Reconocemos Thorlabs por patrocinar esta publicación y la financiación de la Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación (NSERC), de Canadá Discovery Grant. Damos las gracias a Bryce Cyr y Rennehan Douglas para la asistencia de producción en la elaboración de este artículo de vídeo.

El principio de la técnica de captura SIBA se ilustra en la Figura 1. Figura 2 es un esquema de la configuración experimental. 1. Configuración de captura óptica Para esta parte del procedimiento, consulte el kit de captura óptica manual 9 o la fuerza de medición óptica módulo manual 10 para obtener detalles sobre la configuración de los equipos. Tenga en cuenta que un fotodiodo de avalancha (APD) se utiliza en lugar de un detector de posición cuadrante. Para tornillos no incluidos en el kit de captura óptica, utilice aquellas en el tornillo de la tapa y el kit de hardware (Thorlabs, HW-KIT2). Protección de los ojos se deben usar en todo momento cuando el láser está encendido. Asegúrese de que la viga está contenida dentro de una zona segura y accesorios reflectantes, tales como joyería, debe ser evitado. Además, la protección de descarga electrostática es aconsejable cuando el manejo de diodos láser. <ol><li> Instale el kit de pinzas ópticas (Thorlabs, OTKB / M) y la fuerza measdición módulo (Thorlabs, OTKBFM) según sus respectivos manuales. Un fotodiodo de avalancha a base de silicio (APD) (Thorlabs, APD110A) se utiliza en lugar de la fuerza de módulo de medición (Thorlabs, OTKBFM) detector de cuadrante posición. </li><li> Conectar la APD a un osciloscopio (Tektronics, TDS1012) a través de un cable coaxial. </li><li> Añadir una placa de media onda (Thorlabs, AHWP05M-980) en el interior del expansor de haz. La placa de media onda está fijada entre dos tubos de lente (Thorlabs, SM1L03). </li></ol> 2. Nanofabricación <ol><li> Corte un portaobjetos recubierto de oro (EMF Corp, Cr / Au) en cuatro trozos iguales. Como una alternativa a los portaobjetos comercialmente disponibles, también hemos utilizado una película de 100 nm de espesor de Au con una capa de adhesión 2 nm Ti depositados por deposición de haz de electrones sobre un portaobjetos de vidrio de 1 pulgada cuadrada a una temperatura elevada sustrato de 200 ° C durante menos al menos 1 hora. Esto produce una película policristalina suave. </li><li> Crear una imagen de mapa de bits de la estructura de doble nanohole como entradael ion haz enfocado (FIB) es un sistema de mapa de bits. La imagen se compone de dos círculos sólidos, 160 nm de diámetro con una distancia de centro a centro de 190 nm. Esta plantilla crea una separación punta de aproximadamente 15 nm. Entre los círculos, una delgada línea opcional se puede colocar para eliminar cualquier residuo de metal entre las puntas. Figura 3a muestra una imagen de mapa de bits ejemplo. </li><li> Fabrique la estructura de doble nanohole utilizando un FIB (Hitachi, FB-2100) sistema de molienda. Convertir el mapa de bits en el paso 2.2 en una figura de fresado FIB (la zona oscura en el mapa de bits se elaborado, de la FIB). Utilice una tensión de aceleración de iones de 40 kV, un rayo abertura límite de 15 m de diámetro de menos de 60 K veces de aumento. Mill ochenta pasa por cada doble nanohole con un tiempo de dosis de 5 microsegundos en cada pasada. Figura 3b muestra una estructura típica resultante. Repita según sea necesario. Nanoagujeros múltiples deben hacerse para permitir errores. </li><li> Añadir marcas de registro, ya sea utilizando la FIB y / o por hy para indicar la ubicación aproximada de la doble nanohole (s). </li><li> Si lo desea, tomar una imagen de SEM de los agujeros para evaluar con precisión la calidad de la estructura y la separación de la punta. </li></ol> 3. Microfluidic Cámara Un diagrama de flujo del proceso para la fabricación de la cámara de microfluidos se muestra en la Figura 4. <ol><li> Verter 10 g de polidimetilsiloxano (PDMS) base (Dow Corning Canadá, Sylgard 184 base de elastómero de silicona) y un adicional de 1 g de agente de curado (Dow Corning Canadá, Sylgard 184 Elastómero de Silicona agente de curado) en un vaso desechable. Mezclar durante unos minutos. </li><li> Evacuar la mezcla en la cámara de vacío hasta que todas las burbujas se han ido. </li><li> Vierta 1,5 g de PDMS en un 9 cm diámetro del plato de Petri. Centrifugación capa PDMS en la parte inferior de cápsula Petri a 950 rpm durante 65 seg. Figura 4b muestra el resultado. El espesor no es crítica siempre y cuando está bajo 80 micras; la película de oro se encuentra dentro de la parte inferior microscopio objetivdistancia de trabajo de e. </li><li> Suavemente lugar 3-5 # 1.5 cubreobjetos (Fisher Scientific, 12-541-B) en la forma que no se superpongan y evacuar por 30 min, como se muestra en la Figura 4c PDMS. </li><li> Si cubreobjetos movido y apiladas una