我々はカナダディスカバリーグラントの自然科学·工学研究会議（NSERC）から、このパブリケーションと資金を後援するためのThorlabsを認める。私たちは、このビデオの記事のメイキングでの生産支援のためにブライスCyrさんとダグラスRennehanに感謝します。

SIBAトラッピング技術の原理を図1に示します。 図2に実験装置の概略図である。 1。光トラッピングセットアップ手順のこのセクションについては、キットのセットアップの詳細については光トラッピングキットマニュアル9または光学式力計測モジュール取扱説明書10を参照してください。アバランシェフォトダイオード（APD）は象限位置検出器の代わりに使用されることに注意してください。光トラッピングキットに含まれていないネジは、キャップスクリューとハードウェア·キット（Thorlabs、HW-KIT2）のものを使用します。レーザーがオンのときに目の保護具を常に着用する。ビームは安全な領域内に含まれており、そのような宝石のような反射アクセサリーは、避けるべきであることを確認してください。レーザダイオードを取り扱うときにも、静電放電保護が賢明です。 <ol><li>光ピンセットキット（Thorlabs、OTKB / M）と力measを設定するそれぞれの製品の取扱説明書に従ってurementモジュール（Thorlabs、OTKBFM）。シリコンベースのアバランシェフォトダイオード（APD）（Thorlabs、APD110A）は象限位置検出器は、力測定モジュールの（Thorlabs、OTKBFM）の代わりに使用されます。 </li><li>同軸ケーブルを介してオシロスコープ（Tektronics、TDS1012）にAPDを接続します。 </li><li>ビームエキスパンダー内部半波長板（Thorlabs、AHWP05M-980）を追加します。半波長板が2つのレンズチューブ（Thorlabs、SM1L03）との間で締結されている。 </li></ol> 2。ナノファブリケーション<ol><li> 4同一のピースに金コーティングテストスライド（EMF社は、Cr / Au）を切り取ります。市販のスライドに代わるものとして、我々はまた、時のために200℃の高温基板温度で1平方インチスライドガラス上に電子ビーム蒸着法により堆積2nm以下のTi密着層と、厚さ100nmのAu膜を使用していた少なくとも1時間。これは滑らかな多結晶膜を生成します。 </li><li>への入力としてダブルナノホール構造体のビットマップイメージを作成集束イオンビーム（FIB）システムはビットマップです。画像は、2つの黒丸、190nmの中心間距離、中心に直径160nmで構成されています。このテンプレートは、約15nmの先端分離を作成します。サークルの間で、任意の細い線が先端の間の任意の残留金属を除去するために配置することができます。 図3aは、例えばビットマップイメージを示しています。 </li><li> FIB（日立は、FB-2100）ミリング装置を用いたダブルナノホール構造を作製。 FIBミリングパターン（ビットマップ内の暗い領域がFIBによって粉砕される）にステップ2.2でビットマップに変換します。 40 kVの、60 K倍の倍率で15μmの直径の開口を制限するビームのイオン加速電圧を使用しています。ミル80は、各パスで5μsecの投与時間を各ナノホールダブルで通っている。 図3bは、典型的な結果として得られる構造を示しています。必要に応じて繰り返します。エラーを許容するように、複数のナノホールがなされるべきである。 </li><li>どちらFIBおよび/またはHでを使用して、登録のマーカーを追加および（S）ダブルナノホールのおおよその位置を示します。 </li><li>必要に応じて、正確に構造品質​​と先端の分離を評価するために穴のSEM像を撮る。 </li></ol> 3。マイクロ流体商工会議所マイクロ流体チャンバーを製造するためのプロセスフロー図を図4に示します。 <ol><li>使い捨てカップにポリジメチルシロキサン（PDMS）ベース（ダウコーニングカナダ、シルガード184シリコーンエラストマーベース）の10グラムと硬化剤の追加1グラム（ダウコーニングカナダ、シルガード184シリコーンエラストマー硬化剤）を注ぐ。数分間混ぜる。 </li><li>すべての泡がなくなるまで、真空チャンバー内に混合物を避難させる。 </li><li>直径9cmシャーレにPDMSの1.5グラムを注ぐ。 65秒図4b 950 rpmでシャーレの底にスピンコートPDMSは結果を示しています。厚さは80μmである下である限り重要ではなく、金膜が底顕微鏡objectiv内にあるeのワーキングディスタンス。 </li><li>優しく場所3月5日＃1.5 図4cに示すように、彼らは30分間重なり、避難しないように、PDMS上にカバースリップ（フィッシャーサイエンティフィック、12-541-B）。 </li><li>カバースリップの移動や避難時の互いの上に積み重ねた場合は、静かにお互いを離れてそれらを移動します。注意が薄く均一なカバーガラスの下にPDMSを維持するように注意しなければなりません。 </li><li>カバースリップの操作が必要であった場合、30分間再びシャーレを避難。 </li><li>真空チャンバからペトリ皿を取り外し、85℃で20分間ホットプレート上で調理℃に</li><li>カミソリの刃を使用して、カバーの1つが優しく細かい先端のピンセットを使用したスライドをこじ開けスリップ切り取る。 PDMSは図4eのように、PMMAのペトリ皿よりもガラスカバースリップに、より接着剤であるとして、PDMSの薄い層がカバースリップ上に滞在します。 </li><li> 図4fのようにカミソリの刃でPDMSにおける3×3 mmの窓を切り取る。このウィンドウには、チャンバーを形成することになるここで、nanoparticle溶液は保持されます。 </li></ol> 4。試料調製<ol><li>アクリルを使用して中央に¾ &quot;直径の穴を顕微鏡スライドを作製し、これをレーザーカッターで達成することができる。他の材料も同様に使用することができます。金サンプルは穴の内部に配置されます。 </li><li>テープ、両面テープで穴の周囲を。過剰なテープをカットするカミソリの刃を使用しています。 </li><li>カバースリップの上に置いて、顕微鏡スライド、PDMSは表向き。 </li><li> 1％w / vのからw / vの脱イオン水を使用して0.05​​％にポリスチレンナノ粒子溶液（サーモサイエンティフィック、3020A）を希釈します。マイクロピペットを使用することができます。 </li><li> PDMSのウィンドウ内の溶液を数滴を追加します。ナノホールが配置されている金の試料上にドロップを追加します。 </li><li>ナノホールはPDMSのウィンドウ内にあるようなカバースリップの上に金のサンプルを入れます。気泡がチャンバ内に存在しないことを確認してください。カバースリップとDAB余分な溶液に対して金のサンプルを押してください。 </li><li>油浸対物レンズ（必要な場合は、ここですが、そうでないとして）を使用している場合は、PDMSのウィンドウの下に、カバーガラスの反対側に液浸オイルのドロップを追加。ナノホールの場所をメモしておいてください。 </li><li>液浸油は、顕微鏡の対物レンズと接触するまでスライドホルダー、下向きにオイルしてから、下部のスライドホルダーに顕微鏡スライドを挿入します。 </li><li>大体インジケーターマークが目的の下にあるようなスライドステージの位置を合わせます。 </li><li>ナノホールに至るまでの表示ラインに従ってください。インジケータ·マークやその他のオープンエリアが画面中央からクリアされるような位置にスライド。過度の光透過率は、APDを損傷することがあります。 </li><li>レーザーをオンにします。ダイクロイックミラーは完璧ではないように、レーザービームから画面の中心付近のスポットが表示されるはずです。 </li><li>ピエゾステージ制御ソフトウェアを使用し、さらに、すべての3つの軸でアライメントを微調整。 </li></ol> 5。データ収集<ol><li> HELとインジケーターマークの電話、位置既知のナノホール場所の近くにスポットを。ナノホールは、解決するには小さすぎるであろうとスポットとしてのみ表示されます。 </li><li>試料を通る光の透過をオシロスコープの信号レベルによって示されます。光透過率を最大にするように、さらに、試料の位置を合わせます。インジケーターマークと光伝送は、これらの分野で高いだろうとして、可視と不可視の傷のように注意してください。傷がより緩やかな変化を示しながら、ナノホールは、光透過率の突然のジャンプが表示されます。 </li><li>ダブルナノホール構造が偏光しているように波長板を使用し、最高の光伝送用の光の偏光を調整します。 </li><li> 、ノイズを最小限に抑えるため、ブレッドボード、200kΩの抵抗と100pFのコンデンサでRCフィルタを構築し、同軸ケーブルを介して、APDの後にそれを接続します。これらの値は、必要なデータ取得の帯域幅を考慮し、最適なパフォーマンスを得るために調整することができます。 </li><li>オシロスコープやデータアキを接続する同軸ケーブルとTアダプタ付RCフィルタにitionモジュール（オメガ、USB-4711A）。 </li><li>所望の時間データ集録モジュールを使用してAPDの電圧をサンプリングする。取得時間は秒の何百もののが一般的です。この場合、カスタムソフトウェアパッケージは、データ取得のために使用された。電圧は、毎秒2000回でサンプリングされます。 </li><li> MATLABを使っては、Savitzky-Golayフィルタを使用して取得したデータをフィルタリングして、グラフ上の時間に対してプロットします。 </li></ol>

