Plasmonico cattura e rilascio di nanoparticelle in un ambiente di monitoraggio

Riepilogo

Un processo di fabbricazione di microchip che incorpora pinzette plasmoniche è presentato qui. Il microchip permette l'imaging di una particella intrappolata per misurare forze di cattura massime.

Abstract

pinzette plasmoniche utilizzano polaritoni plasmon di superficie per confinare oggetti nanoscala polarizzabili. Tra i vari disegni di pinzette plasmoniche, solo pochi possono osservare particelle immobilizzate. Inoltre, un numero limitato di studi hanno misurata sperimentalmente le forze esercitabile sulle particelle. I disegni possono essere classificati come tipo di nanodisk sporgenti o il tipo nanohole soppressa. Per questi ultimi, osservazione microscopica è estremamente impegnativo. In questo documento, un nuovo sistema pinzetta plasmonica viene introdotto per monitorare particelle, sia in direzioni parallele e ortogonali all'asse simmetrica di una struttura nanohole plasmonico. Questa caratteristica permette di osservare il movimento di ogni particella vicino al bordo del nanohole. Inoltre, possiamo stimare quantitativamente le forze massime di cattura usando un nuovo canale fluidico.

Introduzione

La capacità di manipolare oggetti microscala è un elemento indispensabile per vari esperimenti micro / nano. manipolazioni contatto diretto può danneggiare gli oggetti manipolati. Rilasciando gli oggetti precedentemente detenute è anche difficile a causa di problemi stiction. Per superare questi ^{problemi,, 8} sono stati proposti diversi metodi indiretti utilizzando fluidico ^{1, 2} elettrico, magnetico ^3, o forze fotonici ^{4, 5, 6, 7.} Pinzette plasmoniche che utilizzano forze fotonici sono basati sulla fisica di straordinari campo valorizzazione diversi ordini superiori dell'intensità incidente ^9. Questo estremamente forte amplificazione di campo consente l'intrappolamento di piccolissime nanoparticelle. Ad esempio, è stato dimostrato per immobilizzare e manipolare nanoscalaoggetti, come particelle di polistirene ^{7, 10, 11, 12, 13, 14, 15} catene polimeriche, proteine, ¹⁶ punti quantici ^17, e le molecole di DNA ^{8, 18.} Senza pinzette plasmoniche, è difficile intercettare nanoparticelle perché scompaiono rapidamente prima che vengano effettivamente esaminate o perché sono danneggiati a causa dell'elevata intensità del laser.

Molti studi plasmoniche hanno usato varie strutture d'oro a nanoscala. Possiamo classificare le strutture d'oro come sporgenti tipi nanodisk ^{12, 13, 14, 15, 19 , 20, 21 o soppresse tipi nanohole 7, 8, 10, 11, 22, 23. In termini di convenienza di imaging, i tipi nanodisk sono più adatti rispetto ai tipi nanohole perché, per quest'ultimo, i substrati oro può ostacolare la vista di osservazione. Inoltre, l'intrappolamento plasmonica si verifica in prossimità della struttura plasmonica e rende osservazione ancora più difficile. Per quanto a nostra conoscenza, cattura plasmoniche sui tipi nanohole è stata verificata solo tramite segnali di scattering indiretti. Tuttavia, nessun osservazioni dirette di successo, come ad esempio immagini microscopiche, sono stati segnalati. Pochi studi hanno descritto la posizione di particelle intrappolate. Un tale risultato è stato presentato da Wang et al. Hanno creato un pilastro oro su un substrato d'oro e osservati il ​​pmovimento articolo usando un microscopio a fluorescenza 24. Tuttavia, questo è efficace solo per monitorare movimenti laterali non nella direzione parallela all'asse del fascio.}

In questo lavoro, si introduce nuove procedure di progettazione e di fabbricazione di microchip fluidici. Utilizzando questo chip, dimostriamo il monitoraggio di particelle intrappolate plasmonically, sia in direzioni parallele e ortogonali alla nanostruttura plasmonica. Inoltre, si misura la forza massima della particella immobilizzato aumentando la velocità del fluido per trovare la velocità ribaltamento nel microchip. Questo studio è unico perché la maggior parte degli studi sulla pinzette plasmoniche non possono mostrare quantitativamente le forze di cattura massimi utilizzati nei loro apparati sperimentali.

Protocollo

Attenzione: Si prega di fare riferimento a tutte le pertinenti norme di sicurezza materiale prima dell'uso. Molti dei prodotti chimici utilizzati nella fabbricazione di microchip sono altamente tossici e cancerogeni. Utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si eseguono i processi fotolitografici e di attacco, compreso l'uso di controlli tecnici (cappa, piastra calda, e allineatori) e dispositivi di protezione individuale (occhiali, guanti, camici, pantaloni full-length, e chiuso scarpe -toe).

