Questa ricerca è stata eseguita presso laboratorio nazionale Pacific Northwest (PNNL), che è funzionato dal Battelle Memorial Institute per il Department of Energy (DOE) sotto contratto no. DE-AC05-76RL01830. Gli autori riconoscono con gratitudine supporto dal U.S. Department of State, attraverso il tasto verifica patrimonio (fondo V) sotto Interagency accordo SIAA15AVCVPO10.

1. preparazione dei materiali <ol><li>inserire diversi wafer di silicio di 2 pollici in un vettore di quarzo per la pulizia e caricare i wafer di silicio nel plasma etching sistema. Svuotamento della camera del vuoto fino a raggiungere almeno 75 mTorr. Questo potrebbe richiedere alcuni minuti.</li>
	<li>Per avviare il flusso di gas di O 2 (30 sccm) e consentire la pressione si stabilizzi. Impostare il tempo di etch a 15 min. Una volta che la pressione dell'alloggiamento ha stabilizzato avviare il plasma di radiofrequenza (RF) 13,56 MHz 250 W. 
	Nota: Questo passaggio pulisce i wafer di silicio di qualsiasi organico contamina e functionalizes la superficie con idrossilati (-OH) garantendo una superficie idrofila moiety.</li>
	<li>Mentre in attesa per la pulizia al plasma passo per finire, rimuovere le nanosfere di polistirolo acquistate in commercio (170 nm di diametro, 10% di solidi, 0,5% sodio dodecil solfato) dal frigorifero (4 ° C). Consentire il contenitore a temperatura ambiente.</li>
	<li>Brevemente vortice (1 min) e Sonicare (35 kHz, 1 min) il polistirolo nanosfere per minimizzare nanosphere agglomerazione.</li>
	<li>In un flacone di vetro pulito, misurare 1,0 mL dei 170 nm polistirolo nanosfere e aggiungere 1,0 mL di H 2 O per ottenere una sospensione colloidale di 5% solidi.</li>
	<li>Dopo 15 min, fermare il flusso di O 2, sfogare la camera a vuoto e rimuovere i wafer appena puliti.</li>
</ol> 2. Rivestimento per rotazione del polistirolo nanosfere modello <ol><li>Scarica il silicio pulito wafer dall'incisore al plasma. Poi montare un wafer di 2 pollici sulla spin-coater. Assicurarsi che sia correttamente centrato e che l'o-ring sia libera da eventuali detriti. Avviare il vuoto e verificare che la cialda è saldamente alla fase.</li>
	<li>Impostare i parametri di rotazione di spin-coater. Questi parametri variano in base alla dimensione di nanosfere. Per una soluzione di 5% 170 nm nanosfere, impostare la spin-spalmatrice a un processo di 1 passaggio con un tempo di rotazione di 1 min, una velocità di 3.000 giri/min e un'accelerazione di 2.000 giri/min/s.</li>
	<li>Utilizzando una siringa monouso, ritirare ~ 1 mL di sospensione colloidale dal flaconcino. Mettere da parte il flaconcino. Prendere una siringa filtro 5 µm e metterla all'estremità della siringa. Deprimere la siringa fino a quando una goccia di sospensione Cancella la punta. Il filtro rimuove indesiderati aggregati e particolato che può ridurre significativamente la qualità della pellicola.</li>
	<li>Cassetta abbastanza sospensione direttamente sul centro del wafer tale che circa 2/3 della superficie è coperto. Tenta di ridurre al minimo le bolle perché quelli possono influenzare la qualità della pellicola. Chiudere il coperchio di spin coater e premere Start. Durante questo processo, è possibile vedere gli effetti di interferenza a film sottile sulla superficie del wafer come le nanosfere assemblarsi. Questo varia in base al diametro nanosphere.</li>
	<li>Rimuovere la cialda spin-rivestito dopo la disattivazione del vuoto. Pulire la ciotola e coperchio di spin-coater per rimuovere l'eccesso nanosfere.</li>
</ol> 3. Valutazione della qualità e preparazione per incisione della pellicola <ol><li>valutare visivamente la qualità del film auto-assemblati mediante la ricerca di difetti evidenti come striature o buchi che potrebbero essere stati causati dal particolato durante il processo di rivestimento per rotazione.</li>
	<li>Valutare la qualità del film inserendo il wafer sotto un microscopio ottico. Contorni di grano e alcuni difetti sono normali. Se la cialda ha grandi aree non rivestiti o multistrati ovvi, è necessario regolare i parametri di rotazione per ottenere una pellicola più uniforme. Microscopia elettronica può anche essere utilizzata per valutare la qualità del film.</li>
	<li>Attivare la sorgente di luce al microscopio e messa a fuoco sulla superficie del wafer di silicio utilizzando un obiettivo X 20. Valutare la qualità in diversi punti in tutta la cialda per assicurare uniformità.</li>
	<li>La qualità finale del film verifica consiste nell'utilizzare la microscopia elettronica a scansione (SEM) per visualizzare il trattamento nanosphere auto-assemblaggio su nanoscala. È possibile valutare il grado di multistrati, fori e grano limiti/difetti attraverso piccole porzioni del wafer relativamente rapidamente utilizzando questa tecnica.</li>
	<li>Una volta ottenuta una pellicola sufficiente, posizionare la cialda in un forno (107 ° C) per 2 min temprare le nanosfere auto-assemblate. Questo aiuta a incoraggiare l'adesione al substrato e produce una superficie nanostrutturata meglio dopo acquaforte.</li>
</ol> 4. Acquaforte, deposizione di metallo e caratterizzazione ottica <ol><li>caricare la cialda ricotta nell'incisore al plasma e avviare la pompa giù processo.</li>
	<li>Una volta che la camera a vuoto raggiunge almeno 75 mTorr, iniziare il flusso di gas di O 2 (20 sccm) e attendere che la pressione si stabilizzi. Avviare il plasma RF (75 W) per 165 s.</li>
	<li>Una volta completato il ciclo di plasma RF, fermare il flusso di O 2 e sfiatare la camera.</li>