<ol><li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Opt. Lett. 11, 288-290 (1986).</li>
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<li>Yang, A. H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+manipulation+of+nanoparticles+and+biomolecules+in+sub-wavelength+slot+waveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides.</a> Nature. 457, 71-75 (2009).</li>
<li>Chen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+optical+trapping+and+arrangement+of+nano-objects+in+a+plasmonic+nanocavity%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Enhanced optical trapping and arrangement of nano-objects in a plasmonic nanocavity.</a> Nano Lett. 12, 125-132 (2012).</li>
<li>Lyer, S., Popov, S., Friberg, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+apexes+on+the+resonance+shift+in+double+hole+nanocavities%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Impact of apexes on the resonance shift in double hole nanocavities.</a> Opt. Express. 18, 193-203 (2010).</li>
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<li>Yu, D., Blankert, B., Viré, J. C., Kauffmann, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biosensors+in+drug+discovery+and+drug+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Lett%22%5BJournal%5D)">Biosensors in drug discovery and drug analysis.</a> Anal. Lett. 38, 1687-1701 (2005).</li>
<li>Luppa, P. B., Sokoll, L. J., Chan, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Immunosensors-principles+and+application+to+clinical+chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Chim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Immunosensors-principles and application to clinical chemistry.</a> Clin. Chim. Acta. 314, 1-26 (2001).</li>
<li>Min, Q., Santos, M. J. L., Girotto, E. M., Brolo, A. G., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Localized+raman+enhanced+from+a+double-hole+nanostructure+in+a+metal+film%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Localized raman enhanced from a double-hole nanostructure in a metal film.</a> J. Phys. Chem. C. 112, 15098-15101 (2008).</li>
<li>Weber-Bargioni, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperspectral+nanoscale+imaging+on+dielectric+substrates+with+coaxial+optical+antenna+scan+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Hyperspectral nanoscale imaging on dielectric substrates with coaxial optical antenna scan probes.</a> Nano Lett. 11, 1201-1207 (2011).</li>
</ol>