encima de la otra durante la evacuación, suavemente mover el uno del otro. Se debe tener cuidado de mantener PDMS bajo cubreobjetos finas y uniformes. </li><li> Si la manipulación de cubreobjetos se requiere, evacuar placa de Petri de nuevo durante 30 min. </li><li> Retire placa de Petri de la cámara de vacío y cocinar en la placa caliente durante 20 minutos a 85 ° C. </li><li> Usando una hoja de afeitar, cortar una de la cubierta se desliza suavemente levante la diapositiva con unas pinzas finas puntas. Una fina capa de PDMS se quedará en el cubreobjetos como PDMS es más adhesivo a la hoja de la cubierta de cristal de la placa de Petri como PMMA en la Figura 4e. </li><li> Cortar un 3 x 3 mm en la ventana de PDMS con una cuchilla de afeitar como en la Figura 4F. Esta ventana se forma la cámara donde el nsolución anoparticle se mantendrá. </li></ol> 4. Preparación de la muestra <ol><li> Fabricar un portaobjetos de microscopio con un orificio de diámetro de ¾ &quot;en el centro con acrílico. Esto se puede lograr con un cortador láser. Otros materiales pueden ser utilizados también. La muestra de oro se coloca dentro del agujero. </li><li> Cinta de la circunferencia del agujero con cinta de doble cara. Use una hoja de afeitar para cortar el exceso de cinta. </li><li> Ponga el porta microscopio sobre el cubreobjetos, PDMS boca arriba. </li><li> Diluir la solución de nanoesferas de poliestireno (Thermo Scientific, 3020A) de 1% w / v a 0,05% w / v con agua desionizada. Una micropipeta puede ser utilizado. </li><li> Añadir unas cuantas gotas de la solución en la ventana de PDMS. Agregue una gota sobre la muestra de oro donde los nanoagujeros se encuentran. </li><li> Colocar la muestra de oro en la parte superior de cubreobjetos de modo que los nanoagujeros están dentro de la ventana de PDMS. Hacer burbujas de seguros no están presentes en el interior de la cámara. Presione muestra de oro contra el cubreobjetos y aplique cualquier exceso de solución. </li><li> Si se utiliza un objetivo de inmersión en aceite (como es el caso aquí, pero no es necesario), se añade una gota de aceite de inmersión en el lado opuesto del cubreobjetos, debajo de la ventana de PDMS. Tomar nota de la ubicación de los nanoagujeros. </li><li> Inserte portaobjetos en el soporte de diapositivas, aceite hacia abajo, y luego baje soporte de diapositivas hasta que el aceite de inmersión entra en contacto con el objetivo del microscopio. </li><li> Aproximadamente alinear fase de la diapositiva de manera que las marcas indicadoras están por debajo del objetivo. </li><li> Siga las líneas indicadoras que conducen a los nanoagujeros. Posición tal que las marcas indicadoras y otras áreas abiertas se compensan desde el centro de la pantalla de diapositivas. Transmisión de la luz excesiva puede dañar la APD. </li><li> Encienda el láser. Como el espejo dicroico no es perfecto, un punto cerca del centro de la pantalla del haz de láser debe aparecer. </li><li> Usando el software de control piezo etapa, perfeccionar la alineación en los tres ejes. </li></ol> 5. Adquisición de Datos <ol><li> Con el help de las marcas del indicador, la posición del punto cerca de una ubicación nanohole conocida. Los nanoagujeros será demasiado pequeño para ser resueltos y sólo debe aparecer como manchas. </li><li> La transmisión de la luz a través de la muestra se indica por el nivel de la señal en el osciloscopio. Continuar la armonización de la muestra como para maximizar la transmisión de luz. Tenga cuidado con las marcas indicadoras y arañazos visibles y no visibles como la transmisión de luz serán altos en estas áreas. Nanoagujeros mostrará saltos repentinos en la transmisión de la luz, mientras que los arañazos presentar cambios más graduales. </li><li> Uso de la placa de onda, ajustar la polarización de la luz para la máxima transmisión de la luz como la estructura de doble nanohole está polarizada. </li><li> Para minimizar el ruido, construir un filtro RC con la placa, 200 KOhmios resistencia y condensador de 100 pF y conectarlo después de la APD a través de un cable coaxial. Estos valores pueden ajustarse para un mejor rendimiento, teniendo en cuenta el ancho de banda de adquisición de datos requerido. </li><li> Conecte el osciloscopio y el acervo de datosmódulo ition (Omega, USB-4711A) para el filtro RC con cables coaxiales y el adaptador T. </li><li> Muestra de tensión de la APD mediante el módulo de adquisición de datos durante el tiempo deseado. Tiempo de adquisición están típicamente en los cientos de segundos. En este caso, un paquete de software personalizado se utiliza para la adquisición de datos. La tensión es muestreada a 2.000 veces por segundo. </li><li> Utilizando Matlab, filtrar los datos obtenidos utilizando un filtro de Savitzky-Golay y trazar su relación con el tiempo en un gráfico. </li></ol>

