השמנה של חלקיקי מיקרו סריג אופטי Nanoplasmonic

Summary

אנו מתארים הליך ללכוד שטיחות מיקרו-חלקיקים בתוך סריג אופטי nanoplasmonic.

Abstract

פינצטה אופטית plasmonic פותחה כדי להתגבר על גבולות עקיפה של פינצטה אופטית השדה הרחוק קונבנציונלי. סריג אופטי plasmonic מורכב מערך של nanostructures, אשר מוצג מגוון של השמנה והתנהגויות תחבורה. מדווחים את ההליכים ניסיוני ללכוד מיקרו-חלקיקים בתוך סריג אופטי פשוטה nanoplasmonic מרובע. אנחנו מתארים גם את ההתקנה אופטי את nanofabrication של מערך nanoplasmonic. פוטנציאל אופטי נוצר על-ידי הארת מערך של זהב nanodiscs עם קרן גאוסיאנית 980 באורך גל של nm, תהודה פלזמון מרגש. התנועה של חלקיקים מנוטרת על ידי קרינה פלואורסצנטית הדמיה. ערכת לדכא את הסעת חום photothermal מתואר גם להגדיל הכוח האופטי שמיש להשמנה אופטימלית. דיכוי של הסעת חום מושגת על ידי קירור הדגימה לטמפרטורה נמוכה, תוך ניצול המקדם הרחבה תרמי כמעט אפסי של מדיום מים. תחבורה חלקיק יחיד והן מרובות חלקיקים השמנה מדווחים כאן.

Introduction

לכידה אופטית של חלקיקי מיקרו-סולם פותחה במקור על ידי ארתור Askin בשנות השבעים המוקדמות. מאז ההמצאה שלו, הטכניקה פותחה ככלי רב תכליתי עבור מיקרו - ו nanomanipulation^1,2. קונבנציונלי אופטי השמנה בהתבסס על השדה הרחוק התמקדות עיקרון מטבעו מוגבל על ידי עקיפה בבידוד המרחבי שלה, שבו הכוח השמנה מפחיתה באופן דרמטי (הבאים ~חוק³ עבור חלקיק של רדיוס ) ³. כדי להתגבר על מגבלות דיפרקציה כזו, חוקרים פיתחו טכניקות לכידה אופטית ליד שדה בהתבסס על השדה אופטי evanescent באמצעות plasmonic nanostructures מתכתי ואובייקטים, יתר על כן, לכידה של ננו. מולקולות חלבון יחיד כבר הפגינו^{4,5,6,7,8,9,10,11}. יתר על כן, השבכה אופטי plasmonic נוצר מתוך מערכים של nanostructures plasmonic תקופתי שוחח ארוכות טווח הובלה של מיקרו - חלקיקים ואת מספר החלקיקים הערימה^11,12. מכשול רציני כדי לשבש את ההשמנה בסריג אופטי הסעת חום photothermal, המאמצים נעשו התירי את השפעותיו על ידי מספר קבוצות^14,15,16,17. באמצעות פונקציית גרין, Baffou. ואח שמחשבת פרופיל הטמפרטורה מידול כל ננו-מבנה plasmonic כמו תנור נקודה, ואז השפעול לאמת שלהם דגם¹⁴. הקבוצה של Toussant יש גם מדדו את הסעת חום פלזמון-induced עם חלקיקים velocimetry¹⁵. הקבוצה של המחבר גם מאופיין תחבורה שדה- והן convectional, הפגינו אסטרטגיית הנדסה לדכא את photothermal הסעת חום^16,17.

כאן אנו מציגים את העיצוב של התקנה אופטי והליך מפורט במיוחד עבור ניסויים השמנה עם סריג אופטי plasmonic. פוטנציאל אופטי נוצר על-ידי הארת מערך של זהב nanodiscs עם קרן גאוסיאנית ממוקד באופן רופף. ערכת לדכא את הסעת חום photothermal על ידי לצנן את הדגימה לטמפרטורה נמוכה (~ 4 ° C) להשמנה האופטימלי הוא גם לתאר כאן¹⁷. תחת קירוב בוסינסק, סדר גודל להעריך מהירות הסעת חום טבעי u ניתנת על ידי u ~L-² - gβ-ΔT / v, איפה L אורך קנה המידה של מקור החום, Δ T היא העלייה בטמפרטורה יחסית ההפניה בשל החימום.  g וβ הן תאוצת הכובד ואת מקדם הרחבה תרמי, בהתאמה. בטמפרטורות ליד 4 ° C, הצפיפות של המדיום מים תערוכות התלות טמפרטורה חריגה, זה מיתרגם מקדם הרחבה תרמי כמעט אפסי ולכן הסעת חום photothermal vanishingly קטן.