	<li>Il substrato è ora incisa e pronta per la deposizione dei metalli. L'esempio di una macchina a polverizzazione di trasportare e depositare un sottile (20 nm) strato di oro. Variando gli angoli di deposizione può essere utilizzato per modificare le proprietà ottiche della nanocups. In questo caso, è stata eseguita la deposizione dei metalli normalmente incidente al substrato.</li>
	<li>Dopo la deposizione del metallo, il substrato può essere caratterizzato usando spettroscopia ottica. Focus microspectrophotometer sulla superficie del substrato metallizzato e misurare gli spettri di riflettanza. Per 170 nm inciso nanosphere matrici, la LSPR era a 615 nm.</li>
	<li>Nastro adesivo sensibile alla pressione di utilizzo, posizionare delicatamente la pellicola a contatto con il substrato. Può essere necessario rimuovere eventuali bolle d'aria che formata all'interfaccia utilizzando una pinzetta.</li>
	<li>Una volta che il nastro è in contatto con il substrato, il nastro può essere immediatamente stacca per rimuovere il nanocups dalla superficie del substrato. Delicatamente la buccia indietro il nastro e il risultato è un film flessibile e conformal di oro nanocups.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Fang, Y., Sun, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoplasmonic+waveguides:+towards+applications+in+integrated+nanophotonic+circuits.">Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits.</a> Light Sci Appl. 4, e294 (2015).</li><li>Li, J. F., Anema, J. R., Wandlowski, T., Tian, Z. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dielectric+shell+isolated+and+graphene+shell+isolated+nanoparticle+enhanced+Raman+spectroscopies+and+their+applications.">Dielectric shell isolated and graphene shell isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopies and their applications.</a> Chemical Society Reviews. 44 (23), 8399-8409 (2015).</li><li>Wang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+Area+Plasmonic+Color+Palettes+with+Expanded+Gamut+Using+Colloidal+Self-Assembly.">Large Area Plasmonic Color Palettes with Expanded Gamut Using Colloidal Self-Assembly.</a> ACS Photonics. , (2016).</li><li>Taylor, A. B., Michaux, P., Mohsin, A. S. M., Chon, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-beam+lithography+of+plasmonic+nanorod+arrays+for+multilayered+optical+storage.">Electron-beam lithography of plasmonic nanorod arrays for multilayered optical storage.</a> Optics Express. 22 (11), 13234-13243 (2014).</li><li>Endo, H., Mochizuki, Y., Tamura, M., Kawai, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+Functionalization+of+Periodically+Aligned+Metallic+Nanocup+Arrays+Using+Colloidal+Lithography+with+a+Sinusoidally+Wrinkled+Substrate.">Fabrication and Functionalization of Periodically Aligned Metallic Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography with a Sinusoidally Wrinkled Substrate.</a> Langmuir. 29 (48), 15058-15064 (2013).</li><li>Wang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Symmetry+breaking+in+individual+plasmonic+nanoparticles.">Symmetry breaking in individual plasmonic nanoparticles.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (29), 10856-10860 (2006).</li><li>Wollet, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmon+hybridization+in+stacked+metallic+nanocups.">Plasmon hybridization in stacked metallic nanocups.</a> Optical Materials Express. 2 (10), 1384-1390 (2012).</li><li>Duempelmann, L., Casari, D., Luu-Dinh, A., Gallinet, B., Novotny, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Color+Rendering+Plasmonic+Aluminum+Substrates+with+Angular+Symmetry+Breaking.">Color Rendering Plasmonic Aluminum Substrates with Angular Symmetry Breaking.</a> ACS Nano. 9 (12), 12383-12391 (2015).</li><li>King, N. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Angle-+and+Spectral-Dependent+Light+Scattering+from+Plasmonic+Nanocups.">Angle- and Spectral-Dependent Light Scattering from Plasmonic Nanocups.</a> ACS Nano. 5 (9), 7254-7262 (2011).</li><li>Mirin, N. A., Halas, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-Bending+Nanoparticles.">Light-Bending Nanoparticles.</a> Nano Letters. 9 (3), 1255-1259 (2009).</li><li>Eggleston, M. S., Messer, K., Zhang, L., Yablonovitch, E., Wu, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+antenna+enhanced+spontaneous+emission.">Optical antenna enhanced spontaneous emission.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (6), 1704-1709 (2015).</li><li>Bora, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmonic+black+metals+in+resonant+nanocavities.">Plasmonic black metals in resonant nanocavities.</a> Applied Physics Letters. 102 (25), 251105 (2013).</li><li>Akselrod, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+Nanosecond+Photoluminescence+from+Infrared+PbS+Quantum+Dots+Coupled+to+Plasmonic+Nanoantennas.">Efficient Nanosecond Photoluminescence from Infrared PbS Quantum Dots Coupled to Plasmonic Nanoantennas.</a> ACS Photonics. , (2016).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Questo protocollo viene illustrata una tecnica efficiente e a basso costo per la realizzazione di matrici periodiche di plasmonici nanocups oro. Questa tecnica è particolarmente vantaggiosa perché evita seriali processi top-down come Litografia a fascio di elettroni o fascio ionico focalizzato di fresatura. La tecnica presentata mostra che commercialmente disponibili nanosfere polimeriche auto-montabile in modo semplice per servire come un modello di dimensioni nano per l'ulteriore elaborazione.
<p class="jove_cont...