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La producción y el libre acceso a este artículo es patrocinado por Thorlabs.

La configuración actual tiene capacidades eficaces de captura debido a la estructura de la nanohole. Esto atrapa nanohole ~ 10 nm escala partículas dieléctricas a bajas intensidades ópticas. Otras trampas ópticas novedosas ópticas incluyen antenas dipolo 11, susurrando en modo de galería resonadores ópticos 12,13 y 14 guías de onda, sin embargo, por lo general operan en el régimen perturbativa, que está limitada por la escala orden inverso a la cuarta parte de la potencia óptica requerida frente a partículas tamaño, a diferencia de la SIBA y la trampa de doble nanohole. Formas alternativas de abertura también se han presentado para la captura, tal como un rectangular nanopore plasmónica 15. Otras cualidades favorables mostrados por la trampa de doble nanohole incluyen comportamiento de las partículas de tamaño selectivo 7, un lugar de captura única (para limitar multi-partícula de captura) y la facilidad de fabricación 16. Como una alternativa al uso de un FIB, de doble nanoagujeros se pueden fabricar mediante el uso de una litografía coloidaly 6. La captura de los materiales biológicos de gran polarizabilidad y el tamaño de las bacterias ha incluido 3, las células vivas 17,2,18, el virus del mosaico del tabaco 3 y la manipulación y el estiramiento de hebras de ADN atados en los extremos con grandes partículas dieléctricas 19, sin embargo, la captura directa de menor muestras biológicas sin tethering sigue siendo un reto. Esta configuración de captura es capaz de atrapar pequeñas partículas dieléctricas a intensidades de luz más bajas que las pinzas convencionales de luz y la nanohole circular, permitiendo que pequeñas partículas biológicas que se celebrará durante largos períodos de tiempo sin daño o tethering. También, los eventos de captura no exhiben una alta relación de señal a ruido que permite esta configuración para funcionar como un sensor sensible y detectar las partículas más pequeñas biológicos, tales como virus y proteínas. De hecho, esferas de poliestireno de 20 nm tiene un índice de refracción de 1,59 que es comparable a las más pequeñas partículas biológicastales como los virus. Este método podría ser una técnica fiable y madura para la inmovilización y la manipulación de nanopartículas, incluyendo las partículas biológicas. Las aplicaciones de esta técnica incluyen la integración en un entorno de microfluidos. En lugar de una sola cámara de microfluidos, un canal se utiliza para controlar dinámicamente el medio ambiente, ideal para la detección de índice de refracción. Esta configuración se encuentra en un solo chip microfluídico que conduce a una configuración más estable y robusto y un análisis más rápido de los solutos. Otra opción es el desarrollo de un sistema de detección por fluorescencia para la caracterización de un solo fluorescente etiquetados con los virus, los puntos cuánticos semiconductores y proteínas fluorescentes verdes. Esta configuración también tiene potencial para la modificación en un biosensor para un solo virus o proteína, permitiendo que las muestras muy pequeñas para ser analizados. El descubrimiento de fármacos 21 y de la enfermedad y la infección de detección 22 se beneficiaría de un detector sola proteína. Raman espectroscopy puede ser incorporado para la detección de señales de Raman de las partículas individuales y eventos de unión. La estructura de doble nanohole permite fuertes mejoras de campo locales en las puntas, como corresponde a punta mejorada espectroscopia Raman 23. Un altamente específico etiqueta libre de método de caracterización de los materiales también sería posible utilizando espectroscopia Raman 24.