Protocol

1-הגדרת אופטי

הערה: העיקרון של ההתקנה אופטי מודגם באיור 1.

1. סט למעלה האופטי פינצטה קיט (ראה את הטבלה של חומרים) מודול קרינה פלואורסצנטית (ראה טבלה של חומרים) לפי המדריכים שלהם. חבר מקור nm כחול אור פליטת אור דיודה (LED) 470 למודול פלורסנט.
2. להחליף את גבוהה מספרי הצמצם (NA) (NA = 1.25, ההגדלה 100 x) שמן טבילה המטרה על ידי עובד זמן מרחק אובייקטיבי מיקרוסקופ (WD) (אורך מוקד 3.6 מ מ, WD = 10.6 מ. מ., NA = 0.5).
3. להסיר את העדשה במקטע הרחבת קרן של ערכת התאספו כדי להשיג התמקדות רופף של קרן הלייזר.
דיודה
4. התור על הזרם והזרם הלייזר של ננומטר אורך גל 980 והשתמש טעונה מצמידים התקן (CCD) המצלמה כדי לוודא קרן הלייזר מיושר כראוי.
   הערה: אם קרן הלייזר הוא מיושר היטב, מצלמת CCD יקרא מקום לפי עקומת גאוס.

2. Nanofabrication

1. סמן פבריקציה נוספת.
   הערה: סמני יעזור למקם את המערך nanoplasmonic במהלך תהליך ייצור השמנה עוקבות הניסוי. משלים באיור 1 מודגם תהליך מפורט.
   1. הפקדה 40 ננומטר אינדיום תחמוצת בדיל (ITO) הסרט על coverslip של עובי 0.17 מ מ עם התזה.
      הערה: הסרט איטו יעזור לשחרר אלקטרונים במהלך תהליך ליתוגרפיה e עוקבות-קרן-
   2. ספין מעיל רובד 8 מיקרומטר של photoresist חיובי עם ספין מהירות 4000 סל ד ו- s זמן 30 עם coater ספין.
   3. רך לאפות את הדגימה ב 90 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות ו ליישר את הדגימה עם photomask עבור סמן ולחשוף את הדגימה לאור אולטרא סגול 80 s ב- aligner המסכה.
   4. להשרות את הדגימה היזם photoresist 130 ס
   5. להפקיד 2 ננומטר שכבת כרום ו 40 ננומטר שכבת זהב על המדגם באמצעות אידוי תרמי. ¹⁸
   6. להשרות את הדגימה של אצטון ומניחים אותו בתבנית אולטרה סאונד נקי פעולה 43 kHz ו 150 W עבור 5 דקות עבור הנהגים מעלית
2. מערך ייצור של Nanoplasmonic
   1. ספין המעיל שכבה של e-קרן להתנגד PMMA 120K עם מהירות סיבוב 5000 סל ד ל 30 s ב- coater ספין. אופים את הדגימה ב 160 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות על פלטה חמה.
   2. ספין מעיל שכבה נוספת של e-קרן להתנגד PMMA 960K עם מהירות סיבוב 5000 סל ד ל 30 s ב- coater ספין. אופים את הדגימה ב 160 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות על פלטה חמה.
   3. שימוש e-קרן סופר לחשוף את e-הקרן להתנגד עם האצת מתח 30 kV והמינון 400 ג/cm ².
   4. להפקיד 40 ננומטר שכבת זהב ב מפזר חום.
   5. משרים את הדגימה של אצטון ומניחים אותו בתבנית אולטראסאונד 5 דקות עבור הנהגים מעלית

3. לדוגמה קירור מערכת, כיול טמפרטורה שלה

הערה: המדגם קירור עיצוב במה מוצג משלים באיור 2.

