Intrappolamento delle Micro particelle in grata ottica Nanoplasmonic

Riepilogo

Descriviamo una procedura per intercettare otticamente micro-particelle in grata ottica nanoplasmonic.

Abstract

La pinzetta ottica plasmonica è stata sviluppata per superare i limiti di diffrazione delle pinzette ottiche convenzionali campo lontano. Plasmonica reticolo ottico è costituito da una matrice di nanostrutture, che esibiscono una varietà di intrappolamento e comportamenti di trasporto. Segnaliamo le procedure sperimentali per intrappolare micro-particelle in un reticolo ottico semplice quadrato nanoplasmonic. Descriviamo anche l'installazione di ottica e la nanofabbricazione di una matrice di nanoplasmonic. Il potenziale ottico è creato da illuminare una matrice di nanodiscs d'oro con un fascio gaussiano di 980 nm lunghezza d'onda ed eccitante risonanza plasmonica. Il moto delle particelle è monitorato da formazione immagine di fluorescenza. Uno schema per sopprimere photothermal convezione anche descritto per aumentare la potenza ottica utilizzabile per il trapping ottimale. Soppressione della convezione è realizzata il campione a bassa temperatura di raffreddamento, ed utilizzando il coefficiente di dilatazione termica quasi zero di un mezzo di acqua. Trasporto di singola particella sia più dell'intrappolamento delle particelle sono segnalati qui.

Introduzione

L'intrappolamento ottico di particelle micro-scala è stato originariamente sviluppato da Arthur Askin agli inizi del 1970. Mai fin dalla sua invenzione, la tecnica è stata sviluppata come un versatile strumento per micro - e nanomanipulation^1,2. Optical trapping base lontano dal campo-principio di messa a fuoco è intrinsecamente limitato dalla diffrazione nel suo confinamento spaziale, in cui la forza di intrappolamento diminuisce drammaticamente convenzionale (seguente un ~unalegge³ per una particella di raggio un) ³. per superare tali limiti di diffrazione, i ricercatori hanno sviluppato tecniche di intrappolamento ottico vicino-campo basati sul campo ottico evanescente utilizzando Nanostrutture plasmoniche metallico e, inoltre, l'intrappolamento di nanoscala oggetti verso il basso per singole molecole proteiche, è stata dimostrata^{4,5,6,7,8,9,10,11}. Inoltre, il reticolo ottico plasmonico viene creato da matrici di periodici plasmoniche di conferire il trasporto a lungo raggio di micro e nanoparticelle e più particelle impilamento^11,12. È uno dei principali ostacoli per interrompere la cattura in un reticolo ottico photothermal convezione e sono stati compiuti sforzi per delucidare i suoi effetti da diversi gruppi^14,15,16,17. Utilizzando la funzione di Green, Valerio et al hanno calcolato un profilo di temperatura modellando ogni Nanostrutture plasmoniche come un riscaldatore di punto ed ha quindi convalidato sperimentalmente loro modello¹⁴. Gruppo di Toussant ha misurato anche la convezione indotta da plasmon con particella velocimetry¹⁵. Gruppo dell'autore ha anche caratterizzato il trasporto sia di campo vicino e convezione e ha dimostrato una strategia ingegneria per sopprimere photothermal convezione^16,17.

Qui presentiamo la progettazione di una configurazione ottica e una procedura dettagliata in particolare per gli esperimenti dell'intrappolamento con grata ottica plasmonica. Il potenziale ottico è stato creato da illuminare una matrice di oro nanodiscs con un fascio gaussiano vagamente focalizzato. Uno schema per sopprimere la convezione photothermal dal raffreddarsi il campione ad una temperatura bassa (~ 4 ° C) per il trapping ottimale è anche descrivere qui¹⁷. Sotto approssimazione di Boussinesq, una stima dell'ordine di grandezza per la convezione naturale velocità u è data da u ~L² gβΔT / v, dove L è la scala di lunghezza della sorgente di calore e Δ T è l'aumento della temperatura rispetto al riferimento a causa del riscaldamento.  g e β sono l'accelerazione gravitazionale e coefficiente di espansione termica, rispettivamente. A temperature vicine ai 4 ° C, la densità del mezzo acqua esibisce la dipendenza dalla temperatura anomala e questo si traduce in un coefficiente di dilatazione termica quasi zero e, quindi, una convezione photothermal infinitamente piccolo.