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nombre </td><td> Fabricante </td><td> Número de Serie </td><td> Comentarios </td></tr><tr><td> Inmersión en aceite </td><td> Cargille Labs </td><td> 16484 </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Sylgard 184 Elastómero de silicona Kit </td><td> Dow Corning Canadá </td><td></td><td> Cantidad: 1 Contiene tanto la base de PDMS y agente de curado </td></tr><tr><td> Oro portaobjetos recubiertos </td><td> EMF Corp </td><td> Cr / Au </td><td> Cantidad: 1 Una capa de adhesión Ti puede ser utilizado también </td></tr><tr><td> No hay 1,5 Cubreobjetos </td><td> Fisher Scientific </td><td> 12-541-B </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Focused Ion Beam-System </td><td> Hitachi </td><td> FB-2100 </td><td></td></tr><tr><td> Portable Data Módulo de Adquisición </td><td> Omega Engineering </td><td> USB-4711A </td><td> Quantity: 1 </td></tr><tr><td> Etapa lineal </td><td> Parker </td><td> 4034M </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Laser Diode Cabeza y Contralor </td><td> Sacher Lasertechnik Grupo </td><td> TEC 120 </td><td> Cantidad: 1 Manual Ajustable Littrow Laser System </td></tr><tr><td> Osciloscopio Digital </td><td> Tektronics </td><td> TDS1012 </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> 20 nm Tamaño Normas Nanosphere </td><td> Thermo Scientific </td><td> 3020A </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> 1 &quot;Montaje de la lente </td><td> Thorlabs </td><td> LMR1 </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> 0.3 &quot;Lente Tube </td><td> Thorlabs </td><td> <a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=SM1L03" target="_blank">SM1L03</a> </td><td> Cantidad: 2 </td></tr><tr><td> Absorción ND Filter 4.0 </td><td> Thorlabs </td><td> NE40A </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Aluminio Breadboard </td><td> Thorlabs </td><td> MB1824 </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Fotodiodo de avalancha </td><td> Thorlabs </td><td> APD110A </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Medidor digital de potencia óptica </td><td> Thorlabs </td><td> PM100 </td><td> Cantidad: 1 Otros obsoletos, harán </td></tr><tr><td> Módulo de Medición de fuerza </td><td> Thorlabs </td><td> OTKBFM </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Cinemática Montura para espejo </td><td> Thorlabs </td><td> KM200-E03 </td><td> Cantidad: 1 Con espejo calidad láser IR cercano </td></tr><tr><td> Diodo láser Conductor de corriente constante </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255R </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> LD1255 placa de la mesa de montaje óptico </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255P </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Montado acromático de media onda Plate </td><td> Thorlabs </td><td> AHWP05M-980 </td><td> Cantidad: 1 690 - 1200 nm </td></tr><tr><td> Kit de pinzas ópticas </td><td> Thorlabs </td><td> OTKB / M </td><td> Cantidad: 1 Métrica o Imperial </td></tr><tr><td> Publica Base Holder </td><td> Thorlabs </td><td> BA2 </td><td> Cantidad: 2 </td></tr><tr><td> Fuente de alimentación </td><td> Thorlabs </td><td> PS-12DC-US </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Cable de alimentación </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255-CAB </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Placa de ángulo recto </td><td> Thorlabs </td><td> AP90 </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Abrazadera de ángulo derecho anuncio </td><td> Thorlabs </td><td> RA90 </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Poste de Acero Inoxidable óptico </td><td> Thorlabs </td><td> TR3 </td><td> Cantidad: 1 </td></tr><tr><td> Tabla Clamp </td><td> Thorlabs </td><td> CL1 </td><td> Cantidad: 2 Otros obsoletos, harán </td></tr><tr><td> Sensor térmico </td><td> Thorlabs </td><td> PM210 </td><td> Cantidad: 1 Por medidor digital de potencia óptica </td></tr><tr><td> 100 pF condensador </td><td></td><td></td><td> Cantidad: 1 Cualquier marca, no es crítica </td></tr><tr><td> 200 Resistencia KOhm </td><td></td><td></td><td> Cantidad: 1 Cualquier marca, no es crítica </td></tr><tr><td> Hoja de acrílico </td><td></td><td></td><td> Cantidad: 3 &quot;x 1&quot; Cualquier marca, no es crítica </td></tr><tr><td> Surtido de cables coaxiales, cables y conectores </td><td></td><td></td><td> Según sea necesario </td></tr><tr><td> Breadboard </td><td></td><td></td><td> Cantidad: 1 Cualquier marca, no es crítica </td></tr><tr><td> Concave Lens </td><td></td><td></td><td> Cantidad: 1 Cualquier marca, no es crítica </td></tr><tr><td> Diamantista </td><td></td><td></td><td> Cantidad: 1 Cualquier marca, no es crítica </td></tr><tr><td> Cinta de doble cara </td><td></td><td></td><td> Cualquier marca, no es crítica </td></tr><tr><td> Hoja de afeitar </td><td></td><td></td><td> Cantidad: 1 Cualquier marca, no es crítica </td></tr><tr><td> Pinzas </td><td></td><td></td><td> Cantidad: 1 Cualquier marca, punta fina </td></tr></tbody></table>