L'emergere di plasmonica in combinazione con migliorata nanofabbricazione e tecniche di sintesi hanno portato su una vasta gamma di entusiasmanti tecnologie come Sub-diffrazione limitata i circuiti, migliorata individuazione di prodotti chimici edi telerilevamento ottico 1 ,2,3. In questo protocollo, dimostriamo una tecnica relativamente a basso costo e scalabile in grado di fabbricare nanostrutturata plasmoniche substrati utilizzando nanosfere polimeriche commercialmente disponibili e un passo di acquaforte seguita dalla deposizione dei metalli. A differenza di altre tecniche per la realizzazione di substrati nanostrutturati, come elettrone fascio Litografia4, questa tecnica può rapidamente ed efficientemente essere scalata a wafer da 300 mm e oltre con minimo sforzo e usi un trasferimento passo per produrre flessibile e conformal film5.
Fin dall'epoca romana, abbiamo saputo che alcuni metalli come oro e argento possono avere proprietà ottiche brillanti quando essi sono finemente suddivisi. Oggi, abbiamo capito che queste particelle metalliche esibiscono un effetto chiamato la "risonanza plasmonica di superficie localizzata" (LSPR) quando le loro dimensioni si avvicinano alla nanoscala. LSPR è analoga a un'onda stazionaria in cui elettroni debolmente legati trovati nel metallo oscillano coerentemente quando luce di certe frequenze illumina le particelle di metallo. Anisotropici nanostrutture sono di particolare interesse perché uniche risonanze ottiche possono emergere a seguito di rottura6,7,8simmetria.
L'illuminazione delle strutture semi-guscio (nanocup) con la luce può eccitare dipolo elettrico o modalità di plasmon dipolo magnetico, a seconda di fattori quali l'angolo di deposizione del metallo, l'orientamento del substrato rispetto alla luce incidente e la polarizzazione della luce incidente9. Nanocups sono state spesso considerate analoghe a tridimensionale cerchietto risuonatori, in cui la frequenza di risonanza possa approssimate come un oscillatore LC10,11. La frequenza di risonanza per la dimensione di nanosfere polimeriche utilizzate qui (170 nm), la quantità di oro depositato (20 nm), e le tariffe di etch producono frequenze di risonanza che attraversa il visibile e vicino-IR.
Le proprietà ottiche di nanocups l'oro possono essere misurate in trasmissione o riflessione, a seconda del substrato utilizzato per spin-coating. Nel protocollo presentato, abbiamo scelto di utilizzare wafer di silicio 2 pollici come il substrato ed eseguire misure in riflettanza dopo deposizione metallica. Le misurazioni sono state eseguite utilizzando un microscopio accoppiato ad uno spettrometro dispersivo con una fonte di luce alogena. Abbiamo anche avuto successo con l'utilizzo di substrati di vetro, permettendo per le misure di riflessione e trasmissione immediatamente dopo la deposizione del metallo. Inoltre, questa tecnica è facilmente scalabile e non è limitata a wafer di 2 pollici. A causa della disponibilità commercio di nanosfere polimeriche monodisperse di alta qualità, è semplice per ottimizzare le proprietà ottiche di queste strutture semplicemente iniziando con nanosfere di dimensioni diverse.
In questo protocollo, una tecnica per fabbricare anisotropo oro mezzo guscio (o nanocup), nanostrutture utilizzando un metodo chiamato Litografia colloidale è dimostrato. Litografia colloidale utilizza auto-assemblaggio di altamente monodispersi nanosfere polimerici per campire rapidamente un substrato che può essere ulteriormente trasformato in un substrato plasmonico dopo polverizza rivestimento un sottile strato di oro. Allo stesso modo, è possibile accordare l'anisotropia del substrato inclinando il substrato del campione durante la deposizione dei metalli. Le strutture risultanti sono sensibili alla polarizzazione a causa dell'anisotropia della nanostruttura formata. Qui, dimostriamo un particolare eseguire decollo per trasferire le strutture ad una pellicola trasparente, flessibile e caratterizzazione ottica e di caso.