この記事への生産とフリーアクセスがThorlabsが主催しています。

現在の設定はナノホールの構造に起因し効果的な捕捉能力を持つ。低い光強度でこのナノホールトラップ〜10 nmスケール誘電体粒子。他の新規光学トラップは、光学ダイポールアンテナ11、ウィスパリングギャラリーモード光共振器12,13と導波路14を含むが、これらは一般的に、必要な光パワーに対する粒子の逆四次スケーリングによって制限されている摂動政権で動作サイズ、SIBAとダブルナノホールトラップとは異なります。代替開口部の形状は、そのような長方形のプラズモニックナノ細孔15として、捕獲のために提示されています。ダブルナノホールトラップによって示される他の有利な資質は、粒子サイズ選択行動7、単一トラップ場所（多粒子捕獲を制限するため）、および製作16のしやすさを含む。 FIBを使用する代わりに、ダブルナノホールはコロイドリトグラフを用いて作製することができますY 6。 大きな分極率とサイズの生物学的物質の捕捉菌3に含まれている、生きている細胞17,2,18、タバコモザイクウイルス3と操作と大きな誘電体粒子19が両端でつながれたDNA鎖の伸張であるが、直接のトラッピングは小さいテザリングなしの生体試料は依然として厳しい。このトラップ設定は、小さな生物粒子が損傷またはテザリングせずに長時間保持することができるように、従来の光ピンセットと円形ナノホールより低い光強度で小さな誘電体粒子を捕捉することが可能です。また、トラップイベントは、このセットアップは敏感なセンサーとして機能し、ウイルスやタンパク質などの生物学的最小の粒子を検出することができ、高い信号対雑音比を示す。実際には、20nmのポリスチレン球は、最小の生物学的粒子に匹敵する1.59の屈折率を有することウイルスなど。この方法は、生物学的な粒子を含む、ナノ粒子の固定化と操作のための信頼性の高い成熟した技術になる可能性があります。 この技術の応用は、マイクロ流体環境への統合が含まれます。代わりに、単一のマイクロ流体チャンバー、チャネルが動的屈折率検出のための理想的な環境を制御するために使用されるであろう。このような設定は、より安定した堅牢なセットアップと溶質の高速分析につながる単一マイクロ流体チップ内に設定されるであろう。別のオプションは、単一の蛍光標識ウイルス、半導体量子ドットおよび緑色蛍光タンパク質の特性評価のための蛍光検出方式の開発である。また、この設定では、非常に小さなサンプルを分析できるようになり、単一のウイルスまたはタンパク質のバイオセンサーへの変更のために可能性を秘めています。創薬21と疾患と感染症検出部22は 、単一のタンパク質検出器の恩恵を受けるだろう。ラマンSPEctroscopyは、粒子と単結合事象のラマン信号の検出のために組み込むことができます。ダブルナノホール構造は、チップ増強ラマン分光法23に適し、先端に強い局所的な場の拡張を可能にします。材料特性の特異性の高いラベルフリー法もラマン分光法24を用いて可能であろう。