1. Realizzazione della Microchannel PDMS

1. Fabbricazione dello stampo microcanale dal processo fotolito
   1. Rimuovere completamente impurità sulla superficie 4 pollici wafer di Si con pulizia Piranha (Figura 1a). Miscela di acido solforico (H ₂ SO ₄₎ e perossido di idrogeno (H ₂ O ₂₎ in un rapporto di 3: 1 per rendere la soluzione Piranha nel piatto. Mescolare aggiungendo gradualmente piccole quantità di acido forte (H ₂ O _{2) per l'acido debole (H 2 SO 4); invertire questo ordine può provocare un'esplosione a causa della forte acido altamente reattivo.}
   2. Immergere il wafer nella soluzione Piranha a 10 min. Successivamente, immergere il wafer in acqua deionizzata (DI) per 3 minuti per rimuovere la soluzione Piranha rimanente. Risciacquare il wafer con acqua corrente per 10 s DI. Ripetere la procedura di lavaggio 3 volte e asciugare con N ₂ gas per rimuovere il residuo DI.
   3. Posizionare il wafer su una piastra calda per 20 minuti a 180 ° C per disidratare ulteriormente wafer.
   4. Versare 5 mL di fotoresist negativo sulla parte superiore della fetta e centrifuga cappotto per 45 s a 1.500 giri (Figura 1b); dopo rivestimento per rotazione, una perlina fotoresist viene creata sul bordo wafer a causa della relativamente alta viscosità del fotoresist.
   5. Bilanciare il wafer photoresist rivestite da planarizzazione su un supporto livellante per 5 h.
   6. Posizionare il wafer photoresist rivestite su una piastra calda per 12 min a 65° C, 35 min a 95 ° C e 12 min a 65 ° C (soft cottura).
   7. Fissare la maschera pellicola sul supporto maschera e il wafer soft-cotta sulla scena substrato dell'allineatore. Esporre alla luce ultravioletta (UV) per 43 s a 650 mJ / cm ² per solidificare il fotoresist.
   8. Posizionare il wafer sulla piastra calda per 5 minuti a 65 ° C, 15 min a 95 ° C e 5 min a 65 ° C (post-esposizione cottura).
   9. Immergere il wafer nello sviluppatore photoresist per 30 minuti per rimuovere fotoresist solidificata.
   10. Risciacquare il wafer con alcool isopropilico (IPA) e asciugare con N ₂ gas per rimuovere il residuo IPA.
2. Fabbricazione dei microcanali PDMS
   1. Trattare la superficie del wafer e lo stampo di fotoresist per 1 min a una potenza di 200 W utilizzando una macchina plasma atmosferico ^25; i flussi di gas di CH ₄ e dovrebbe essere 6 e 30 sccm, rispettivamente. Eseguire questo trattamento idrofobico di staccare facilmente il polydimethylsiloxane (PDMS) microcanali dalla superficie del wafer e muffa fotoresist (figura 1c).
   2. Preparare la soluzione PDMS mescolando la base PDMS e agente indurente in un rapporto di 10: 1. Agitare la miscela per 2 min.
   3. Posizionare il wafer in una piastra di Petri (150 mm x 15 mm) e aggiungere 100 ml di soluzione di PDMS. Rimuovere le bolle che sono stati creati da agitazione usando un essiccatore.
   4. Porre la capsula di Petri in forno per 2 ore a 80 ° C per solidificare la soluzione PDMS (Figura 1d e h).
   5. Tagliare lungo i contorni della microcanali PDMS con una lama di rasoio e staccarlo dal wafer; le PDMS fabbricate microcanale dovrebbero avere le seguenti dimensioni: lunghezza 13 mm, 300 micron di larghezza e 150 um alto (figure 1e, f, e i).
      NOTA: Due tipi di fori sono prodotte da un micropuntura per inserire la fibra monomodale (SMF) cavo e tubi (ingresso And uscita) sul PDMS microcanali (Figura 1g). Il cavo SMF viene utilizzato per emettere il fascio laser alla nanohole lavorato sul piatto d'oro. Il tubo viene utilizzato per inserire / estrarre la soluzione particella a / da microcanali PDMS.
   6. Forare ingresso 1,5 mm e fori di uscita a ciascuna estremità del microcanale PDMS. Perforare 0,3 mm foro del cavo SMF al centro del microcanale PDMS.

