Nanoplasmonic 광학 격자에 마이크로 입자의 트래핑

요약

우리 nanoplasmonic 광학 격자에 마이크로 입자를 광학 트랩을 절차를 설명 합니다.

초록

Plasmonic 광학 족집게 기존의 멀리 분야 광학 족집게의 회절 한계를 극복 하기 위해 개발 되었습니다. 트랩 및 교통 행동의 다양 한 전시 하는 nanostructures의 배열을 plasmonic 광학 격자에 의하여 이루어져 있다. 우리 보고 트랩에서 간단한 사각형 nanoplasmonic 광학 격자 마이크로 입자를 실험 절차. 우리는 또한 광학 설치 및 nanoplasmonic 배열의 nanofabrication 설명합니다. 광학 잠재력 조명 980 nm 파장, 그리고 흥미로운 플라스몬 공명 가우스 빔과 금 nanodiscs의 배열에 의해 생성 됩니다. 입자의 모션은 형광 영상에 의해 모니터링 됩니다. Photothermal 대류를 억제 하는 체계 또한 최적의 트랩 가능한 광학 힘을 증가를 설명 합니다. 대류의 낮은 온도에 샘플을 냉각 물 매체의 0에 가까운 열 팽창 계수를 이용 하 여 이루어집니다. 단일 입자 전송 및 여러 입자 트랩 여기 보고 됩니다.

서문

마이크로 스케일 입자의 광학 트래핑 1970 년대 초반에 아서 요구에 의해 원래 개발 되었다. 그것의 발명 이후 기술은 마이크로 및 nanomanipulation^1,2에 대 한 다양 한 도구로 개발 되었습니다. 기존의 광학 트래핑 멀리 필드에 따라 초점 원리는 본질적으로 제한 트래핑 포스 극적으로 감소 하는 어떤 점에서 그것의 공간 감 금에서 회절에 의해 (다음 한 ~반지름의 입자에 대 한³ 법 한) ³. 이러한 회절 한계를 극복 하기 위해 연구원 근처-필드 광학 트래핑 기술을 사용 하 여 plasmonic 금속 nanostructures 사라져 광학 필드에 따라 개발 하 고, 또한, 나노 스케일의 트랩에 개체 단일 단백질 분자 되었습니다 시연된^{4,5,6,7,,89,10,11}. 또한, plasmonic 광학 격자 마이크로-나노와 여러 입자 스태킹^11,12의 장거리 수송을 수 여 하 주기 plasmonic nanostructures의 배열에서 만들어집니다. 광학 격자에 트래핑을 방해 한 주요 장애물이 photothermal 대류 이며 노력 만들어진 명료 하 게 그것의 효과를 여러 그룹^14,15,,1617. 그린의 기능을 사용 하 여, Baffou 그 외 여러분 각 plasmonic nanostructure 포인트 히터로 모델링 하 여 온도 프로 파일을 계산 있고 그들의 모델¹⁴를 실험적으로 검증. Toussant의 그룹은 또한 입자 velocimetry¹⁵플라스몬 유도 된 대류를 측정 했다. 작가 그룹은 또한 특징 근처-필드와 convectional 전송 하 고 photothermal 대류^16,17를 억제 하는 엔지니어링 전략 시연.

여기 우리 plasmonic 광학 격자와 광학 설치 및 특히 트래핑 실험에 대 한 자세한 절차의 디자인을 제시. 광학 잠재력 조명 느슨하게 집중된 가우스 빔과 금 nanodiscs의 배열을 만들었습니다. 최적의 트래핑에 대 한 샘플 (~ 4 ° C) 낮은 온도를 아래로 냉각 하 여 photothermal 대류를 억제 하는 체계는 또한 설명 여기¹⁷. Boussinesq 근사에서 자연 대류 속도 u 에 대 한 예상 작업량은 u에 의해 주어진 ~L² gβΔT / v, L 가 열 소스와 Δ의 길이 규모 T 는 참조 난방 때문에 상대적으로 증가 하는 온도입니다.  g 와 β 는 중력 가속도 및 열팽창 계수, 각각입니다. 온도 4 ° c에서 물 매체의 밀도 비정상적인 온도 전시 하 고이 0에 가까운 열 확장 계수 및, 따라서, vanishingly 작은 photothermal 대류로 변환 합니다.

프로토콜

1. 광학 설치

참고: 광학 설치의 원리는 그림 1에 나와.