<table border="1"><tbody><tr><td> 名前 </td><td> メーカー </td><td> シリアルナンバー </td><td> 注釈 </td></tr><tr><td>液浸油</td><td> Cargille Labs社</td><td> 16484 </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>シルガード184シリコーンエラストマーキット</td><td>ダウコーニングカナダ</td><td></td><td>数量：1 PDMSをベースと硬化剤の両方が含まれています</td></tr><tr><td>ゴールドコーティングされた試験スライド</td><td> EMFのコープ</td><td>のCr / Auの</td><td>数量：1 のTi接着層も同様に用いることができる</td></tr><tr><td>いいえ1.5カバースリップん</td><td>フィッシャー·サイエンティフィック</td><td> 12から541-B </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>集束イオンビームシステム</td><td>日立</td><td> FB-2100 </td><td></td></tr><tr><td>ポータブルデータ集録モジュール</td><td>オメガエンジニアリング</td><td> USB-4711A </td><td> Quantity：1 </td></tr><tr><td>リニアステージ</td><td>パーカー</td><td> 4034M </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>レーザダイオードヘッドとコントローラ</td><td>ザッハーLasertechnikグループ</td><td>テック120 </td><td>数量：1 マニュアルチューニング可能リトローレーザーシステム</td></tr><tr><td>デジタルオシロスコープ</td><td> Tektronics </td><td> TDS1012 </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td> 20nmのナノスフェアサイズ規格</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td> 3020A </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td> 1 &quot;レンズマウント</td><td> Thorlabs </td><td> LMR1 </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td> 0.3 &quot;のレンズチューブ</td><td> Thorlabs </td><td> <a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=SM1L03" target="_blank">SM1L03</a> </td><td>数量：2 </td></tr><tr><td>吸収型NDフィルター4.0 </td><td> Thorlabs </td><td> NE40A </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>アルミBreadboaRD </td><td> Thorlabs </td><td> MB1824 </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>アバランシェフォトダイオード</td><td> Thorlabs </td><td> APD110A </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>デジタル光パワーメータ</td><td> Thorlabs </td><td> PM100 </td><td>数量：1 廃止された、他の人が行います</td></tr><tr><td>力測定モジュール</td><td> Thorlabs </td><td> OTKBFM </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>キネマティックミラーマウント</td><td> Thorlabs </td><td> KM200-E03 </td><td>数量：1 近赤外レーザー品質ミラー付き</td></tr><tr><td>レーザーダイオード定電流ドライバ</td><td> Thorlabs </td><td> LD1255R </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td> LD1255光学テーブル取り付けプレート</td><td> Thorlabs </td><td> LD1255P </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>マウントされた色消し半波長板</td><td> Thorlabs </td><td> AHWP05M-980 </td><td>数量：1 690 - 1200 nmの</td></tr><tr><td>光ピンセットキット</td><td> Thorlabs </td><td> OTKB /男</td><td>数量：1 メートル法またはインペリアル</td></tr><tr><td>ホルダーベースを投稿</td><td> Thorlabs </td><td> BA2 </td><td>数量：2 </td></tr><tr><td>電源</td><td> Thorlabs </td><td> PS-12DC-US </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>電源ケーブル</td><td> Thorlabs </td><td> LD1255-CAB </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>アングルプレート</td><td> Thorlabs </td><td> AP90 </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>アングルポストクランプ</td><td> Thorlabs </td><td> RA90 </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>ステンレス鋼の光ポスト</td><td> Thorlabs </td><td> TR3 </td><td>数量：1 </td></tr><tr><td>テーブルクランプ</td><td> Thorlabs </td><td> CL1 </td><td>数量：2 廃止された、他の人が行います</td></tr><tr><td>熱センサー</td><td> Thorlabs </td><td> PM210 </td><td>数量：1 デジタル光パワーメータ</td></tr><tr><td> 100pFのコンデンサ</td><td></td><td></td><td>数量：1 どのブランド、重要ではありません</td></tr><tr><td> 200 Kオーム抵抗</td><td></td><td></td><td>数量：1 どのブランド、重要ではありません</td></tr><tr><td>アクリル板</td><td></td><td></td><td>数量：3 &quot;×1&quot; どのブランド、重要ではありません</td></tr><tr><td>同軸ケーブル、ワイヤおよびコネクタの品揃え</td><td></td><td></td><td>必要に応じ</td></tr><tr><td>パン切り台</td><td></td><td></td><td>数量：1 どのブランド、重要ではありません</td></tr><tr><td>凹レンズ</td><td></td><td></td><td>数量：1 どのブランド、重要ではありません</td></tr><tr><td>ダイヤモンドカッター</td><td></td><td></td><td>数量：1 どのブランド、重要ではありません</td></tr><tr><td>両面テープ</td><td></td><td></td><td>どのブランド、重要ではありません</td></tr><tr><td>かみそりの刃</td><td></td><td></td><td>数量：1 どのブランド、重要ではありません</td></tr><tr><td>ピンセット</td><td></td><td></td><td>数量：1 どのブランド、罰金がひっくり返した</td></tr></tbody></table>