1. שהופך את המעגל הנהג עבור מדגם קירור
   1. מקום על נגדים, צומת דו-קוטבי טרנזיסטורים, וכן כוח תחמוצת מתכת שדה אפקט טרנזיסטורים על המעגל מותאם אישית על ידי ביצוע של דיאגרמת מעגל משלים באיור 3 . כל המרכיבים הללו עם המלחם הלחמה.
   2. חיבור חוטים בין יציאת בקרה של המעגל הלוח בקרה אלקטרונית. לחבר את החוטים בין יציאת פלט של המעגל, thermoelectrical קירור (TEC). למקם את הרכיב טק על הבמה מדגם עם שוקע חום.
      ​ הערה: טק רכיב יש חור במרכז כדי לאפשר קרן הלייזר לעבור.
   ספק כוח
   3. חיבור חוטי החשמל היוצאים המעגל ל- 5 V. להשתמש במצלמה אינפרא-אדום שפניה לעקוב אחר הטמפרטורה כדי לבדוק אם הקירור thermoelectrical הוא כמו שצריך לצנן.
2. כיול של הטמפרטורה שנמדדה שפניה לעתיד המצלמה עמידות בטמפרטורה גלאי (RTD) מד חום אינפרא אדום.
   1. למקם את המדחום RTD coverslip ריקה ולהחיל כמות קטנה של תרמית העיסה לתוך זה כדי להבטיח נאות תרמי קשר בין מד חום RTD coverslip.
   2. שינוי ההגדרה של כוח פלט של מעגל בקרה אלקטרונית טק רכיב על-ידי שינוי של מחזור חיים של הגדרת אפנון רוחב פולס ולחכות 3 דקות לוודא שהטמפרטורה מצב יציב מתמלאת. לקרוא את הטמפרטורה בעזרת את המדחום RTD.
   3. התור על מצלמת אינפרא-אדום להסתכל קדימה, הצג הטמפרטורה. חזור על זה ב הגדרות צריכת חשמל פלט שונים כדי להשיג את עקומת כיול טמפרטורה. עקומת כיול טמפרטורה נציג מוצג משלים באיור 4.
      הערה: חשוב מאוד לעשות כיול בין מד חום RTD מצלמה אינפרא אדום לפנים מראה כי. קריאת הטמפרטורות של מצלמה אינפרא אדום שפניה לעתיד חייב להיות מדויק כדי להבטיח בטמפרטורה הנכונה מתמלאת.

4. השמנה של Microparticles

1. Dilute מיקרו פוליסטירן חלקיקי בקוטר 2 מיקרומטר במים יונים ב microcentrifugetube עם יחס נפח תקין.
   הערה: ניתן להתאים את הריכוז של חלקיקי מיקרו על פי מטרת הניסוי. תוך ריכוז נמוך יותר מאפשר מרווח זמן הדגימה בין אירועים השמנה חלקיק יחיד, ריכוז גבוה יותר לקצר את הזמן להשמנה חלקיקים מרובים. עבור חלקיק יחיד השמנה, ריכוז טיפוסי הוא ~0.05% (w/v).
2. שים המדגם עם מערך nanoplasmonic על הבמה ולפנות של 470 nm הוביל כמקור אור זריחה ו להגדיר באופן ידני את הכוח כדי 5 מגוואט עבור שדה בהיר הדמיה.
3. להשתמש בסמן כדי לאתר את מערך nanoplasmonic, ליישר את הדגימה ולהשתמש את מצלמת CCD כדי לוודא המערך הוא במרכז האזור של ריבית על מסך המחשב.
4. 10 לוותר על µL של חלקיקי מיקרו מדוללת של קוטר 2 מיקרומטר על הדגימה עם פיפטה מיקרו-
5. להפעיל את ספק הנוכחי דיודת לייזר של ננומטר אורך גל 980 לגרות את התהודה plasmonic של המערך עם כוח ב- mW טווח ~ 1 עד 10 mW.
6. להפעיל באופן ידני את ספק הזרם ללוח בקרה אלקטרונית להתקרר המדגם מצב יציב טמפרטורה ~ 4 ° C.
7. התוכנה viewer, לחץ על " להקליט וידאו " רצף כדי לפתוח את תיבת הדו-שיח הקלטת. לחץ " שיא " כפתור כדי להתחיל את ההקלטה 1.5 של התנועה של חלקיקי מיקרו-קצב מסגרות לשנייה 10 על הדגימה תחת ההשפעה של קרן לייזר באמצעות מצלמת ה-CCD. לחץ " להפסיק " כפתור כדי לעצור את ההקלטה. ראה וידאו 1-

תוצאות

חלקיקים בודדים נרשמו על ידי מצלמת CCD בניסוי שלנו, התמונות עובדו ואז עם תוכנית מותאמת אישית כדי לחלץ של החלקיק בכל מסלול¹⁶. התוצאות נציג מוצגים באיור 3 ו 1 וידאו ספירות-מיקרו עם קטרים של 2 מיקרומטר. הסממנים מרובות חלקיקים בתוך השבכה אופט?...

Discussion

ההליך המתואר כאן מאפשרת לקורא להתרבות בצורה אמינה השמנה על בסיס יומי. קו מנחה כללי אמפיריים לעצב סריג אופטי שמיש היא להשתמש בגודל דומה עבור nanoarray plasmonic, מרחק interdisc, וכלא גודל החלקיקים. העיצוב סריג אופטי בשיתוף עם הכוח האופטי גבוהה המוענקת על ידי קירור לדוגמה כדי ~ 4 ° C משמש כאן באופן משמעותי ב...

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