optical trapping of nanoparticles

Trampas ópticas es una técnica para inmovilizar y manipular objetos pequeños de una manera suave con la luz, y se ha aplicado ampliamente para atrapar y manipular pequeñas partículas biológicas. Ashkin y sus colaboradores demostraron por primera vez las pinzas ópticas con un solo haz enfocado 1. La trampa de la única viga puede ser descrito con precisión utilizando la formulación de gradiente de fuerza perturbativa en el caso de pequeñas partículas régimen de Rayleigh 1. En el régimen perturbativo, la potencia óptica requerida para la captura de una báscula de partículas como la cuarta potencia inversa del tamaño de partícula. Altas potencias ópticas pueden dañar partículas dieléctricas y causar calentamiento. Por ejemplo, atrapados esferas de látex de 109 nm de diámetro, fueron destruidos por un rayo mW 15 en 25 seg 1, lo que tiene graves consecuencias para la materia biológica 2,3. Un auto-inducido back-acción (SIBA) Pinzas ópticas, se propuso atrapar 50 esferas de poliestireno nm en elno perturbativa régimen 4. En un régimen no perturbativa, incluso una partícula pequeña con contraste permitividad poco para el fondo puede influir significativamente en el campo electromagnético ambiente e inducir una fuerza óptica de gran tamaño. Cuando una partícula entra en una abertura de iluminación, la transmisión de luz se incrementa dramáticamente debido a la carga dieléctrica. Si la partícula intenta salir de la abertura, disminución de la transmisión provoca un cambio en el impulso hacia afuera desde el agujero y, por la tercera ley de Newton, resulta en una fuerza sobre las partículas hacia el interior en el orificio, atrapando la partícula. La transmisión de la luz se puede controlar, por lo que la trampa puede convertirse en un sensor. La técnica para atrapar SIBA puede mejorarse aún más mediante el uso de una estructura de doble nanohole. La estructura de doble nanohole se ha demostrado que dan un fuerte aumento local de campo 5,6. Entre las dos puntas agudas de la doble nanohole, una partícula pequeña puede causar un gran cambio en la óptica transmission, induciendo de ese modo una fuerza óptica de gran tamaño. Como resultado, las nanopartículas más pequeñas pueden ser atrapados, tales como 12 nm esferas de silicato de 7 y 3,4 nm hidrodinámicas radio proteínas de albúmina de suero bovino 8. En este trabajo, la configuración experimental utilizada para la captura de nanopartículas se describen. En primer lugar, se detalla el montaje de la instalación de trampas que se basa en un kit de pinzas Thorlabs óptica. A continuación, se explica el procedimiento de la nanofabricación de doble nanohole en una película de metal, la fabricación de la cámara de microfluidos y la preparación de la muestra. Por último, se detalla el procedimiento de adquisición de datos y proporcionar resultados típicos para atrapar nanoesferas de poliestireno de 20 nm.