<table><tbody><tr><td>Polystyrene microspheres</td><td>Bangs Laboratories, Inc.</td><td>PS02N</td><td>170 nm &amp;ndash; 580 nm diameter</td></tr><tr><td>Silicon wafers</td><td>El-CAT, Inc.</td><td>3489</td><td>300 mm thick, one side polished [100]</td></tr><tr><td>Adhesive tape</td><td>3M</td><td>Scotch 600</td><td></td></tr><tr><td>Spin coater</td><td>Laurell</td><td>WS-650-23B</td><td></td></tr><tr><td>Plasma etcher</td><td>Nordson March&amp;nbsp;</td><td>AP-600</td><td></td></tr><tr><td>Microspectrophotometer</td><td>CRAIC</td><td>380-PV</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>VWR</td><td>97043-932</td><td></td></tr><tr><td>Scintillation vials</td><td>Wheaton</td><td>986734</td><td></td></tr><tr><td>5 um syringe filter</td><td>Millex</td><td>SLSV025LS</td><td></td></tr><tr><td>Oxygen gas</td><td>Oxarc</td><td>PO249&amp;nbsp;</td><td>Industrial Grade 99.5% purity</td></tr><tr><td>Vaccum pump</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>Edwards 28</td><td></td></tr><tr><td>Disposable syringes</td><td>Air Tite Products Co.</td><td>14-817-25</td><td>1 mL capacity</td></tr><tr><td>Water</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>W4502</td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithography

In anni recenti, il campo di plasmonica è esploso come i ricercatori hanno dimostrato interessanti applicazioni legate alla chimica e optical sensing in combinazione con nuove tecniche di nanofabbricazione. Un plasmon è un quantum di oscillazione di densità di carica che presta su scala nanometrica metalli come oro e argento proprietà ottiche uniche. In particolare, nanoparticelle di oro e argento presentano oscillazioni di densità di carica di risonanze-collettivo plasmonica di superficie localizzata sulla superficie del componente nanoparticella dello spettro visibile. Qui, ci concentriamo sulla fabbricazione di matrici periodiche di Nanostrutture plasmoniche anisotropo. Queste strutture semiguscio (o nanocup) possono esibire ulteriore unica luce-piegatura e polarizzazione dipendente dalla proprietà ottiche non è che semplice nanostrutture isotropo. I ricercatori sono interessati nella fabbricazione di matrici periodiche di nanocups per una vasta gamma di applicazioni quali dispositivi ottici a basso costo, Superficie-enhanced Raman scattering e indicazione di manomissione. Presentiamo una tecnica scalabile basata su Litografia colloidale in cui è possibile facilmente fabbricare grandi array periodico di nanocups tramite rivestimento per rotazione e self-assembled nanosfere polimeriche disponibili in commercio. La microscopia elettronica e spettroscopia ottica dal visibile all'infrarosso (vicino-IR) è stato effettuato per confermare il successo nanocup fabbricazione. Concludiamo con una dimostrazione del trasferimento di nanocups ad una pellicola adesiva flessibile, conformal.

