Plasmónica la captura y liberación de nanopartículas en un entorno de monitorización

Resumen

Un proceso de fabricación de microchip que incorpora pinzas plasmónica se presenta aquí. El microchip permite la obtención de imágenes de una partícula atrapada para medir fuerzas de captura máximas.

Resumen

pinzas plasmónica utilizan polaritonas de plasmones superficiales para confinar los objetos a escala nanométrica polarizables. Entre los diversos diseños de pinzas plasmónica, sólo unos pocos pueden observar partículas inmovilizadas. Por otra parte, un número limitado de estudios han medido experimentalmente las fuerzas que puede ejercer sobre las partículas. Los diseños pueden ser clasificados como el tipo nanodisk que sobresale o el tipo nanohole suprimida. Para estos últimos, la observación microscópica es extremadamente difícil. En este trabajo, se introduce un nuevo sistema de pinzas plasmónica para controlar las partículas, tanto en direcciones paralelas y ortogonales al eje simétrico de una estructura nanohole plasmónica. Esta característica nos permite observar el movimiento de cada partícula cerca del borde de la nanohole. Por otra parte, se puede estimar cuantitativamente las fuerzas máximas de captura utilizando un nuevo canal fluídico.

Introducción

La capacidad de manipular objetos microescala es una característica indispensable para muchos experimentos micro / nano. manipulaciones de contacto directo pueden dañar los objetos manipulados. La liberación de los objetos anteriormente en manos también es un reto debido a problemas de adherencia estática. Para superar estos ^{problemas,, 8} se han propuesto varios métodos indirectos utilizando fluídico ^{1, 2} eléctrico, magnético ^3, o fuerzas fotónicos ^{4, 5, 6, 7.} Pinzas plasmónica que utilizan fuerzas fotónicos se basan en la física de las extraordinarias de mejora de campo de varios órdenes más grandes que la intensidad incidente ^9. Esta extremadamente fuerte aumento del campo permite la captura de nanopartículas extremadamente pequeñas. Por ejemplo, se ha demostrado para inmovilizar y manipular a escala nanométricaobjetos, tales como partículas de poliestireno ^{7, 10, 11, 12, 13, 14, 15} cadenas de polímero, proteínas ^16, puntos cuánticos ^17, y moléculas de ADN ^{8, 18.} Sin pinzas plasmónica, es difícil de nanopartículas de trampa, ya que desaparecen rápidamente antes de que se examinan de manera efectiva o porque están dañados debido a la alta intensidad del láser.

Muchos estudios plasmónicas han utilizado diversas estructuras a nanoescala de oro. Podemos clasificar las estructuras de oro como sobresale tipos nanodisk ^{12, 13, 14, 15, 19 , 20, 21 o suprimidas tipos nanohole 7, 8, 10, 11, 22, 23. En términos de conveniencia de formación de imágenes, los tipos nanodisk son más adecuados que los tipos nanohole porque, para este último, los sustratos de oro pueden obstruir la vista de observación. Por otra parte, el atrapamiento plasmónica se produce cerca de la estructura plasmónica y hace la observación aún más difícil. A lo mejor de nuestro conocimiento, atrapamiento en plasmónica tipos nanohole solamente se verifica por medio de señales de dispersión indirectos. Sin embargo, no se han reportado observaciones directas exitosas, como las imágenes microscópicas. Pocos estudios han descrito la posición de las partículas atrapadas. Un tal resultado fue presentado por Wang et al. Ellos crearon un pilar de oro sobre un sustrato de oro y observaron la partículo de movimiento utilizando un microscopio de fluorescencia 24. Sin embargo, esto sólo es efectivo para el control de movimientos laterales no en la dirección paralela al eje del haz.}

En este trabajo, se introduce nuevos procedimientos de diseño y fabricación de microchips de fluidos. El uso de este chip, demostramos el seguimiento de partículas plasmonically atrapados, tanto en direcciones paralelas y ortogonales a la nanoestructura plasmónica. Por otra parte, se mide la fuerza máxima de la partícula inmovilizada mediante el aumento de la velocidad del fluido a encontrar la velocidad de inflexión en el microchip. Este estudio es único porque la mayoría de los estudios sobre las pinzas plasmónica no pueden demostrar cuantitativamente las fuerzas máximas de captura utilizados en sus montajes experimentales.

Protocolo

Precaución: Por favor refiérase a las normas de seguridad de material pertinentes antes de su uso. Varios de los productos químicos utilizados en la fabricación de microchips son agudamente tóxico y carcinogénico. Por favor, use todas las prácticas apropiadas de seguridad al realizar los procesos de fotolitografía y el grabado, incluyendo el uso de controles de ingeniería (campana de humos, placa caliente, y alineador) y equipo de protección personal (gafas de seguridad, guantes, ropa de laboratorio, pantalones largos, y cerrada zapatos -toe).

