監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

要約

プラズモニックピンセットを組み込んだマイクロチップの製造プロセスは、ここで提示されます。マイクロチップは、最大トラッピング力を測定するためにトラップされた粒子の画像化を可能にします。

要約

プラズモニックピンセットは、分極性ナノスケール物体を閉じ込めるために、表面プラズモンポラリトンを使用します。プラズモニックピンセットの様々なデザインの中に、わずか数は、固定化粒子を観察することができます。また、研究の限られた数は、実験的に粒子にexertable力を測定しました。設計は、突出ナノディスク型又は抑制ナノホールのタイプに分類することができます。後者のために、顕微鏡観察は非常に困難です。この論文では、新たなプラズモンピンセットシステムは、プラズモニックナノホール構造体の対称軸に平行及び垂直方向の両方において、粒子を監視するために導入されます。この機能は、ナノホールの縁の近くに、各粒子の動きを観察することを可能にします。さらに、我々は定量的に新しい流体チャネルを使用して最大トラッピング力を推定することができます。

概要

マイクロスケールのオブジェクトを操作する能力は、多くのマイクロ/ナノ実験のために不可欠な機能です。直接接触操作は、操作対象物に損傷を与えることができます。以前に開催されたオブジェクトを解放するためにもスティクション問題の挑戦です。これらの問題を克服するために、流体^1、電気^2、磁気^3、又はフォトニック力^{4、5、6、7を}使用して、いくつかの間接的な方法は^、8が提案されています。フォトニック力を使用プラズモンピンセットは、入射強度⁹より大きい臨時フィールド強化数桁の物理学に基づいています。この非常に強い電場増強が非常に小さいナノ粒子の捕獲を可能にします。例えば、ナノスケールを固定化して操作することが示されていますポリスチレン粒子^{7、10、11、12、13、14、}ポリマー鎖^15、タンパク質^16、量子ドット^17、及びDNA分子^8、18などのオブジェクト、。彼らは、彼らが効果的に検討される前に素早く消えたりするので、彼らはレーザーの高強度のために破損しているため、プラズモニックピンセットがなければ、それはトラップナノ粒子することは困難です。

多くのプラズモンの研究では、様々なナノスケールの金の構造を使用していました。我々は、ナノディスクタイプ^{12、13、14、15、19を}突出として金構造を分類することができアップ^、20、21又は抑制ナノホールタイプ^{7、8、10、11、22、23。}後者のために、金基板は観察視野を妨げることができるので、撮像利便性の観点から、ナノディスクタイプがナノホールタイプよりも適しています。また、プラズモントラッピングは、プラズモニック構造の近くに発生し、観察がさらに困難となります。我々の知る限り、ナノホールタイプのプラズモニックトラッピングは間接的な散乱信号を使用して検証しました。しかし、そのような顕微鏡画像など何の成功の直接観察は、報告されていません。いくつかの研究では、捕捉された粒子の位置を記載しています。そのような結果は、Wang らによって発表されました。彼らは、金基板上の金柱を作成し、Pを観察しました蛍光顕微鏡^24を用いて文書運動。しかしながら、これは、ビーム軸に平行な方向にない横方向の動きを監視するためにのみ有効です。

本稿では、新しい流体マイクロチップの設計および製造手順をご紹介します。このチップを使用して、我々は、プラズモンナノ構造に平行と直交する方向の両方において、plasmonically捕捉された粒子のモニタリングを示します。さらに、我々はマイクロチップで転換速度を見つけるために、流体の速度を増加させることにより、固定化された粒子の最大の力を測定します。プラズモニックピンセットで最も研究が定量的に彼らの実験装置で使用される最大トラッピング力を示すことができないので、この研究では、ユニークです。

プロトコル

注意：使用前にすべての関連材料の安全規制を参照してください。マイクロチップ製造に用いられる化学物質のいくつかは、急性毒性と発癌性です。工学的制御（ドラフト、ホットプレート、およびアライナー）と個人用保護具（安全眼鏡、手袋、実験室コート、全長パンツ、及び閉鎖の使用を含む、フォトリソグラフィ及びエッチング工程を行う場合、すべての適切な安全対策を使用してください-toe靴）。