2. processo di incisione del Gold Plate

1. Preparare un piatto d'oro disponibile in commercio con le dimensioni di 25 x 6,25 millimetri ² (figura 2a).
2. Rimuovere eventuali sostanze estranee sul piatto d'oro con le seguenti procedure di pulizia. Pulito nel seguente ordine immergendo in acetone, metanolo e acqua deionizzata per 5 minuti ciascuna.
3. Risciacquare il piatto d'oro 3 volte con acqua deionizzata per 10 s e asciugare la piastra con N ₂ gas per rimuovere l'acqua residua DI.
4. Posizionare il piatto d'oro su una piastra calda per20 min a 180 ° C per eliminare completamente l'umidità residua.
5. Versare 0,5 mL di esametildisilazano (HMDS) sulla piastra di oro e cappotto centrifuga per 40 s a 3.000 rpm.
6. Versare 0,5 mL di photoresist positivo sopra le HMDS di spin-rivestito e cappotto centrifuga per 40 s a 3.000 rpm (Figura 2b).
7. Posizionare la piastra oro photoresist rivestite sulla piastra calda per 90 s a 110 ° C (soft cottura).
8. Fissare la maschera pellicola sulla fetta di vetro e posizionare la piastra oro morbido-cotta sulla scena substrato. Esporre alla luce UV per 4,5 s a 64 mJ / cm ² per sciogliere il fotoresist.
9. Immergere il piatto d'oro nello sviluppatore photoresist per 1 min per rimuovere il fotoresist disciolto (figura 2c). Risciacquare il piatto d'oro con acqua deionizzata e asciugare con N ₂ gas.
10. Immergere il piatto d'oro nella Au mordenzante per 45 s ad una velocità di incisione di 28 Å / s per rimuovere l'Au esposta (figura 2d). Sciacquare la piastra d'oro con DI water e asciugare con N ₂ gas.
11. Immergere il piatto d'oro nel mordenzante Ti per 5 s ad una velocità di incisione di 25 Å / s per rimuovere il Ti esposta (figura 2e). Risciacquare il piatto d'oro con acqua deionizzata e asciugare con N ₂ gas.
12. Rimuovere il fotoresist rimanente sul piatto d'oro immergendolo in acetone, metanolo e acqua deionizzata per 3 minuti ciascuno (figura 2f); immergere la piastra in ordine scritto.
13. Risciacquare il piatto d'oro 3 volte con acqua deionizzata per 10 s. Secco con N ₂ gas per rimuovere l'acqua DI.
14. Posizionare la piastra d'oro sulla piastra calda per 3 min a 120 ° C per rimuovere completamente l'umidità; il blocco oro prodotto dovrebbe essere 400 x 150 um ² (figura 2h).
15. Fresare una nanohole 400 nm usando un fascio ionico focalizzato (FIB) al centro del blocco oro che si fabbricata dopo l'attacco (figure 2g e i). Creare un modello cerchio 370 nm a concentrarsi sul bl oroock con uno ione tensione di accelerazione di 30 kV a 28 pA per 3 s.

3. Montaggio della Microchip

1. Trattare le due superfici del microcanale PDMS e la piastra d'oro per 1 min con O ₂ plasma per fissare insieme con un sistema plasma ad una potenza di 80 W ed una pressione di 825 mTorr ^25.
   NOTA: E 'soprattutto difficile attaccarli con precisione perché il blocco di oro e PDMS a microcanali sono al livello micrometrico. Quindi, utilizzare un allineatore con una telecamera e una fase manuale.
2. Fissare il wafer in vetro che viene utilizzato per fissare la maschera pellicola al titolare maschera dell'allineatore (Figura 3a).
3. Fissare i O ₂ al plasma da trattati PDMS microcanale al wafer di vetro; perché il PDMS è idrofilo, sarà facilmente collegare al wafer vetro senza soluzione di adesione. Fissare la piastra d'oro sulla scena substrato dell'allineatore (Figura 3a).
4. Individuare i centri di the SMF foro del cavo e oro blocco, che sono allineati sullo stesso asse, utilizzando la telecamera sul allineatore. Sollevare la fase manuale di unire le due parti (figure 3b e c).

4. Miglioramento della Microchip Side rugosità di superficie con PDMS Coating

NOTA: La piastra d'oro con dimensioni fisse di 400 x 150 um ² è relativamente più difficile da tagliare rispetto al materiale PDMS. Pertanto, per staccare il microcanale PDMS dal wafer, una lama di rasoio è utilizzata per tagliare un pezzo più grande della piastra dell'oro. Dopo che unisce le due parti, la parte in eccesso del PDMS rispetto alla piastra oro devono poi essere tagliati in modo che l'interno del canale può essere osservato dal lato utilizzando un microscopio (figura 4a). Tuttavia, la superficie di taglio, che viene utilizzato come una finestra, ha una elevata rugosità superficiale e produce quindi immagini nuvolosi delle particelle che fluiscono nel canale (Figura4b). Rivestimento con la soluzione di PDMS viene eseguito di nuovo per risolvere questo problema.