Protocollo

1. Setup ottico

Nota: il principio dell'apparato ottico è illustrato nella Figura 1.

1. Set up ottico pinzetta kit (vedere la Tabella materiali) e il modulo di fluorescenza (Vedi Tabella materiali) secondo i loro manuali. Collegare una fonte di 470 nm blu luce che emettono luce a diodi (LED) al modulo fluorescente.
2. Sostituire l'alta apertura numerica (NA) (NA = 1.25, ingrandimento 100 x) obiettivo a immersione in olio tramite un funzionamento di lungo distanza obiettivo del microscopio (WD) (lunghezza focale 3,6 mm, WD = 10.6 mm, NA = 0.5).
3. Rimuovere la lente nella sezione di espansione di larghezza del kit assemblato per raggiungere sciolto di messa a fuoco del fascio laser.
4. Disabilita l'alimentazione e la corrente per il laser a diodi di lunghezza d'onda 980 nm e uso la carica accoppiata fotocamera del dispositivo (CCD) per assicurarsi che il raggio laser è allineato correttamente.
   Nota: Se il raggio laser è ben allineato, la telecamera CCD leggerà un posto gaussiano.

2. Nanofabbricazione

1. Marker Fabrication.
   Nota: I marcatori aiuterà a posizionare la serie di nanoplasmonic durante il processo di fabbricazione e l'esperimento successivo intrappolamento. Il processo dettagliato è illustrato in complementare figura 1.
   1. Film di ossido di stagno (ITO) di cauzione 40 nm indio su un vetrino coprioggetti spessore 0,17 mm con sputtering.
      Nota: La pellicola di ITO aiuterà gli elettroni di scarico durante il processo di Litografia di fascio elettronico successivi.
   2. Spin cappotto uno strato di 8 µm di photoresist positivo con spin velocità 4000 giri/min e tempo 30 s con una macchina a spin.
   3. Soft cuocere il campione a 90 ° C per 5 min e allineare il campione con strato di fotoresist per marcatore ed esporre il campione ai raggi UV per 80 s nell'assetto maschera.
   4. Immergere il campione nello sviluppatore di photoresist per 130 s.
   5. Depositare uno strato di 2 nm di cromo e uno strato di 40 nm di oro sul campione mediante evaporazione termica. ¹⁸
   6. immergere il campione in acetone e posizionarlo in un pulitore ad ultrasuoni operanti a 43 kHz e 150 W per 5 min per lift off.
2. Fabbricazione di Nanoplasmonic matrice
   1. cappotto Spin uno strato di e-fascio resistere PMMA 120K con velocità di rotazione di 5000 giri/min per 30 s su una macchina a rotazione. Cuocere il campione a 160 ° C per 3 min su una piastra calda.
   2. Spin cappotto un altro strato di fotoresist e-fascio PMMA 960K con velocità di centrifuga 5000 giri/min per 30 s su una macchina a rotazione. Cuocere il campione a 160 ° C per 3 min su una piastra calda.
   3. Scrittore di fascio elettronico di uso per esporre il fascio elettronico resistere con accelerazione tensione 30 kV e dosaggio 400 C/cm ².
   4. Depositare uno strato di 40 nm di oro in un evaporatore termale.
   5. Immergere il campione in acetone e posizionarlo in un pulitore ad ultrasuoni per 5 min per lift off.

3. Esempio di sistema e la sua taratura della temperatura di raffreddamento

Nota: il campione in fase di progettazione di raffreddamento è mostrato complementare figura 2.