optical trapping of nanoparticles

光トラッピングは、光を用いた穏やかな方法で小さな物体を固定化して操作するための技術であり、それは広く小さな生物粒子をトラップすると操作に適用されている。アシュキンと共同研究者は、初のシングル1集光ビームを用いた光ピンセットを実証しました。シングルビームトラップは小さなレイリーレジーム粒子1の場合の摂動勾配力の製剤を使用して正確に記述することができます。摂動的領域では、光パワーは、粒径の逆四乗と粒子スケールをトラップするために必要。高い光学パワーは誘電体粒子を破損し、発熱を引き起こす可能性があります。例えば、直径109 nmの閉じ込められたラテックス球は生物学的物質2,3のための重大な意味を持って25秒1で15 mWのビームによって破壊された。 自己誘導のバックアクション（SIBA）光トラッピングは、50 nmのポリスチレン球をトラップするために提案されました非摂動体制4。非摂動領域では、背景にはほとんど誘電率のコントラストでさらに小さな粒子は著しく周囲の電磁界に影響を与え、大きな光力を誘発することができる。粒子が照射された開口部に入ると、光伝送は、誘電体の読み込み劇的に増加します。粒子がアパーチャのまましようとすると、減少した伝送は、粒子を捕集する、穴の中に、ニュートンの第三法則により、粒子の内側に上の力で結果を穴から勢いを外側の変化を引き起こすと。光透過率を監視することができる。したがって、トラップがセンサーになることができます。 SIBAトラッピング技術はさらにダブルナノホール構造を用いることで改善することができます。 ダブルナノホール構造は、地元の強い電場増強5,6を与えることが示されている。ダブルナノホールの2つの鋭い先端の間に、小さな粒子は、光transmissioの大きな変化を引き起こす可能性がありますnは、それによって大きな光力を誘導する。その結果、より小さいナノ粒子は、12nmのケイ酸球7と3.4 nmの流体力学半径ウシ血清アルブミンタンパク質8として、捕捉することができる。本研究では、ナノ粒子のトラッピングに用いた実験構成が概説されています。まず、詳細Thorlabs光ピンセットキットに基づいているトラッピングセットアップのアセンブリ。次に、我々は、金属膜、マイクロ流体チャンバーの製作と試料調製でダブルナノホールの微細加工手順を説明します。最後に、我々は詳細データの取得手順を、20 nmのポリスチレンナノ微粒子を捕集するための典型的な結果を提供します。

<html>典型的な買収·トレースを図5aに示されています。トラップイベントは、2つの送信電力レベルとの間に明確なスイッチを示す、鋭いエッジで、特徴的に突然です。粒子がブラウン運動の対象になると、トラップイベントがランダムに発生します。 20 nmの粒子では、トラップからの送信の変更は10から300秒の周りに、5〜10％と捕獲回程度一般的になりました。上記のパワーと濃度のトラッピングイベントを達成するための典型的な時間は1分程度である。粒子が放出されれば、それは一般的に、後続のトラップイベントが続いているが、立体障害のために、それは、同時に複数の粒子捕捉を見ることはまれである。結果の質に応じて、トラップされた状態の信号ノイズのいくつかの増加があるかもしれません。このノイズの増加は、トラップされた粒子のブラウン運動から来ている。トラップされた粒子がなければ、このノイズ源が存在していません。 <html> _content &quot;&gt;一部のアーティファクトは、トラップイベントを示すものではありません検索結果に表示される場合があります。 図5bに示すよう分間にわたって伝送で漂流し、緩やかな変化を示す結果は、破棄する必要があります他の人工物が存在していてもよいようなケアがチャンバーは無気泡であることを保証するために取られていない場合は一貫性のない伝送が変更されると、過剰なノイズまたは全くトラッピングは、例えば、気泡が不連続強度ジャンプを生じる可能性があるからです。これらの泡は、動的な面でトラップイベントに応答が異なる挙動と強度の変化、そして、彼らは容易に識別できます。このような症状が乏しいダブルナノホール構造、汚染物質や機械的振動によって発生する可能性があります、静かで低活性の設定が非常にこのセットアップを配置することをお勧めしますまた、可能レーザーと合わせた後、数分を決済するステージも助けることができます。 s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg &quot;/&gt; 図1サブ波長開口部光伝送：）粒子なし;誘電体粒子によってaとb）増加伝送するステップと、c）粒子の試みがままにした場合、光の運動量（ΔT）の減少はへのような粒子に働く力（F）を発生します。穴にそれを引き戻すと、d）伝送ΔTの変化につながる、粒子に起因する伝送曲線のレッドシフト。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig2.jpg" /> 図2は 、赤丸の拡大がb）でセットアップを捕捉する）総合的な模式図に示されていること、b）拡大はダブルナノホールを示す、およびPDMSチャンバー内ナノスフェア、ダブルナノホール構造のc）SEM像。使用されている略語：LD =レーザーダイオード; ODF =光学濃度フィルタ; HWP =半波長板、ビームエキスパンダー= BE、MR =ミラー、MO =顕微鏡対物; OI MO =油イメルシオン顕微鏡対物; DH =ダブルナノホール; APD =アバランシェ光検出器。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig3.jpg" /> 図3 FIB加工で使用される）例のビットマップ図; ますb）ダブルナノホールのSEM像。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig4.jpg" /> 図4マイクロ流体チャンバーを製造するためのプロセス·ダイアグラム。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig5.jpg" /> 図5 20nmのポリスチレン球を使用してイベントを捕捉（a）の典型的な買収。 （b）は急性漂流を示す貧しい買収。