Nanocups d'oro sono state preparate utilizzando 170 nm di diametro con nanosfere di polistirolo. Dopo ricottura per 2 min a 107 ° C e incisione con un 75 W, 20 sccm O2 plasma per 165 s, la pellicola risultante è stata caratterizzata mediante SEM (Figura 1). Per valutare la qualità del film spin-casted, ottica microscopia-in aggiunta alla ispezione visiva-maggio essere utilizzato (Figura 2). I film di alta qualità d...

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Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Dimostriamo la realizzazione di matrici periodiche nanocup oro utilizzando tecniche litografiche colloidale e discutere l'importanza di nanoplasmonic film.

Fabbricazione di matrici Nanocup oro periodica mediante Litografia colloidale

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

fabrication-periodic-gold-nanocup-arrays-using-colloidal

Research

JoVE Journal

Engineering

7.1K Views.  Energy and Environment Directorate. Dimostriamo la realizzazione di matrici periodiche nanocup oro utilizzando tecniche litografiche colloidale e discutere l'importanza di nanoplasmonic film.

Video: Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

A Technique to Functionalize and Self-assemble Macroscopic Nanoparticle-ligand Monolayer Films onto Template-free Substrates

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and scalable technique efficiently functionalizes metallic nanoparticles with thiol-ligands in a miscible water/organic solvent mixture allowing for rapid grafting of thiol groups onto the gold nanoparticle surface. The hydrophobic ligands on the nanoparticles then quickly phase separate the nanoparticles from the aqueous based suspension and confine them to the air-fluid interface. This drives the ligand-capped nanoparticles to form monolayer domains at the air-fluid interface.&#160; The use of water-miscible organic solvents is important as it enables the transport of the nanoparticles from the interface onto template-free substrates.&#160; The flow is mediated by a surface tension gradient3,4 and creates macroscopic, high-density, monolayer nanoparticle-ligand films.&#160; This self-assembly technique may be generalized to include the use of particles of different compositions, size, and shape and may lead to an efficient assembly method to produce low-cost, macroscopic, high-density, monolayer nanoparticle films for wide-spread applications.

A simple, robust and scalable technique to functionalize and self-assemble macroscopic nanoparticle-ligand monolayer films onto template-free substrates is described in this protocol.

Una tecnica di funzionalizzare e Self-montare macroscopiche nanoparticelle-ligando monostrato Films su substrati privi di modello

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and ...

Ricerca

Chimica

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic nanoscale patch antennas. This includes a detailed procedure for the fabrication of thin films with a well-controlled thickness over macroscopic areas using layer-by-layer deposition of polyelectrolyte polymers, namely poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and polystyrene sulfonate (PSS). These polyelectrolyte spacer layers serve as a dielectric gap in between silver nanocubes and a gold film. By controlling the size of the nanocubes or the gap thickness, the plasmon resonance can be tuned from about 500 nm to 700 nm. Next, we demonstrate how to incorporate organic sulfo-cyanine5 carboxylic acid (Cy5) dye molecules into the dielectric polymer gap region of the nanopatch antennas. Finally, we show greatly enhanced fluorescence of the Cy5 dyes by spectrally matching the plasmon resonance with the excitation energy and the Cy5 absorption peak. The method presented here enables the fabrication of plasmonic nanopatch antennas with well-controlled dimensions utilizing colloidal synthesis and a layer-by-layer dip-coating process with the potential for low cost and large-scale production. These nanopatch antennas hold great promise for practical applications, for example in sensing, ultrafast optoelectronic devices and for high-efficiency photodetectors.

A protocol for the colloidal synthesis of silver nanocubes and fabrication of plasmonic nanoscale patch antennas with sub-10 nm gaps is presented.