PDMSマイクロチャンネルの1製作

1. フォトリソグラフィプロセスによるマイクロチャネル型の作製
   1. 完全にピラニア洗浄（ 図1a）と4インチSiウェハ表面上の異物を除去します。皿にピラニア溶液を作るために1：3の割合で硫酸（H ₂ SO _4）と過酸化水素（H ₂ O _{2） を}混合します。徐々に強い酸の少量（H ₂ Oを加えることにより混合 _{2）弱酸（H 2 SO 4）であり;この順序を逆にしているため、反応性の高い強酸の爆発を引き起こす可能性があります。}
   2. 10分間ピラニア溶液にウェーハを浸します。その後、残りのピラニア溶液を除去するために、3分間脱イオン（DI）水にウェーハを浸します。 10秒間DI水を流しながら、ウエハをすすぎます。残りのDIを除去するために洗浄手順を3回及びN ₂ガスと乾燥を繰り返します。
   3. さらに、ウェハを脱水し、180℃で20分間ホットプレート上のウエハを置きます。
   4. 1,500rpmで（ 図1b）で45秒間ウェハ5の上にネガ型フォトレジストmLのスピンコートを注ぎます。スピンコートした後、フォトレジストビードがあるため、フォトレジストの比較的高い粘度のウェハエッジで作成されます。
   5. 5時間レベリングスタンド上に平坦化することによって、フォトレジストで被覆されたウェハのバランスをとります。
   6. 65℃で12分間、ホットプレート上のフォトレジスト被覆ウェハを置き°C、95°Cで35分間、および65℃（ソフトベーク）で12分。
   7. マスクホルダと露光装置の基板ステージ上のソフトベークウェハ上の膜マスクを固定します。フォトレジストを固化するために650ミリジュール/ cm ²で43秒間紫外線（UV）光にさらします。
   8. 65°C、95°Cで15分間、および65℃（露光後ベーク）で5分で5分間、ホットプレート上のウエハを置きます。
   9. 未凝固フォトレジストを除去するために30分間フォトレジスト現像液中にウエハを浸します。
   10. 残りのIPAを除去するために、イソプロピルアルコール（IPA）とN ₂ガスを用いたドライウエハをすすぎます。
2. PDMSマイクロチャネルの製造
   1. ウェハの表面とフォトレジストの型は、大気圧プラズマ装置^25を用いて、W 200のパワーで1分間処置します。 CH ₄のガス流は、彼は、それぞれ、6および30 SCCMであるべきです。簡単にポリDを切り離すために、この疎水化処理を実行しimethylsiloxaneウェハおよびフォトレジスト型の表面から（PDMS）マイクロチャネル（ 図1c）。
   2. PDMSベースを混合し、10の割合で硬化剤によってPDMS溶液を調製する：1。 2分間混合物を撹拌しました。
   3. ペトリ皿内のウェハ（150ミリメートル×15 mm）を置き、PDMS溶液100mlを加えます。デシケーターを使用して攪拌から作成された気泡を除去。
   4. PDMS溶液（ 図1d及びh）を固化するために80℃で2時間オーブン中でペトリ皿を置き。
   5. カミソリの刃を用いてPDMSマイクロチャネルの輪郭に沿って切断し、ウェハからそれを取り外します。 13ミリメートル、長さ300μm、幅および150μmの高い（ 図1E、F、およびI）：作製PDMSマイクロチャネルは、以下の寸法を有するべきです。
      注：穴の2種類のシングルモードファイバ（SMF）ケーブルおよびチューブを挿入するために、微小穿刺によって製造される（入口PDMSマイクロチャネル（ 図1グラムにND出口））。 SMFケーブルは、金板に粉砕されたナノホールのレーザ光を出射するために使用されます。チューブは、挿入/ PDMSマイクロチャネルへの/からの粒子溶液を抽出するために使用されます。
   6. PDMSマイクロチャネルの各端部で1.5mmの入口及び出口穴を穿刺。 PDMSマイクロチャネルの中心に0.3mmのSMFケーブル穴を穿刺します。