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Optical Trapping of Nanoparticles

誘電体の低電力光トラッピング次のセットアップアプローチの詳細は金属膜でダブルナノホールを用いたナノ粒子。

ナノ粒子の光トラッピング

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Research

JoVE Journal

Engineering

22.3K ビュー.  University of Victoria. 誘電体の低電力光トラッピング次のセットアップアプローチの詳細は金属膜でダブルナノホールを用いたナノ粒子。

ビデオ: Optical Trapping of Nanoparticles

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

プラズモニック·強化されたライトトラップによる多結晶シリコン薄膜太陽電池

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

工学

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological research. Perhaps the most widely used physical force to achieve noninvasive manipulation of small particles has been dielectrophoresis(DEP).1 However, DEP on its own lacks the versatility and precision that are desired when manipulating cells since it is traditionally done with stationary electrodes. Optical tweezers, which utilize a three dimensional electromagnetic field gradient to exert forces on small particles, achieve this desired versatility and precision.2 However, a major drawback of this approach is the high radiation intensity required to achieve the necessary force to trap a particle which can damage biological samples.3 A solution that allows trapping and sorting with lower optical intensities are optoelectronic tweezers (OET) but OET's have limitations with fine manipulation of small particles; being DEP-based technology also puts constraint on the property of the solution.4,5
This video article will describe two methods that decrease the intensity of the radiation needed for optical manipulation of living cells and also describe a method for orientation control. The first method is plasmonic tweezers which use a random gold nanoparticle (AuNP) array as a substrate for the sample as shown in Figure 1. The AuNP array converts the incident photons into localized surface plasmons (LSP) which consist of resonant dipole moments that radiate and generate a patterned radiation field with a large gradient in the cell solution. Initial work on surface plasmon enhanced trapping by Righini et al and our own modeling have shown the fields generated by the plasmonic substrate reduce the initial intensity required by enhancing the gradient field that traps the particle.6,7,8 The plasmonic approach allows for fine orientation control of ellipsoidal particles and cells with low optical intensities because of more efficient optical energy conversion into mechanical energy and a dipole-dependent radiation field. These fields are shown in figure 2 and the low trapping intensities are detailed in figures 4 and 5. The main problems with plasmonic tweezers are that the LSP's generate a considerable amount of heat and the trapping is only two dimensional. This heat generates convective flows and thermophoresis which can be powerful enough to expel submicron particles from the trap.9,10 The second approach that we will describe is utilizing periodic dielectric nanostructures to scatter incident light very efficiently into diffraction modes, as shown in figure 6.11 Ideally, one would make this structure out of a dielectric material to avoid the same heating problems experienced with the plasmonic tweezers but in our approach an aluminum-coated diffraction grating is used as a one-dimensional periodic dielectric nanostructure. Although it is not a semiconductor, it did not experience significant heating and effectively trapped small particles with low trapping intensities, as shown in figure 7. Alignment of particles with the grating substrate conceptually validates the proposition that a 2-D photonic crystal could allow precise rotation of non-spherical micron sized particles.10 The efficiencies of these optical traps are increased due to the enhanced fields produced by the nanostructures described in this paper.