Colloidale Sintesi di Nanopatch Antenne per applicazioni in Plasmonics e nanofotonica

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Ingegneria

Microfabrication of Nanoporous Gold Patterns for Cell-material Interaction Studies

Nanostructured materials with feature sizes in tens of nanometers have enhanced the performance of several technologies, including fuel cells, biosensors, biomedical device coatings, and drug delivery tools. Nanoporous gold (np-Au), produced by a nano-scale self-assembly process, is a relatively new material that exhibits large effective surface area, high electrical conductivity, and catalytic activity. These properties have made np-Au an attractive material to scientific community. Most studies on np-Au employ macro-scale specimens and focus on fundamental science of the material and its catalytic and sensor applications. The macro-scale specimens limit np-Au's potential in miniaturized systems, including biomedical devices. In order to address these issues, we initially describe two different methods to micropattern np-Au thin films on rigid substrates. The first method employs manually-produced stencil masks for creating millimeter-scale np-Au patterns, while the second method uses lift-off photolithography to pattern sub-millimeter-scale patterns. As the np-Au thin films are obtained by sputter-deposition process, they are compatible with conventional microfabrication techniques, thereby amenable to facile integration into microsystems. These systems include electrically-addressable biosensor platforms that benefit from high effective surface area, electrical conductivity, and gold-thiol-based surface bioconjugation. We describe cell culture, immunostaining, and image processing techniques to quantify np-Au's interaction with mammalian cells, which is an important performance parameter for some biosensors. We expect that the techniques illustrated here will assist the integration of np-Au in platforms at various length-scales and in numerous applications, including biosensors, energy storage systems, and catalysts.

We report on techniques to micropattern nanoporous gold thin films via stencil printing and photolithography, as well as methods to culture cells on the microfabricated patterns. In addition, we describe image analysis methods to characterize morphology of the material and the cultured cells using scanning electron and fluorescence microscopy techniques.

Microfabrication di Patterns Oro nanoporosi per Cell-materiali Interaction Studies

Nanostructured materials with feature sizes in tens of nanometers have enhanced the performance of several technologies, including fuel cells, biosensors, ...

Bioingegneria

A Label-free Technique for the Spatio-temporal Imaging of Single Cell Secretions

Inter-cellular communication is an integral part of a complex system that helps in maintaining basic cellular activities. As a result, the malfunctioning of such signaling can lead to many disorders. To understand cell-to-cell signaling, it is essential to study the spatial and temporal nature of the secreted molecules from the cell without disturbing the local environment. Various assays have been developed to study protein secretion, however, these methods are typically based on fluorescent probes which disrupt the relevant signaling pathways. To overcome this limitation, a label-free technique is required.
In this paper, we describe the fabrication and application of a label-free localized surface plasmon resonance imaging (LSPRi) technology capable of detecting protein secretions from a single cell. The plasmonic nanostructures are lithographically patterned onto a standard glass coverslip and can be excited using visible light on commercially available light microscopes. Only a small fraction of the coverslip is covered by the nanostructures and hence this technique is well suited for combining common techniques such as fluorescence and bright-field imaging.
A multidisciplinary approach is used in this protocol which incorporates sensor nanofabrication and subsequent biofunctionalization, binding kinetics characterization of ligand and analyte, the integration of the chip and live cells, and the analysis of the measured signal. As a whole, this technology enables a general label-free approach towards mapping cellular secretions and correlating them with the responses of nearby cells.

Inter-cellular communication is critical for controlling various physiological activities within and outside the cell. This paper describes a protocol for measuring the spatio-temporal nature of single cell secretions. To achieve this, a multidisciplinary approach is used which integrates label-free nanoplasmonic sensing with live cell imaging.

Una tecnica senza etichetta per l&#39;Imaging spazio-temporale delle secrezioni monocellulari

Inter-cellular communication is an integral part of a complex system that helps in maintaining basic cellular activities. As a result, the malfunctioning ...

Large Area Substrate-Based Nanofabrication of Controllable and Customizable Gold Nanoparticles Via Capped Dewetting

Recent scientific advances in the utilization of metallic nanoparticle for enhanced energy conversion efficiency, improved optical device performance, and high-density data storage have demonstrated the potential benefit of their use in industrial applications. These applications require precise control over nanoparticle size, spacing, and sometimes shape. These requirements have resulted in the use of time and cost intensive processing steps to produce nanoparticles, thus making the transition to industrial application unrealistic. This protocol will resolve this issue by providing a scalable and affordable method for the large-area production of nanoparticle films with improved nanoparticle control compared to the current techniques. In this article, the process will be demonstrated with gold, but other metals can also be used.