1. Preparare la soluzione PDMS mescolando la base PDMS e agente indurente in un rapporto di 10: 1 ed agitare per 2 min.
2. Versare 2 ml della soluzione PDMS nella capsula Petri ed eseguire la spin coating per 30 s a 1.000 giri (Figura 4c).
3. Posizionare la superficie microchip che sta per essere situato sul microscopio sul piatto Petri (figura 4d). Porre la capsula di Petri in forno per 1 ora a 80 ° C per solidificare la soluzione PDMS.
4. Tagliare il bordo del microchip e PDMS usando una lama di rasoio e successivamente staccarlo dalla piastra di Petri (figure 4e, f).

5. Laser accoppiamento per inserire il cavo SMF alla Microchip

NOTA: Per il sistema pinzette plasmonica, viene utilizzato un laser incidente fibra ottica con una lunghezza d'onda 1.064 nm. Il cavo SMF viene utilizzato perché il diametro del incilaser Dent (5 mm) è troppo immenso per emettere il raggio laser sulla nanohole fresata sul blocco oro (400 x 150 um ²⁾ nel microchip. Il diametro rivestimento del cavo SMF è di 125 um. Così, il laser incidente e il cavo SMF devono essere accoppiati.

1. Collegare una lente obiettivo 40X all'obiettivo microscopio montaggio sul accoppiatore SMF. Fissare il cavo SMF sul morsetto fibra dell'accoppiatore SMF. Allineare il fascio laser incidente per riempire l'apertura posteriore della lente obiettivo.
2. Focalizzare il fascio laser al nucleo del cavo SMF regolando la fase manuale a tre assi attrezzato al accoppiatore SMF.
3. Inserire l'estremità opposta del cavo SMF nel foro cavo SMF del microchip. Misurare la potenza del laser prima dell'inserimento al bordo del cavo in fibra, in quanto il cavo in fibra fissa al microchip non può essere rimosso.
4. Sigillare il foro cavo SMF utilizzando colla epossidica per bloccare la fuoriuscita della soluzione particella scorre dalla distanza tra la cabina SMFforo le (300 micron) e il rivestimento del cavo SMF (125 um); l'estremità del cavo in fibra inserito non deve entrare nel microcanale per evitare il flusso di fluido. allineare manualmente il cavo in fibra con feedback visivo in modo che sia perpendicolare al blocco oro che ospita il nanohole.

6. particelle plasmoniche Cattura di singolo fluorescente polistirolo nel microchip

1. Collegare la siringa, che viene riempito con la soluzione di particelle, ad una micropompa siringa. Posizionare il vetro di copertura sulla fase del campione del microscopio a fluorescenza. Raccordare tubi ai fori di entrata / uscita del microchip. Posizionare la superficie microchip PDMS rivestita sulla parte superiore del vetro di copertura.
2. Posizionare il microchip ortogonalmente immersione in acqua lente obiettivo 60X osservando l'interno del canale con la fotocamera installata sul microscopio a fluorescenza. Utilizzare nastro trasparente per fissare il microchip al suo posto. Collegare il tubo di ingresso del microchip con la siringa needle.
3. Inserire la soluzione particella alla microchip controllando la micropompa a 20 um / s. In questo momento, confermano che la particella fluorescente può essere osservato anche nel canale quando la lampada fluorescente è accesa.
4. Attendere la soluzione particella esce dall'uscita del microchip. Impostare la velocità a 3,4 micron / s.
5. Ruotare il dispositivo sorgente laser in modo che emette il laser nella nanohole; la particella fluorescente sarà intrappolato sul bordo della nanohole.
6. Rampa la velocità del fluido con incrementi di 0,4 um / s controllando la micropompa finché le fughe di particelle intrappolate. Misurare la velocità del fluido quando le particelle intrappolate fuga. Avere la forza di intrappolamento massimo per ciascuna intensità del laser che utilizza questo velocità del fluido misurata.

Risultati

Il processo di fabbricazione del microcanale e oro nanohole piastra PDMS è mostrata nelle figure 1 e 2. Il metodo per combinare le due parti e il microchip effettivo è mostrato in figura 3. Il PDMS è stato tagliato per rivelare l'interno del canale dal lato del microchip. Tuttavia, è stato difficile osservare le particelle che fluiscono nel canale a causa della rugosità superficiale del piano di taglio. Pertanto, abbiamo introdo...

Discussione

Il cavo SMF è stato inserito nel foro cavo SMF sul microchip, come mostrato nella puntino rettangolare di figura 6a. Poiché il foro del cavo SMF è maggiore del diametro del cavo, colla epossidica è stato utilizzato per chiudere l'apertura di bloccare la fuoriuscita della soluzione particella fluente. Prima dell'applicazione di colla epossidica, il blocco oro e bordo cavo devono essere allineati coassialmente a mano con un microscopio. Anche se è ideale per il bordo cavo inserito ed il nanoh...

Materiali

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