Plasmonic tweezers and photonic crystal nanostructures are shown to produce useful enhancements in the efficiency and orientation control of optically trapping micro- and nano-particles.

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

生物工学

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A single gold nanoparticle held by an optical tweezer is used as a sensor to quantify the rhythmic motion of a Nauplius larva (Artemia salina) in a water sample. This is achieved by monitoring the time dependent displacement of the trapped nanoparticle as a consequence of the Nauplius activity. A Fourier analysis of the nanoparticle&#39;s position then yields a frequency spectrum that is characteristic to the motion of the observed species. This experiment demonstrates the capability of this method to measure and characterize the activity of small aquatic larvae without the requirement to observe them directly and to gain information about the position of the larvae with respect to the trapped particle. Overall, this approach could give an insight on the vitality of certain species found in an aquatic ecosystem and could expand the range of conventional methods for analyzing water samples.

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We use optical tracking of plasmonic nanoparticles to probe and characterize the frequency movements of aquatic organisms.

「ノープリウスの動きを分析する<em&gt;アルテミア·サリナ</em&gt; &#39;プラズモニックナノ粒子の光学追跡することによって、

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

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

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical lattice consists of an array of nanostructures, which exhibit a variety of trapping and transport behaviors. We report the experimental procedures to trap micro-particles in a simple square nanoplasmonic optical lattice. We also describe the optical setup and the nanofabrication of a nanoplasmonic array. The optical potential is created by illuminating an array of gold nanodiscs with a Gaussian beam of 980 nm wavelength, and exciting plasmon resonance. The motion of particles is monitored by fluorescence imaging. A scheme to suppress photothermal convection is also described to increase usable optical power for optimal trapping. Suppression of convection is achieved by cooling the sample to a low temperature, and utilizing the near-zero thermal expansion coefficient of a water medium. Both single particle transport and multiple particle trapping are reported here.

We describe a procedure to optically trap micro-particles in nanoplasmonic optical lattice.

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical ...

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric field of metallic nanostructures. Salt-induced silver nanoparticle aggregation is the most popular method for generating SERS-active substrates; however, it is limited by poor reproducibility, stability, and biocompatibility. The present protocol integrates optical manipulation and SERS detection to develop an efficient analytical platform to address this. A 1064 nm trapping laser and a 532 nm Raman probe laser are combined in a microscope to assemble silver nanoparticles, which generate plasmonic hotspots for in situ SERS measurements in aqueous environments. Without aggregating agents, this dynamic plasmonic silver nanoparticle assembly enables an approximately 50-fold enhancement of the analyte molecule signal. Moreover, it provides spatial and temporal control to form the SERS-active assembly in as low as 0.05 nM analyte-coated silver nanoparticle solution, which minimizes the potential perturbation for in vivo analysis. Hence, this optical trapping-integrated SERS platform holds great potential for efficient, reproducible, and stable molecular analyses in liquids, especially in aqueous physiological environments.

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

The present protocol describes a convenient approach to integrating optical trapping and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to manipulate plasmonic nanoparticles for sensitive molecular detection. Without aggregating agents, the trapping laser assembles plasmonic nanoparticles to enhance the SERS signals of target analytes for in situ spectroscopic measurements.

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric ...

ナノ粒子の光トラッピング

要約

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プラズモニック·強化されたライトトラップによる多結晶シリコン薄膜太陽電池

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

「ノープリウスの動きを分析する

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

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

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

ナノ粒子の光トラッピング

要約

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