This protocol details a novel nano-manufacturing technique that can be used to make controllable and customizable nanoparticle films over large areas based on the self-assembly of dewetting of capped metal films.

Grande Area nanofabbricazione di substrato a base di nanoparticelle di oro controllabile e personalizzabile tramite ridotta bagnabilità

Recent scientific advances in the utilization of metallic nanoparticle for enhanced energy conversion efficiency, improved optical device performance, and ...

A Femtoliter Droplet Array for Massively Parallel Protein Synthesis from Single DNA Molecules

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and chemical research. To meet the demand for high-performance microreactors, we developed a femtoliter droplet array (FemDA) device and exemplified its application in massively parallel cell-free protein synthesis (CFPS) reactions. Over one million uniform droplets were readily generated within a finger-sized area using a two-step oil-sealing protocol. Every droplet was anchored in a femtoliter microchamber composed of a hydrophilic bottom and a hydrophobic sidewall. The hybrid hydrophilic-in-hydrophobic structure and the dedicated sealing oils and surfactants are crucial for stably retaining the femtoliter aqueous solution in the femtoliter space without evaporation loss. The femtoliter configuration and the simple structure of the FemDA device allowed minimal reagent consumption. The uniform dimension of the droplet reactors made large-scale quantitative and time-course measurements convincing and reliable. The FemDA technology correlated the protein yield of the CFPS reaction with the number of DNA molecules in each droplet. We streamlined the procedures about the microfabrication of the device, the formation of the femtoliter droplets, and the acquisition and analysis of the microscopic image data. The detailed protocol with the optimized low running cost makes the FemDA technology accessible to everyone who has standard cleanroom facilities and a conventional fluorescence microscope in their own place.

The overall goal of the protocol is to prepare over one million ordered, uniform, stable, and biocompatible femtoliter droplets on a 1 cm2 planar substrate that can be used for cell-free protein synthesis.

Un array di gocciole del femtolitro per sintesi proteica massicciamente parallela da molecole di DNA singolo

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and ...

Gold Nanoparticle Synthesis

Gold nanoparticles (Au nanoparticles) that are ~12 nm in diameter were synthesized by rapidly injecting a solution of 150 mg (0.15 mmol) of tetrachloroauric acid in 3.0 g (3.7 mmol, 3.6 mL) of oleylamine (technical grade) and 3.0 mL of toluene into a boiling solution of 5.1 g (6.4 mmol, 8.7 mL) of oleylamine in 147 mL of toluene. While boiling and mixing the reaction solution for 2 hours, the color of the reaction mixture changed from clear, to light yellow, to light pink, and then slowly to dark red. The heat was then turned off, and the solution was allowed to gradually cool down to room temperature for 1 hour. The gold nanoparticles were then collected and separated from the solution using a centrifuge and washed three times; by vortexing and dispersing the gold nanoparticles in 10 mL portions of toluene, and then precipitating the gold nanoparticles by adding 40 mL portions of methanol and spinning them in a centrifuge. The solution was then decanted to remove any remaining byproducts and unreacted starting materials. Drying the gold nanoparticles in a vacuum environment produced a solid black pellet; which could be stored for long periods of time (up to one year) for later use, and then redissolved in organic solvents such as toluene.

A protocol for synthesizing ~12 nm diameter gold nanoparticles (Au nanoparticles) in an organic solvent is presented. The gold nanoparticles are capped with oleylamine ligands to prevent agglomeration. The gold nanoparticles are soluble in organic solvents such as toluene.

Sintesi della nanoparticella d'oro

Gold nanoparticles (Au nanoparticles) that are ~12 nm in diameter were synthesized by rapidly injecting a solution of 150 mg (0.15 mmol) of ...

