离子体机²⁵的功率光致抗蚀剂模，持续1分钟的表面上; CH ₄的气体流量和他应该是6和30 SCCM，分别。执行此疏水处理，容易拆卸聚D-从晶片和光致抗蚀剂模（ 图1c）的表面imethylsiloxane（PDMS）微通道。
   2. 制备通过混合PDMS基并以10比固化剂的PDMS溶液:1。搅拌2分钟该混合物。
   3. 放置一个陪替氏培养皿内的晶片（150毫米×15毫米），加入PDMS溶液的100毫升。除去从使用干燥器搅拌创建的气泡。
   4. 放置在烘箱2个小时培养皿在80℃下以固化PDMS溶液（ 图1d和h）。
   5. 沿微通道PDMS用刀片的轮廓切割并从晶片分离它;所制造的微通道PDMS应具有以下尺寸:13姆·隆恩，300微米宽和150微米高（ 图1E，F和I）。
      注:两种类型的孔是由一个微穿刺产生的插入单模光纤（SMF）电缆和管（入口a第二对PDMS微通道（ 图1克出口））。的SMF电缆用于发射激光束到研磨上的金板中的纳米孔。该管被用来插入/提取从PDMS微通道中的粒子溶液至/。
   6. 穿刺1.5毫米的入口和出口孔在所述PDMS微通道的每一端。穿刺在PDMS微通道的中心的0.3mm的SMF电缆孔。

2.镀金的蚀刻处理

1. 准备市售的金板上，以25×6.25毫米^2（ 图2a）的尺寸。
2. 在黄金板块具有以下清洁程序删除任何异物。清洁在由丙酮，甲醇和去离子水浸渍，每次5分钟以下顺序。
3. 冲洗金板用DI水洗涤3次10秒，并用N ₂气干燥该板以除去剩余的去离子水。
4. 将在金盘上用热板在180℃下20分钟后，完全除去任何剩余的水分。
5. 在3,000rpm下倾0.5mL的在金板和旋涂40秒六甲基二硅烷（HMDS）的。
6. 在3,000rpm下倾0.5mL的正性光刻胶的上旋涂HMDS的顶部和旋涂40秒（ 图2b）。
7. 放置光致抗蚀剂涂覆的金板上，在110℃（软烤）热板90秒。
8. 固定玻璃晶片上的薄膜掩模和放置软烤金板基片台上。暴露于UV光4.5 s的64毫焦耳/厘米^2，以溶解光致抗蚀剂。
9. 沉浸金板在光致抗蚀剂显影剂1分钟以除去溶解的光致抗蚀剂（ 图2c）。冲洗金板用DI水，并用N ₂气干燥。
10. 在28埃/秒的刻蚀速率以去除暴露的Au（ 图2d）沉浸在金蚀刻剂45秒金板。冲洗金板DI水:r和用N ₂气干燥。
11. 以25埃/秒的刻蚀速率，以除去暴露的Ti（ 图2e）浸泡在钛蚀刻剂为5秒的金板。冲洗金板用DI水，并用N ₂气干燥。
12. 通过在丙酮，甲醇，和去离子水浸渍3分钟每个（ 图2f）拆下上的金板中的剩余的光刻胶;沉浸在书面顺序板。
13. 冲洗金板用DI水3次，持续10秒。干用N ₂气以除去去离子水。
14. 放置在热板上的金板3分钟，在120℃以完全除去水分;所产生的金块应该是400×150微米^2（ 图2H）。
15. 轧机在使用这是后蚀刻（ 图2G和ⅰ）制造的金块的中心的聚焦离子束（FIB）为400nm的纳米孔。创建370纳米圈图案集中于金BL玉珠用离子在28 Pa下3秒加速30千伏的电压。

3.微芯片的大会

1. 治疗PDMS微通道和金板的两个表面1分钟用O ₂等离子体将它们连同等离子体体系在80 W的功率和825毫托²⁵的压力连接。
   注:这是特别难以将其与精密附着由于黄金块和PDMS微通道都在微米级。因此，使用对准器具有照相机和手动载物台。
2. 修复被用于附接膜掩模对准器（ 图3a）的阴罩保持架的玻璃晶片。
3. 附上O ₂ -等离子体处理的PDMS微通道到玻璃晶片;因为PDMS是亲水性的，它会容易地附连到玻璃晶片没有任何粘附溶液。固定对准器（ 图3a）的基片台上的金板。
4. 找到个的中心ÈSMF电缆孔和金块，它们在同一轴线上对准，使用相机上的对准器。解除手动台将两个部分（ 图3b和c）结合起来。

4.改进由PDMS涂层Microchip的侧的表面粗糙度的

注:金板的400×150微米²固定尺寸是比较困难比PDMS材料切出。因此，为了分离从晶片的PDMS微通道，一个刀片用于切割出比金更大的板片。两个部分合并后，将PDMS相对于金板的过量的部分必须被切割，使得该通道的内部可从侧用显微镜（ 图4a）被观察到。然而，切断面，其被用作窗户，具有高的表面粗糙度，并因此产生在信道流动的颗粒混浊图像（ 图图4b）。再次进行涂层与PDMS解决方案来解决这个问题。

