Captura de partículas Micro en enrejado óptico Nanoplasmonic

Resumen

Se describe un procedimiento para atrapar ópticamente micro-partículas en enrejado óptico nanoplasmonic.

Resumen

La plasmónica pinzas ópticas ha sido desarrollado para superar los límites de la difracción de las pinzas ópticas convencionales de campo lejano. Plasmónica enrejado óptico consiste en una matriz de nanoestructuras, que exhiben una variedad de captura y transporte de comportamientos. Nos informe los procedimientos experimentales para atrapar micro-partículas en un enrejado óptico simple nanoplasmonic cuadrados. También describimos la configuración óptica y la nanofabricación de una matriz de nanoplasmonic. El potencial óptico se crea mediante la iluminación de una matriz de nanodiscs de oro con un haz gaussiano de longitud de onda de 980 nm y emocionante resonancia de plasmón. El movimiento de las partículas es supervisado por la proyección de imagen de la fluorescencia. También se describe un plan para suprimir la convección fototérmica para aumentar la potencia óptica utilizable para la captura óptima. Supresión de la convección se logra enfriamiento de la muestra a baja temperatura y utilizando el coeficiente de expansión térmica cercano a cero de un medio de agua. Transporte de partículas individuales y múltiples trampas de partículas se divulgan aquí.

Introducción

La captura óptica de partículas a escala micro fue desarrollada originalmente por Arthur Askin en la década de 1970. Desde su invención, la técnica se ha desarrollado como una herramienta versátil para el micro y nanomanipulación^1,2. Convencionales óptico captura basándose en el campo lejano enfoque principio intrínsecamente limitada por la difracción en su confinamiento espacial, en donde la fuerza de captura disminuye dramáticamente (siguiente un ~unaley³ para una partícula de radio un) ³. para superar esos límites de difracción, los investigadores han desarrollado técnicas de captura óptica de campo cercano del campo evanescente óptico utilizando nanoestructuras plasmónica de metálico y, además, la captura de nanoescala objetos a las moléculas de proteína solo ha sido demostrada^{4,5,6,7,8,9,10,11}. Por otra parte, la red óptica plasmónica nace de matrices de nanoestructuras plasmónica periódica para transporte de largo alcance de micro - y nanopartículas y múltiples partículas apilamiento^11,12. Un obstáculo importante para interrumpir la captura en un enrejado óptico es convección fototérmica y se han hecho esfuerzos para aclarar sus efectos por varios grupos^14,15,16,17. Usando la función de Green, Baffou et al. calcular un perfil de temperatura modelando cada nanoestructuras plasmónica como un calentador de punto y luego validado experimentalmente su modelo¹⁴. Grupo de Toussant también ha medido la convección inducida por plasmones con partícula velocimetry¹⁵. Grupo del autor ha caracterizado transporte cerca campo y convencionales y demuestra una estrategia de ingeniería para suprimir la convección de fototérmica^16,17.

Aquí presentamos el diseño de una configuración óptica y un procedimiento detallado específicamente para experimentos de captura con red óptica plasmónica. El potencial óptico fue creado mediante la iluminación de una matriz de nanodiscs de oro con un haz gaussiano enfocado libremente. Un plan para suprimir la convección fototérmica de enfriar la muestra a una temperatura baja (~ 4 ° C) para la captura óptima es también describir aquí¹⁷. En aproximación de Boussinesq, da una estimación de orden de la magnitud de la velocidad de convección natural u por u ~L² gβΔT / v, donde L es la escala de longitud de la fuente de calor y Δ T es el aumento de la temperatura en relación con la referencia debido a la calefacción.  g y β son la aceleración de la gravedad y el coeficiente de expansión térmica, respectivamente. En las temperaturas cerca de 4 ° C, la densidad del medio agua exhibe dependencia anómala de la temperatura y esto se traduce en un coeficiente de expansión térmica cercano a cero y, por tanto, una convección fototérmica vanishingly pequeñas.

Protocolo

1. configuración óptica

Nota: el principio de la óptica configuración se ilustra en la figura 1.