<html> Una traza de adquisición típico se muestra en la Figura 5a. Un proceso de captura es característicamente súbita, con un borde afilado, que muestra un conmutador entre dos niveles de transmisión de potencia. Cuando las partículas están sujetas a movimiento browniano, los eventos de captura se producen al azar. Durante 20 nm partículas, cambios de transmisión de captura eran por lo general alrededor de un 5-10% y los tiempos de captura, alrededor de 10-300 seg. El tiempo típico para conseguir un proceso de captura de la potencia y la concentración se describió anteriormente es del orden de un minuto. Debido al impedimento estérico es raro ver a atrapamiento de partículas múltiples simultáneamente, aunque una vez que una partícula es liberado, es típicamente seguido por un proceso de captura posterior. Dependiendo de la calidad de los resultados, puede haber un cierto aumento en el ruido de señal en el estado atrapado. Este aumento de ruido proviene del movimiento browniano de las partículas atrapadas. Sin la partícula atrapada, esta fuente de ruido no está presente. <html> _content &quot;&gt; Algunos objetos pueden aparecer en los resultados que no son indicativos de los eventos de captura. Los resultados que muestran los cambios a la deriva, lentos en la transmisión a través de un período de minutos, como se muestra en la Figura 5b, debe desecharse. Otros artefactos también pueden estar presentes como los cambios inconsistentes transmisión, ruido excesivo o captura no en todos. Por ejemplo, las burbujas pueden causar saltos discontinuos intensidad si no se tiene cuidado para asegurarse de que la cámara esté libre de burbujas. Estas burbujas se responden de manera diferente a los eventos de captura en términos de dinámica cambio de comportamiento e intensidad, por lo que son fácilmente identificables. Estos síntomas podrían ser causados ​​por una deficiente estructura de doble nanohole, contaminantes o vibraciones mecánicas. Un tranquilo, de baja actividad ajuste se recomienda colocar esta configuración. Asimismo, permitiendo láser y escenario para resolver unos minutos después de alinear puede ayudar también. s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg &quot;/&gt; Figura 1 transmisión subwavelength abertura óptica: a) Sin partícula, b) aumento de la transmisión debido a la partícula dieléctrica, c) Si los intentos de dejar de partículas, la disminución del impulso de luz (DT) causará una fuerza (F) sobre la partícula como hacerlo. tira de ella en el agujero; d) Red de desplazamiento de la curva de transmisión causada por la partícula, lo que lleva al cambio en la DT transmisión. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig2.jpg" /> . Figura 2 una representación esquemática) global de captura de configuración, la ampliación de círculo rojo se muestra en b); b) La ampliación que muestra la doble nanohole, y las nanoesferas dentro de la cámara de PDMS, c) imagen de SEM de la estructura de doble nanohole. Siglas utilizadas: LD = diodo láser; ODF = densidad óptica filtro; HWP = placa de media onda, BE = expansor de haz, MR = espejo, MO = objetivo de microscopio; OI MO = aceite de inmersiónobjetivo sión microscopio DH = doble nanohole; APD = avalancha fotodetector. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig3.jpg" /> Figura 3 una figura de ejemplo) de mapa de bits utilizado en la fabricación FIB;. B) una imagen de SEM de una doble nanohole. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig4.jpg" /> Figura 4. Diagrama del proceso para la fabricación de la cámara de microfluidos. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig5.jpg" /> Figura 5. (A) la adquisición típica de atrapar eventos con 20 nm esferas de poliestireno. (B) Una adquisición pobre que muestra la deriva aguda.