1. 通过在10混合PDMS基料和固化剂制备PDMS溶液:1的比例，并搅拌2分钟。
2. 倾将2mL PDMS溶液在培养皿中，并在1000rpm下（ 图4c）进行旋涂30秒。
3. 地方将要被定位在培养皿上（ 图4d）的显微镜微芯片表面。放置在烘箱中1个小时培养皿在80℃下以固化PDMS溶液。
4. 切微芯片和使用刀片PDMS的边界，并随后从培养皿分离它（ 图4e中，f）。

5.激光耦合到插入SMF电缆到Microchip

注:对于等离子体激元镊子系统中，使用的光纤入射的激光具有1064纳米波长。的SMF电缆使用，因为INCI的直径凹痕激光（5毫米）的过巨大在研磨在微芯片内的金块（400×150微米^2）纳米孔以发射激光束。的SMF电缆的包层直径为125μm。因此，入射的激光和SMF电缆必须连接。

1. 连接安装在SMF耦合器40X物镜的显微镜物镜。固定在SMF耦合器的光纤夹具的SMF电缆。对准入射激光束，以填补在物镜的后孔。
2. 通过调节装配在SMF耦合器三轴手动载物台聚焦激光束到SMF电缆的芯。
3. 插入SMF电缆的另一端插入微芯片的SMF电缆孔。测量之前，在纤维光缆的边缘插入的激光功率，因为​​在微芯片固定光缆不能被拆卸。
4. 使用环氧树脂胶以阻挡流动的颗粒溶液从SMF驾驶室之间的间隙的泄漏密封SMF电缆孔勒孔（300μm）和SMF电缆（125微米）的包层;所插入的光纤电缆的端部不能进入所述微通道，以避免流体流动。手动使用视觉反馈，使得其垂直于金块承载纳米孔对齐纤维电缆。

6.单的电浆俘获的荧光聚苯乙烯粒子在微芯片

1. 连接注射器，其填充有颗粒溶液，于注射器微型泵。放置玻璃盖片上的荧光显微镜的样品台上。连接管，以微芯片的入口/出口孔。放置涂覆的PDMS微芯片表面上的盖玻璃的顶部。
2. 通过观察与安装在荧光显微镜相机通道的内部微芯片正交于60X水浸物镜透镜位置。用透明胶带固定微到位。微芯片的入口管连接与注射器NEedle。
3. 通过控制为20μm/ s的微型泵插入颗粒溶液到微芯片。此时，确认该荧光体粒子可很好的沟道当荧光灯接通时观察到。
4. 等待，直到颗粒溶液从微芯片的出口离开。将速度设置为3.4微米/秒。
5. 转动激光光源装置，使得其发射激光到所述纳米孔;所述荧光颗粒将在纳米孔的边缘被捕获。
6. 通过控制微型泵，直到截留颗粒逃逸斜坡在0.4微米/秒的增量流体速度。测量流体的速度时被俘获颗粒逃逸。获得使用该测流体速度各激光强度最大的捕获力。

结果

将PDMS微通道和纳米孔金板的制造方法示于图1和2。的方法，所述两个部件结合和实际微芯片在图3中所示。所述PDMS切成从微芯片的侧面露出的通道的内部。然而，这是难以观察到，因为在切割平面的表面粗糙度在通道中流动的粒子。因此，我们介绍了PDMS涂覆方法来解决这个问题，如图4中所示 。

讨论

的SMF电缆被插入在微芯片上的SMF电缆孔， 如图6a的矩形点阵。因为SMF电缆孔比电缆外径大，环氧树脂胶用于密封所述间隙以阻挡流动的颗粒溶液的泄漏。环氧树脂胶的应用程序之前，金块和电缆边缘应该同轴地用手使用显微镜对准。虽然它是理想的插入的电缆边缘和纳米孔被同轴地对准，有轻微的不对准是可以容忍的，因为一旦它从0.14 NA SMF电缆边缘的端部发射的激光束发散，光束影...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Negative photoresist	MicroChem	SU-8 2075
Developer	MicroChem	SU-8 Developer
Positive photoresist	Merck Ltd.	AZ GXR-601
AZ Photoresist Developers	Merck Ltd.	AZ 300 MIF
HMDS	Merck Ltd.	AZ Adhesion Promoter
Aligner	Midas System	MDA 400M
Atmospheric plasma machine	Atmospheric Process Plasma Co.	IDP-1000
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184 A/B
Gold coated test slides	EMF Co.	TA124(Ti/Au)
Au etchant	Transene Inc.	TFA
Ti etchant	Transene Inc.	TFT
40X objective lens	Edmund Optics	40X DIN
60X water immersion objective lens	Olympus	LUMPLFLN 60XW
Optical fiber incident laser	IPG Photonic	YLR 10
SMF coupler	Thorlabs	MBT612D/M
Syringe micropump	Harvard	PC2 70-4501
Fluorescent microscope	Olympus	IX-51
Plasma system	Femto Science Inc	CUTE-MPR