Kit de pinzas de

1. conjunto a la óptica (véase la Tabla de materiales) y el módulo de fluorescencia (véase Tabla de materiales) según sus manuales. Fuente 470 nm azul luz emite luz de diodo (LED) se conectan al módulo fluorescente.
2. Reemplazar la alta apertura numérica (NA) (NA = 1.25, aumento 100 x) objetivo de microscopio (WD) de la distancia del objetivo de inmersión de aceite por un trabajo largo (longitud focal 3.6mm, WD = 10,6 mm, NA = 0.5).
3. Quitar la lente en la sección de expansión de la viga del kit montado para conseguir sueltos enfocar el rayo láser.
4. Vuelta en la alimentación y la corriente para el laser de diodo de longitud de onda 980 nm y uso la cargada junto cámara de dispositivo (CCD) para asegurarse de que el rayo láser esté correctamente alineado.
   Nota: Si el rayo láser está bien alineado, la cámara mostrará un punto gaussiano.

2. Nanofabricación

1. marcador fabricación.
   Nota: Los marcadores ayudarán a colocar la matriz de nanoplasmonic durante el proceso de la fabricación y posterior captura experimento. El proceso detallado se ilustra en la figura 1 complementaria.
   1. Película de óxido de estaño (ITO) de indio depósito 40 nm en un cubreobjetos de espesor 0,17 mm con farfulla.
      Nota: La película de ITO ayuda descarga electrones durante el proceso de litografía subsecuente la viga e.
   2. Vuelta capa una capa de 8 μm de photoresist positivo con giro velocidad 4000 rpm y tiempo 30 s con un recubridor spin.
   3. Suave cuece al horno la muestra a 90 ° C por 5 min y alinee la muestra con el photomask para marcador y exponer la muestra a la luz de 80 UV s en el alineador máscara.
   4. Tomar la muestra en el revelador del photoresist para 130 s.
   5. Depositar una capa de 2 nm de cromo y una capa de nm 40 de oro en la muestra usando la evaporación térmica. ¹⁸
   6. tomar la muestra en acetona y colóquelo en un limpiador ultrasónico de funcionamiento 43 kHz y 150 W durante 5 min para lift off
2. Fabricación de matriz Nanoplasmonic
   1. capa de vuelta una capa de la viga e resistir PMMA 120K con velocidad 5000 rpm durante 30 s en un recubridor spin. Cueza al horno la muestra a 160 ° C por 3 min sobre una placa caliente.
   2. Vuelta capa otra capa de resistir e-beam PMMA 960K con velocidad 5000 rpm durante 30 s en un recubridor spin. Cueza al horno la muestra a 160 ° C por 3 min sobre una placa caliente.
   3. Escritor de uso e-beam para exponer la viga e resistir con aceleración tensión de 30 kV y dosis 400 C/cm ².
   4. Depositar una capa de nm 40 de oro en un evaporador térmico.
   5. Tomar la muestra en acetona y colóquelo en un limpiador ultrasónico durante 5 minutos para lift off

3. Sistema de enfriamiento y su calibración de la temperatura de la muestra

Nota: la muestra diseño de la etapa de enfriamiento se muestra en la figura 2 complementaria.