Versatile Technique to Produce a Hierarchical Design in Nanoporous Gold

The potential to generate variable pore sizes, simplistic surface modification, and a breadth of commercial uses in the fields of biosensors, actuators, drug loading and release, and the development of catalysts have unquestionably accelerated the usage of nanoporous gold (NPG)-based nanomaterials in research and development. This article describes the process of the generation of hierarchical bimodal nanoporous gold (hb-NPG) by employing a step-wise procedure involving electrochemical alloying, chemical dealloying techniques, and annealing to create both macro- and mesopores. This is done to improve the utility of NPG by creating a bicontinuous solid/void morphology. The area available for surface modification is enhanced by smaller pores, while molecular transport benefits from the network of larger pores. The bimodal architecture, which is the result of a series of fabrication steps, is visualized using scanning electron microscopy (SEM) as a network of pores that are less than 100 nm in size and connected by ligaments to larger pores that are several hundred nanometers in size. The electrochemically active surface area of the hb-NPG is assessed using cyclic voltammetry (CV), with a focus on the critical roles that both dealloying and annealing play in creating the necessary structure. The adsorption of different proteins is measured by solution depletion technique, revealing the better performance of hb-NPG in terms of protein loading. By changing the surface area to volume ratio, the created hb-NPG electrode offers tremendous potential for biosensor development. The manuscript discusses a scalable method to create hb-NPG surface structures, as they offer a large surface area for the immobilization of small molecules and improved transport pathways for faster reactions.

Nanoporous gold with a hierarchical and bimodal pore size distribution can be produced by combining electrochemical and chemical dealloying. The composition of the alloy can be monitored via EDS-SEM examination as the dealloying process advances. The material's loading capacity can be determined by studying protein adsorption onto the material.

Tecnica versatile per produrre un design gerarchico in oro nanoporoso

The potential to generate variable pore sizes, simplistic surface modification, and a breadth of commercial uses in the fields of biosensors, actuators, ...

Large-area Scanning Probe Nanolithography Facilitated by Automated Alignment and Its Application to Substrate Fabrication for Cell Culture Studies

Scanning probe microscopy has enabled the creation of a variety of methods for the constructive (&#39;additive&#39;) top-down fabrication of nanometer-scale features. Historically, a major drawback of scanning probe lithography has been the intrinsically low throughput of single probe systems. This has been tackled by the use of arrays of multiple probes to enable increased nanolithography throughput. In order to implement such parallelized nanolithography, the accurate alignment of probe arrays with the substrate surface is vital, so that all probes make contact with the surface simultaneously when lithographic patterning begins. This protocol describes the utilization of polymer pen lithography to produce nanometer-scale features over centimeter-sized areas, facilitated by the use of an algorithm for the rapid, accurate, and automated alignment of probe arrays. Here, nanolithography of thiols on gold substrates demonstrates the generation of features with high uniformity. These patterns are then functionalized with fibronectin for use in the context of surface-directed cell morphology studies.

Here we present a protocol for wide-area scanning probe nanolithography enabled by the iterative alignment of probe arrays, as well as the utilization of lithographic patterns for cell-surface interaction studies.

Grande area scansione sonda nanolitografia nei paraggi allineamento automatico e sua applicazione alla fabbricazione di substrato per gli studi della coltura delle cellule

Scanning probe microscopy has enabled the creation of a variety of methods for the constructive (&#39;additive&#39;) top-down fabrication of ...

Fabrication of Gradient Nanopattern by Thermal Nanoimprinting Technique and Screening of the Response of Human Endothelial Colony-forming Cells

Nanotopography can be found in various extracellular matrices (ECMs) around the body and is known to have important regulatory actions upon cellular reactions. However, it is difficult to determine the relation between the size of a nanostructure and the responses of cells owing to the lack of proper screening tools. Here, we show the development of reproducible and cost-effective gradient nanopattern plates for the manipulation of cellular responses. Using anodic aluminum oxide (AAO) as a master mold, gradient nanopattern plates with nanopillars of increasing diameter ranges [120-200&#8239;nm (GP 120/200), 200-280&#8239;nm (GP 200/280), and 280-360&#8239;nm (GP 280/360)] were fabricated by a thermal imprinting technique. These gradient nanopattern plates were designed to mimic the various sizes of nanotopography in the ECM and were used to screen the responses of human endothelial colony-forming cells (hECFCs). In this protocol, we describe the step-by-step procedure of fabricating gradient nanopattern plates for cell engineering, techniques of cultivating hECFCs from human peripheral blood, and culturing hECFCs on nanopattern plates.

Here, we present a protocol for the fabrication of gradient nanopattern plates via thermal nanoimprinting and the method of screening responses of human endothelial progenitor cells to the nanostructures. By using the described technology, it is possible to produce a scaffold that can manipulate cell behavior by physical stimuli.

Fabbricazione di GNSM gradiente termico Nanoimprinting tecnica e Screening della risposta delle cellule endoteliali umane formanti colonie

Nanotopography can be found in various extracellular matrices (ECMs) around the body and is known to have important regulatory actions upon cellular ...