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Optical Trapping of Nanoparticles

Los detalles de configuración siguientes enfoque captura de baja potencia óptica de las nanopartículas con un dieléctrico doble nanohole en la película de metal.

Trampas ópticas de las nanopartículas

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Research

JoVE Journal

Engineering

22.2K vistas.  University of Victoria. Los detalles de configuración siguientes enfoque captura de baja potencia óptica de las nanopartículas con un dieléctrico doble nanohole en la película de metal.

Video: Optical Trapping of Nanoparticles

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

De silicio policristalino película delgada de células solares con plasmónica mejorada luz que atrapa

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Investigación

Ingeniería

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Construcción y verificación de las células de la moneda de baterías de ion de litio

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

Los metamateriales Fabricacion mediante el método de dibujo de fibra

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

Construcción de un microscopio de alta resolución con capacidades de captura óptica convencional y holográfica

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A single gold nanoparticle held by an optical tweezer is used as a sensor to quantify the rhythmic motion of a Nauplius larva (Artemia salina) in a water sample. This is achieved by monitoring the time dependent displacement of the trapped nanoparticle as a consequence of the Nauplius activity. A Fourier analysis of the nanoparticle&#39;s position then yields a frequency spectrum that is characteristic to the motion of the observed species. This experiment demonstrates the capability of this method to measure and characterize the activity of small aquatic larvae without the requirement to observe them directly and to gain information about the position of the larvae with respect to the trapped particle. Overall, this approach could give an insight on the vitality of certain species found in an aquatic ecosystem and could expand the range of conventional methods for analyzing water samples.

Analyzing the Movement of the Nauplius &#039;Artemia salina&#039; by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We use optical tracking of plasmonic nanoparticles to probe and characterize the frequency movements of aquatic organisms.

Analizando el movimiento de la Nauplio &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Por Optical Tracking de plasmónicas nanopartículas

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Fabricación y operación de una banda transportadora nano-óptica

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integración de luz de captura de plata de nanoestructuras en células solares de silicio hidrogenado microcristalina por transferencia Impresión

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

La escritura de Bragg en fibras Multicore

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compacto holográfica microscopio digital Lente menos por MEMS Inspección y Caracterización

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step process that finishes with Negishi coupling. Negishi coupling is a cross-coupling process in which a chemical precursor is first lithiated, followed by transmetallation with ZnCl2. The resultant organozinc compound can be coupled to a dibrominated aromatic precursor to give the conjugated monomer. Polymer films can be prepared via electropolymerization of the monomer and characterized using cyclic voltammetry and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopy. Nanoparticles (NPs) are prepared via emulsion polymerization of the monomer using a two-surfactant system to yield an aqueous dispersion of the polymer NPs. The NPs are characterized using dynamic light scattering, electron microscopy, and UV-Vis-NIR-spectroscopy. Cytocompatibility of NPs is investigated using the cell viability assay. Finally, the NP suspensions are irradiated with a NIR laser to determine their effectiveness as potential materials for photothermal therapy (PTT).

A protocol is presented for the synthesis and preparation of nanoparticles consisting of electroactive polymers.

Propiedades Electroactivos Polymer Nanopartículas Exponer fototérmica

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step ...