1. La fabricación de microcanal PDMS

1. La fabricación del molde de microcanales por el proceso de fotolito
   1. Eliminar completamente sustancias extrañas en la superficie de la oblea de Si de 4 pulgadas con la limpieza Piranha (Figura 1a). Mezclar ácido sulfúrico (H ₂ SO ₄₎ y peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂₎ en una proporción de 3: 1 para hacer la solución Piranha en el plato. Mezclar mediante la adición gradual de pequeñas cantidades de ácido fuerte (H ₂ O _{2) para el ácido débil (H 2 SO 4); revertir esta orden puede causar una explosión debido a la ácido fuerte altamente reactivo.}
   2. Sumergir la pastilla en la solución Piraña por 10 min. Posteriormente, sumergir la oblea en agua desionizada (DI) durante 3 min para eliminar la solución Piranha restante. Enjuague la oblea con un chorro de agua DI durante 10 s. Repetir el procedimiento de lavado 3 veces y seco con N ₂ gas para eliminar el DI restante.
   3. Coloque la oblea en una placa caliente durante 20 min a 180 ° C para deshidratar aún más la oblea.
   4. Verter 5 ml de la sustancia fotorresistente negativa en la parte superior de la capa de la oblea y centrifugado durante 45 s a 1500 rpm (Figura 1b); después de revestimiento por rotación, una perla fotorresistente se crea en el borde de la oblea debido a la viscosidad relativamente alta de la resina fotosensible.
   5. Equilibrar la oblea fotorresistente recubierto por planarización en un soporte de nivelación durante 5 h.
   6. Coloque la oblea fotorresistente recubierto sobre una placa caliente durante 12 min a 65° C, 35 min a 95 ° C, y 12 min a 65 ° C (para hornear suave).
   7. Fijar la máscara de película en el soporte de la máscara y la oblea suave cocido al horno en la etapa de sustrato del alineador. Exponer a la luz ultravioleta (UV) durante 43 s a 650 mJ / cm ² para solidificar la resina fotosensible.
   8. Coloque la oblea en la placa caliente durante 5 minutos a 65 ° C, 15 min a 95 ° C, y 5 min a 65 ° C (bicarbonato de post-exposición).
   9. Sumergir la oblea en el revelador fotorresistente durante 30 min para eliminar fotorresistente no solidificada.
   10. Enjuague la oblea con alcohol isopropílico (IPA) y se seca con N ₂ gas para eliminar el IPA restante.
2. Fabricación del microcanal PDMS
   1. Tratar la superficie de la oblea y el molde fotorresistente durante 1 min a una potencia de 200 W usando una máquina de plasma atmosférico ^25; los flujos de gas de CH ₄ y debe ser 6 y 30 sccm, respectivamente. Realizar este tratamiento hidrófobo para desprenderse con facilidad la polydimethylsiloxane (PDMS) microcanal de la superficie de la oblea y el molde fotorresistente (Figura 1c).
   2. Preparar la solución de PDMS mezclando la base de PDMS y agente de curado en una relación de 10: 1. Agitar la mezcla durante 2 min.
   3. Coloque la oblea dentro de una placa de Petri (150 mm x 15 mm) y añadir 100 ml de la solución de PDMS. Eliminar las burbujas que se crearon a partir de agitación usando un desecador.
   4. Coloque la placa de Petri en el horno durante 2 horas a 80 ° C para solidificar la solución de PDMS (Figura 1d y h).
   5. Corte a lo largo de los contornos del microcanal PDMS con una hoja de afeitar y separarla de la oblea; los microcanal PDMS fabricadas deben tener las siguientes dimensiones: 13 mm de largo, 300 m de ancho, y 150 micras alta (Figuras 1e, f, y i).
      NOTA: Dos tipos de agujeros se producen mediante un micropunción para insertar la fibra monomodo (SMF) de cable y los tubos (entrada unand salida) en el PDMS microcanal (Figura 1g). El cable SMF se utiliza para emitir el haz de láser a la nanohole molido en la placa de oro. El tubo se utiliza para insertar / extraer la solución de partículas a / desde el microcanal PDMS.
   6. Perforar 1,5-mm de entrada y agujeros de salida en cada extremo del microcanal PDMS. Perforar un agujero de cable SMF 0,3-mm en el centro del microcanal PDMS.