ゴールドプレートの2エッチング工程

1. 25×6.25ミリメートル^2（ 図2a）の寸法を有する市販の金プレートを準備します。
2. 以下の清掃手順でゴールドプレート上の任意の異物を取り除きます。 5分ごとに、アセトン、メタノール、およびDI水に浸漬することにより、次の順序でクリーン。
3. 10秒間金板をDI水で3回リンスし、残りのDI水を除去するためにN ₂ガスを用いてプレートを乾燥。
4. ホットプレートの上に金のプレートを置き完全に残っている水分を除去するために180℃で20分。
5. 3000rpmで40秒間金板及びスピンコート上にヘキサメチルジシラザン（HMDS）の0.5mLのを注ぎます。
6. 3,000rpmで40秒間スピンコートHMDSのトップスピンコート上にポジ型フォトレジストの0.5mLを注ぐ（ 図2b）。
7. 110°C（ソフトベーク）で90秒間ホットプレート上にフォトレジストでコーティングされた金板を置き。
8. ガラスウェーハ上のフィルムマスクを固定し、基板ステージ上にソフトベーク金板を置き。フォトレジストを溶解するために64ミリジュール/ cm ²で4.5秒間UV光に公開します。
9. 溶解したフォトレジスト（ 図2c）を除去するために1分間のフォトレジスト現像液に金プレートを浸し。 DI水を用いて金プレートをリンスし、N ₂ガスを用いたドライ。
10. 露出したAu（ 図2d）を除去するために、28オングストローム/秒のエッチング速度で45秒間のAuエッチング液に金プレートを浸し。 DIウォートに金プレートをすすぎますRとN ₂ガスを用いたドライ。
11. 露出したTi（ 図2e）を除去するために、25オングストローム/秒のエッチング速度で5秒間のTiエッチング液に金プレートを浸し。 DI水を用いて金プレートをリンスし、N ₂ガスを用いたドライ。
12. 3分毎（ 図2F）、アセトン、メタノール、および脱イオン水に浸漬することにより、金板上に残ったフォトレジストを除去します。書かれた順序でプレートを浸します。
13. 10秒間金板をDI水で3回リンス。 DI水を除去するためにN _2つのガスを用いたドライ。
14. 完全に水分を除去し、120℃で3分間、ホットプレート上で金板を置き、生成金ブロックは400×150μmの^2（ 図2H）であるべきです。
15. ミル（ 図2Gおよびi）をエッチングした後に作製した金ブロックの中心に集束イオンビーム（FIB）を用いて400 nmのナノホール。金BLに集中する370 nmの円形パターンを作成します。3秒間28 Paの30キロボルトの電圧を加速イオンとOCK。

マイクロチップの3組立

1. 80 Wの電力でプラズマシステムおよび825ミリトール²⁵の圧力と一緒にそれらを取り付けるためにO ₂プラズマで1分間PDMSマイクロチャネル及び金プレートの2つの面を扱います。
   注：金ブロックとPDMSマイクロチャネルは、マイクロメートルレベルであるため、それは正確にそれらを添付すること、特に困難です。従って、カメラとマニュアルステージで露光を使用します。
2. アライナー（ 図3a）のマスクホルダにフィルムマスクを取り付けるために使用されたガラスウェハを固定します。
3. ガラスウェーハにO ₂ -プラズマ処理したPDMSマイクロチャネルを取り付けます。 PDMSは親水性であるので、それは簡単に任意の接着液ずにガラスウェハに付着します。アライナー（ 図3a）の基板ステージ上に金プレートを固定します。
4. 目の中心の位置を確認しますアライナのカメラを使用して、同一の軸上に整列されているE SMFケーブル穴と金ブロック、。二つの部分（ 図3BおよびC）を組み合わせること手動ステージを持ち上げ。

PDMSコーティングすることにより、マイクロチップ側の表面粗さの改善4。

注：400×150μmの²の固定された寸法を有する金板は、PDMS材料よりも切り出すことは比較的困難です。したがって、ウェハからPDMSマイクロチャネルを分離するために、カミソリの刃は、金板より大きい片を切り出すために使用されます。チャネルの内部を顕微鏡（ 図4a）を使用して側から観察できるように、2つの部品を結合した後、金プレートに対してPDMSの過剰部分は、その後、切断しなければなりません。しかし、窓として使用される切断面は、高い表面粗さを有し、その結果、チャネルに流れる粒子の濁った画像（ 図を生成します図4b）。 PDMS溶液によるコーティングは、この問題を解決するために再度行われます。