1. Rendendo il circuito di pilotaggio per esempio raffreddamento
   1. posto le resistenze, transistor a giunzione bipolare e transistori di effetto di campo di ossido di metallo di potere sul circuito stampato personalizzato seguendo lo schema di circuito di complementare figura 3 . Saldare tutti questi componenti con saldatore.
   2. Cavi di connessione tra la porta di controllo del circuito e scheda elettronica di controllo. Collegare i cavi tra la porta di uscita del circuito stampato ed elemento di (TEC) raffreddamento termoelettrico. Posizionare l'elemento TEC sul palco campione con d'affondamento di calore.
      ​ Nota: The TEC elemento ha un buco al centro per permettere il fascio laser di passare attraverso.
   3. Connect fili da circuito stampato a 5 V di alimentazione. Utilizzare il lungimirante fotocamera a raggi infrarossi per controllare la temperatura per controllare se il raffreddamento termoelettrico è correttamente raffreddando.
2. Calibrazione di temperatura misurata in lungimirante termometro a infrarossi telecamera e resistenza temperatura detector (RTD).
   1. Posizionare il Termometro RTD su un vetrino coprioggetto vuoto e applicare una piccola quantità di pasta termica su di esso per garantire il corretto contatto termico tra il Termometro RTD e il vetrino coprioggetti.
   2. Modificare l'impostazione di potenza di uscita del circuito di controllo elettronico a TEC elemento modificando il duty cycle di impostazione di modulazione larghezza impulso e attendere 3 minuti per assicurarsi che la temperatura allo stato stazionario è raggiunto. Leggere la temperatura utilizzando il Termometro RTD.
   3. Disabilita la telecamera a infrarossi che guarda avanti e monitor della temperatura. Ripetere questa operazione con diverse impostazioni di potenza di uscita per ottenere la curva di calibrazione di temperatura. Una curva di calibrazione temperatura rappresentativa è mostrata in complementare figura 4.
      Nota: È fondamentale fare calibrazione tra Termometro RTD e la telecamera a infrarossi lungimirante, perché la lettura della temperatura della telecamera a raggi infrarossi previsionale dovrà essere accurata per garantire la corretta temperatura.

4. Cattura di microparticelle

1. diluire micro particelle di polistirene di µm di diametro 2 in acqua deionizzata in un microcentrifugetube con rapporto adeguato volume.
   Nota: La concentrazione di micro particelle può essere regolata secondo l'obiettivo dell'esperimento. Mentre la concentrazione più bassa consente un intervallo di tempo campione tra gli eventi di intrappolamento di singola particella, maggiore concentrazione accorcerà il tempo per intrappolamento delle particelle più. Per il trapping di singola particella, una concentrazione tipica è ~0.05% (w/v).
2. Mettere il campione con matrice di nanoplasmonic sul palco e accendere un 470 nm LED come la sorgente di luce di fluorescenza e impostare manualmente la potenza di 5 mW per l'imaging del campo luminoso.
3. Utilizzare il marcatore per individuare la matrice nanoplasmonic, allineare il campione e la telecamera CCD per assicurarsi che la matrice sia nel centro della regione di interesse sullo schermo del computer.
4. Dispensare 10 µ l del diluito micro particelle di diametro 2 µm sul campione con una pipetta.
5. Accendere il rifornimento corrente per il diodo laser di lunghezza d'onda 980 nm per eccitare la risonanza plasmonica della matrice con una potenza nella gamma ~ 1 mW a 10 mW.
6. Accendere manualmente l'alimentazione alla scheda elettronica di controllo per raffreddare il campione ad un stato stazionario temperatura ~ 4 ° C.
7. Nel software visualizzatore, scegliere il " registrare video " sequenza per aprire la finestra di dialogo di registrazione. Fare clic sul " record " pulsante per avviare la registrazione 1.5 del moto delle particelle micro a un frame rate di 10 fotogrammi/s sopra il campione sotto l'influenza del raggio laser utilizzando la telecamera CCD video. Fare clic sul " stop " pulsante per interrompere la registrazione. Guarda il Video 1.

Risultati

Traiettorie di singola particella sono state registrate da una telecamera CCD nel nostro esperimento e le immagini sono state poi elaborate con un programma personalizzato per estrarre traiettoria^{16 di ogni particella}. Risultati rappresentativi vengono visualizzati in Figura 3 e Video 1 per micro-sfere con diametro di 2 µm. più orpelli di particelle all'interno del reticolo ottico sono stati osservati. Successive imm...

Discussione

La procedura qui descritta consente al lettore di riprodurre in modo affidabile la registrazione dei colori su una base quotidiana. Regola empirica generale per progettare un reticolo ottico utilizzabile è quello di utilizzare una dimensione paragonabile per plasmoniche nanoarray, interdisc distanza e intrappolati dimensione delle particelle. Rispetto ad una singola, isolata Nanostrutture plasmoniche, il design di grata ottica in collaborazione con l'alto potere ottico accordato dal raffreddamento il campione a ~ 4 ° C...

Materiali

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