2. Proceso de grabado de la placa de oro

1. Preparar una placa de oro disponible en el mercado con las dimensiones de 25 x 6,25 mm ² (figura 2a).
2. Retire cualquier sustancia extraña en la placa de oro con los siguientes procedimientos de limpieza. Clean en el siguiente orden por inmersión en acetona, metanol, y agua DI durante 5 min cada uno.
3. Enjuague la placa de oro 3 veces con agua DI durante 10 s y se seca la placa con N ₂ gas para eliminar el agua DI restante.
4. Coloque la placa de oro en un plato caliente para20 min a 180 ° C para eliminar completamente la humedad restante.
5. Verter 0,5 ml de hexametildisilazano (HMDS) en la placa de oro y de revestimiento por centrifugación durante 40 s a 3000 rpm.
6. Verter 0,5 ml de fotoprotector positivo en la parte superior de los HMDS mediante revestimiento por centrifugación y de revestimiento por centrifugación durante 40 s a 3000 rpm (Figura 2b).
7. Coloque la placa de oro fotorresistente recubierto sobre la placa caliente durante 90 s a 110 ° C (hornear suave).
8. Fijar la máscara de película sobre la oblea de vidrio y colocar la placa de oro-suave cocido al horno en la etapa de sustrato. Exponer a la luz UV durante 4,5 s a 64 mJ / cm ² para disolver la resina fotosensible.
9. Sumergir la placa de oro en el revelador fotorresistente para 1 min para eliminar el fotoprotector disuelto (Figura 2c). Enjuague la placa de oro con agua DI y seco con N ₂ gas.
10. Sumergir la placa de oro en el Au reactivo de ataque durante 45 s a una velocidad de grabado de 28 Å / s para retirar el Au expuesta (Figura 2d). Enjuague la placa de oro con wate DIr y seco con N ₂ gas.
11. Sumergir la placa de oro en el reactivo de ataque Ti durante 5 s a una velocidad de grabado de 25 Å / s para retirar el Ti expuesto (Figura 2e). Enjuague la placa de oro con agua DI y seco con N ₂ gas.
12. Eliminar la fotorresistencia restante en la placa de oro por inmersión en acetona, metanol, y agua DI durante 3 min cada uno (figura 2f); sumergir la placa en el orden escrito.
13. Enjuague la placa de oro 3 veces con agua DI durante 10 s. En seco con N ₂ gas para eliminar el agua DI.
14. Coloque la placa de oro sobre la placa caliente durante 3 minutos a 120 ° C para eliminar completamente la humedad; el bloque de oro producido debe ser 400 x 150 m ² (Figura 2h).
15. Molino un nanohole 400-nm utilizando un haz de iones focalizado (FIB) en el centro del bloque de oro que fue fabricado después del grabado (figuras 2g y i). Crear un patrón de círculo de 370 nm a centrarse en el bl oroock con un ion de un voltaje de aceleración de 30 kV a 28 pA durante 3 s.

3. Montaje del microchip

1. Tratar las dos superficies de la microcanal PDMS y placa de oro durante 1 min con plasma de _O2 para la fijación junto con un sistema de plasma a una potencia de 80 W y una presión de 825 mTorr ^25.
   NOTA: Es notablemente difícil colocar con precisión debido a que el bloque de oro y microcanal PDMS están en el nivel micrométrico. Por lo tanto, usar un alineador con una cámara y una etapa manual.
2. Fijar la oblea de vidrio que se utiliza para fijar la máscara de película al soporte de la máscara del alineador (Figura 3a).
3. Una los O ₂ -plasma tratados con PDMS microcanal a la oblea de vidrio; debido a que el PDMS es hidrofílico, se va a adjuntar fácilmente a la oblea de vidrio sin ningún tipo de solución de adherencia. Fijar la placa de oro en la etapa de sustrato del alineador (Figura 3a).
4. Localizar los centros de jue SMF orificio del cable y oro bloque, que están alineados en el mismo eje, utilizando la cámara en el alineador. Levantar la etapa manual de combinar las dos partes (figuras 3B y C).

4. Mejora de la rugosidad de la superficie lateral del microchip por PDMS Revestimiento

NOTA: La placa de oro con dimensiones fijas de 400 x 150 m ² es relativamente más difícil de cortar que el material de PDMS. Por lo tanto, para separar el microcanal PDMS de la oblea, una hoja de afeitar se utiliza para cortar un pedazo más grande que la placa de oro. Después de combinar las dos partes, las partes sobrantes del PDMS respecto a la placa de oro a continuación, deben ser cortados de manera que el interior del canal se puede observar desde el lado usando un microscopio (Figura 4a). Sin embargo, la superficie de corte, que se utiliza como una ventana, tiene una alta rugosidad de la superficie y por consiguiente produce imágenes nublados de las partículas que fluyen en el canal (figura4b). Recubrimiento con la solución de PDMS se realiza de nuevo para resolver este problema.