1. 10でエージェントをPDMSベースを混合し、硬化させることによりPDMS溶液を調製する：1比、2分間撹拌しました。
2. ペトリ皿にPDMS溶液2mLを注ぎ、1,000rpmで（ 図4c）で30秒間スピンコートを行います。
3. ペトリ皿（ 図4d）上の顕微鏡上に配置されようとしているマイクロチップの表面を置き。 PDMS溶液を固化するために80℃で1時間オーブン中でペトリ皿を置き。
4. カミソリの刃を使用して、マイクロチップ及びPDMSの境界線を切断し、その後ペトリ皿（ 図4E、F）からそれを取り外します。

5.レーザーカップリングマイクロチップにSMFケーブルを挿入します

注：プラズモニックピンセットシステムでは、1,064 nmの波長を有する光ファイバの入射レーザが使用されます。 SMFケーブルはINCIの直径ために使用され窪みレーザ（5mm）をマイクロチップ中の金のブロック（400×150μmの^2）に粉砕ナノホールのレーザビームを放出するように、あまりにも巨大です。 SMFケーブルのクラッド径は125μmです。これにより、入射レーザとSMFケーブルが連結されなければなりません。

1. SMFカプラにマウント顕微鏡対物レンズに40倍の対物レンズを接続します。 SMFカプラのファイバクランプにSMFケーブルを固定します。対物レンズの後方開口部に充填する入射レーザビームを整列させます。
2. SMFカプラに備えた三軸手動ステージを調整することにより、SMFケーブルのコアにレーザビームの焦点を合わせます。
3. マイクロチップのSMFケーブル穴にSMFケーブルの反対側の端部を挿入します。マイクロチップに固定された光ファイバケーブルを取り外すことができないので、光ファイバケーブルの端部に挿入前にレーザパワーを測定します。
4. SMFキャブとの間の隙間から流れる粒子溶液の漏れを阻止するためにエポキシ接着剤を使用して、SMFケーブル穴をシールル穴（300ミクロン）とSMFケーブル（125ミクロン）のクラッディング。挿入された光ファイバケーブルの端部は、流体の流れを回避するために、マイクロチャネルに入るべきではありません。手動では、ナノホールをホスト金ブロックに対して垂直になるように視覚的なフィードバックを使用してファイバケーブルを整列させます。

マイクロチップでの単一の蛍光ポリスチレン粒子の6プラズモニックトラッピング

1. シリンジマイクロポンプに、粒子溶液が充填されている注射器を取り付けます。蛍光顕微鏡の試料ステージ上にカバーガラスを置きます。マイクロチップの入口/出口穴にチューブを接続します。カバーガラスの上にPDMSコーティングされたマイクロチップの表面を置き。
2. 蛍光顕微鏡上に設置されたカメラを用いてチャネルの内部を観察することによって60X水浸対物レンズに直交マイクロチップを位置決めします。所定の位置にマイクロチップを修正するために透明テープを使用してください。シリンジNEとマイクロチップのインレットチューブを接続edle。
3. 20ミクロン/秒でマイクロポンプを制御することにより、マイクロチップに粒子溶液を挿入します。このとき、蛍光灯がオンされたときに蛍光体粒子がチャネルに良好に観察することができることを確認します。
4. 粒子溶液は、マイクロチップの出口から出るまで待ってください。 3.4ミクロン/ sの速度を設定します。
5. それはナノホールにレーザを出射するようにレーザ光源装置をオン。蛍光体粒子は、ナノホールの縁に捕捉されます。
6. 捕捉された粒子エスケープまでマイクロポンプを制御することにより、0.4ミクロン/秒の増分で流体速度をランプ。捕捉された粒子が脱出する際に流体の速度を測定します。この測定流体の速度を使用して、各レーザ強度の最大トラッピング力を得ます。

結果

PDMSマイクロチャネルとナノホール金板の製造プロセスは、 図1及び図 2に示されています。二つの部分を結合する方法と実際のマイクロチップは、 図3に示されています。 PDMSマイクロチップの側からチャネルの内部を明らかにするために切断しました。しかし、理由は切断面の表面粗さの流路内を流れる粒子を観察?...

ディスカッション

図6aの矩形ドットに示すようにSMFケーブルは、マイクロチップ上のSMFケーブル穴に挿入しました。 SMFケーブル穴は、ケーブル径よりも大きいので、エポキシ接着剤は、流動粒子溶液の漏れを阻止するためにギャップをシールするために使用しました。エポキシ接着剤の適用前に、金ブロックとケーブル端が同軸顕微鏡を用いて手で整列されるべきです。それが挿入されたケーブ?...

資料

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