1. Haciendo el circuito driver para muestra enfriamiento
   1. resistencias, transistores de ensambladura bipolar los transistores de efecto de campo poder óxido de metal en el circuito personalizado siguiendo el diagrama del circuito en suplementario Figura 3 . Todos estos componentes con soldador de la soldadura.
   2. Los cables de conexión entre el puerto de control del tablero del circuito y el tablero de control electrónico. Conecte los cables entre el puerto de salida de los circuitos y refrigeración termoeléctrica del elemento (TEC). Coloque el elemento de la TEC en el escenario de la muestra con el hundimiento del calor.
      ​ Nota: el TEC tiene un agujero en el centro para permitir que el rayo láser al pasar por.
   3. Conecte los cables de la placa de circuito a 5 V fuente de alimentación. Utilizar la cámara infrarroja de la visión de futuro para controlar la temperatura para comprobar si la refrigeración termoeléctrica es correctamente enfriando.
2. Calibración de la temperatura medida en el futuro cámara y resistencia temperatura detector (RTD) termómetro infrarrojo.
   1. Coloque el termómetro RTD en un cubreobjetos en blanco y aplique una pequeña cantidad de pasta térmica sobre la misma para asegurar el buen contacto térmico entre el RTD termómetro y cubreobjetos de.
   2. Cambiar el ajuste de potencia de salida del circuito de control electrónico del elemento TEC cambiando el ciclo de trabajo de programación de modulación de anchura de pulso y esperar 3 minutos para asegurarse de que se alcance la temperatura de estado estacionario. Leer la temperatura con el termómetro RTD.
   3. Vuelta en la cámara infrarroja mirando hacia adelante y el monitor de la temperatura. Repetir este proceso en varios ajustes de potencia de salida para obtener la curva de calibración de temperatura. En suplementario figura 4 se muestra una curva de calibración de temperatura representante.
      Nota: Es fundamental hacer calibración entre termómetro RTD y la cámara infrarroja mira hacia delante porque la lectura de la temperatura de la cámara infrarroja de la visión de futuro debe ser exacta para asegurar la temperatura correcta.

4. Captura de micropartículas

1. diluir micro partículas de poliestireno de 2 de diámetro μm en agua desionizada en un microcentrifugetube con proporción de volumen apropiado.
   Nota: La concentración de micropartículas se puede ajustar según el objetivo del experimento. Mientras que menor concentración permite un intervalo de tiempo de la muestra entre los eventos de captura de partículas individuales, mayor concentración acortará el tiempo para la captura de partículas múltiples. Para la captura de una partícula, una concentración típica es ~0.05% (w/v).
2. Coloca la muestra con la matriz de nanoplasmonic en el escenario y girar en un 470 nm LED como la fuente de luz de fluorescencia y ajustar manualmente la potencia de 5 mW para la proyección de imagen de campo brillante.
3. Utilice el marcador para ubicar la matriz nanoplasmonic, alinee la muestra y la cámara para asegurarse de que la matriz está en el centro de la región de interés en la pantalla del ordenador.
4. Dispensar 10 μl de las diluida micro partículas de diámetro de 2 μm en la muestra con una micro pipeta.
5. Encender la corriente para el diodo de láser de longitud de onda 980 nm para excitar la resonancia plasmónica de la matriz con una potencia en el rango de ~ 1 mW a 10 mW.
6. Activar manualmente la fuente de alimentación para el tablero de control electrónico para enfriar la muestra a un estado estacionario de temperatura ~ 4 ° C.
7. En el software de visualización, haga clic en el " grabar video " secuencia para abrir el cuadro de diálogo de grabación. Haga clic en el " registro " botón para iniciar el grabación 1.5 del movimiento de las partículas micro a una velocidad de 10 fotogramas/s sobre la muestra bajo la influencia de rayo láser mediante la cámara CCD de vídeo. Haga clic en el " dejar de " el botón para detener la grabación. Ver Video 1.

Resultados

Trayectorias de partículas individuales fueron grabadas por una cámara CCD en nuestro experimento y entonces, las imágenes fueron procesadas con un programa personalizado para extraer de la trayectoria de cada partícula¹⁶. Resultados representativos se muestran en la figura 3 y 1 Video para micro esferas con un diámetro de 2 μm. se observaron múltiples trampas de partículas dentro de la red óptica. Sucesivas i...

Discusión

El procedimiento aquí descrito permite al lector a reproducir confiablemente captura sobre una base diaria. Una pauta empírica general para el diseño de un enrejado óptico utilizable es utilizar un tamaño comparable para nanoarray plasmónica, distancia interdisc y atrapado de tamaño de partícula. Comparado con un nanoestructuras plasmónica solo, aislado, el diseño de enrejado óptico junto con la alta energía óptica proporcionada por el enfriamiento de la muestra a ~ 4 ° C utilizado aquí grandemente aumenta...

Materiales

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