1. Preparar la solución de PDMS mezclando la base de PDMS y agente de curado en una relación de 10: 1 y se agita durante 2 min.
2. Verter 2 ml de la solución de PDMS en la placa de Petri y realizar el recubrimiento por centrifugación durante 30 s a 1000 rpm (Figura 4c).
3. Coloque la superficie microchip que se va a estar ubicado en el microscopio en la placa de Petri (Figura 4d). Coloque la placa de Petri en el horno durante 1 h a 80 ° C para solidificar la solución de PDMS.
4. Cortar la frontera del microchip y PDMS utilizando una hoja de afeitar y posteriormente separarla de la placa de Petri (Figuras 4e, f).

5. Acoplamiento láser para insertar el cable SMF al microchip

NOTA: Para el sistema de pinzas plasmónica, se utiliza un láser incidente de fibra óptica con una longitud de onda 1064 nm. El cable SMF se utiliza debido a que el diámetro de la INCIláser Dent (5 mm) es demasiado inmenso para emitir el haz de láser en el nanohole molido en el bloque de oro (400 x 150 m ²⁾ en el microchip. El diámetro del revestimiento del cable SMF es de 125 m. De este modo, el láser incidente y el cable SMF deben estar acoplados.

1. Conectar una lente objetivo de 40X para el objetivo del microscopio montaje en el acoplador SMF. Fijar el cable SMF en la abrazadera de la fibra del acoplador SMF. Alinear el haz láser incidente para llenar en la abertura posterior de la lente del objetivo.
2. Enfocar el haz de láser para el núcleo del cable SMF mediante el ajuste de la etapa manual de tres eje equipado en el acoplador SMF.
3. Inserte el extremo opuesto del cable de SMF en el orificio del cable SMF del microchip. Medir la potencia del láser antes de la inserción en el borde del cable de fibra, debido a que el cable de fibra fija en el microchip no se puede separar.
4. Sellar el orificio del cable SMF utilizando pegamento epoxi para bloquear la fuga de la solución de partículas que fluye desde el hueco entre la cabina SMFagujero le (300 m) y el revestimiento del cable SMF (125 m); el extremo del cable de fibra insertado no debe entrar en el microcanal para evitar el flujo de fluido. alinear manualmente el cable de fibra mediante realimentación visual de modo que es perpendicular al bloque de oro que aloja el nanohole.

6. Partícula plasmónica Trapping de Individual fluorescente de poliestireno en el Microchip

1. Coloque la jeringa, que se llena con la solución de las partículas, a una microbomba jeringa. Coloque la cubierta de vidrio en la etapa de la muestra del microscopio fluorescente. Conectar los tubos a los orificios de entrada / salida del microchip. Coloque la superficie microchip PDMS-revestidos en la parte superior de la cubierta de vidrio.
2. Coloque el microchip ortogonal a la inmersión en agua lente objetivo 60X observando el interior del canal con la cámara instalada en el microscopio de fluorescencia. Use cinta adhesiva transparente para fijar el microchip en su lugar. Conectar el tubo de entrada del microchip con el ne jeringaedle.
3. Insertar la solución de partículas para el microchip mediante el control de la microbomba a 20 m / s. En este momento, confirme que la partícula fluorescente se puede observar bien en el canal cuando la lámpara fluorescente está encendido.
4. Esperar hasta que la solución de partículas sale de la salida del microchip. Ajuste la velocidad de 3,4 m / s.
5. Gire el dispositivo de fuente de rayos láser para que emita el láser en el nanohole; la partícula fluorescente será atrapado en el borde de la nanohole.
6. Rampa la velocidad del fluido en incrementos de 0,4 m / s mediante el control de la microbomba hasta que los escapes de partículas atrapadas. Medir la velocidad de fluido cuando las partículas atrapadas escapen. Obtener la fuerza de atrapamiento máxima para cada intensidad de láser utilizando esta velocidad de fluido medido.

Resultados

El proceso de fabricación del microcanal y oro nanohole placa de PDMS se muestra en las Figuras 1 y 2. El método para combinar las dos partes y el microchip real se muestra en la Figura 3. El PDMS se cortó para revelar el interior del canal desde el lado del microchip. Sin embargo, era difícil observar las partículas que fluyen en el canal debido a la rugosidad de la superficie del plano de corte. Por lo tanto, presentamos el métod...

Discusión

El cable SMF se insertó en el orificio del cable SMF en el microchip, como se muestra en el punto rectangular de la figura 6a. Debido a que el orificio del cable SMF es más grande que el diámetro del cable, pegamento epoxi se utiliza para sellar la brecha para bloquear la fuga de la solución de partículas que fluye. Antes de la aplicación de cola epoxi, el bloque de oro y el borde cable deben ser alineados coaxialmente a mano usando un microscopio. Aunque es ideal para el borde cable insertado y l...

Materiales

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