광학을
1. 설정 트위터 키트 (재료의 표 참조) 및 형광 모듈 (재료의 표 참조) 그들의 설명서에 따라. 470 nm 빛 발광 다이오드 (LED) 빛 푸른 소스 형광등 모듈에 연결.
2. 높은 수 가늠 구멍 (NA)를 대체 (NA = 1.25, 배율 100 배) 긴 작업에 의해 기름 침수 목표 (WD) 현미경 목표 거리 (초점 거리 3.6 m m, WD 10.6 m m, NA = 0.5 =).
3. 느슨한 레이저 광선의 초점을 달성 하기 위해 조립된 키트의 빔 확장 섹션에 렌즈를 제거.
4. 차례 전원 공급 장치 및 레이저에 대 한 전류 다이오드 파장 980 nm의 사용은 충전된 결합 장치 (CCD) 카메라 레이저 빔 제대로 정렬 되도록.
   참고: 레이저 빔 잘 정렬 된 경우에, CCD 카메라 읽을 것 이다 가우스 자리.

2. Nanofabrication

1. 마커 제조.
   참고: 마커 제조 공정 및 후속 트래핑 실험 하는 동안 nanoplasmonic 배열 하려면 데 도움이 됩니다. 자세한 과정은 보충 그림 1에 나와 있습니다.
2. 보증금 40 nm 인듐 주석 산화물 (ITO) 필름 두께 0.17 mm 스퍼터 링의 coverslip에
   .
   참고: ITO 필름 후속 전자 빔 리소 그래피 과정 전자 방전 도움이 될 것입니다.
   1. 스핀 코트 8 µ m 층이 스핀과 긍정적인 감광 속도 4000 rpm 및 스핀 coater 시간 30 s.
   2. 소프트 빵을 5 분 동안 90 ° C에 샘플 마커 포토 마스크와 함께 샘플을 정렬 하 고 샘플 80에 대 한 자외선을 노출 마스크 동기 기에서 s.
   3. 130 감광 개발자에 샘플을 담가 s.
   4. 크롬의 2 nm 층 및 열 증발을 사용 하 여 샘플에 황금의 40 nm 층 입금. ¹⁸
   5. 아세톤에 샘플을 흡수 하 고는 초음파 청소기 작동 43 및 150 W 5 분에 대 한 리프트에서 배치
3. 제조의 Nanoplasmonic 배열
   1. 스핀 코트의 전자 빔 레이어 저항 회전 속도와 PMMA 120 K 30에 대 한 5000 rpm 스핀 coater에 s. 뜨거운 접시에 3 분 동안 160 ° C에서 샘플 빵.
   2. 스핀 코트 전자 빔 레지스트 스핀 속도와 PMMA 960 K의 또 다른 레이어 30 5000 rpm 스핀 coater에 s. 뜨거운 접시에 3 분 동안 160 ° C에서 샘플 빵.
   3. 전자 빔 폭을 사용 하 여 전자 빔 작가 저항 가속 전압 30 kV 및 복용량 400 C/c m ².
   4. 열 증발 기에서 금 40 nm 레이어 예금.
   5. 아세톤에 샘플을 담근 다 고 리프트에서 대 일 분 동안 초음파 세탁 기술자 배치

3. 냉각 시스템 및 그것의 온도 보정 샘플

참고: 무대 디자인을 냉각 하는 샘플 보충 그림 2에 표시 됩니다.

1. 샘플 냉각
   1. 장소, 바이 폴라 접합 트랜지스터, 저항과 전원 금속 산화물 필드 효과 트랜지스터 보충 그림 3의 회로 다이어그램을 따라 사용자 지정 회로 기판에 대 한 드라이버 회로 만들기 . 납땜 인 두와 함께 이러한 모든 부품을 솔더.
   2. 연결 회로 보드의 제어 포트와 전자 제어 보드와 전선. Thermoelectrical 냉각 (TEC) 요소 및 회로 보드의 출력 포트 사이의 와이어를 연결 합니다. 히트싱크로 샘플 단계에 TEC 요소를 배치.
      ​ 참고:는 TEC 요소 레이저 빔을 통해 갈 수 있도록 중앙에 구멍에.
   3. 연결 와이어 회로 보드에서 5 V 전원 공급 장치. 적극적인 적외선 카메라를 사용 하 여 확인 경우 thermoelectrical 냉각은 제대로 냉각 온도 모니터링.
2. 적극적인 적외선 카메라와 저항 온도 발견자 (RTD) 온도계 측정 온도 보정.
   1. 빈 coverslip에 RTD 온도계를 놓고 RTD 온도계와 coverslip 사이의 적절 한 열 접촉 되도록 그것에 열 붙여넣기의 작은 금액을 적용.
   2. 펄스 폭 변조 설정의 듀티 사이클을 변경 하 여 TEC 요소에 전자 제어 회로의 출력 전원 설정을 변경 하 고 정상 상태 온도 도달 되도록 3 분까지 기다립니다. 온도 RTD 온도계를 사용 하 여 읽기.
   3. 차례 앞으로 보이는 적외선 카메라와 모니터 온도에. 온도 보정 곡선을 얻기 위해 다양 한 출력 전원 설정에서이 반복 합니다. 대표적인 온도 보정 곡선은 보충 그림 4에 표시 됩니다.
      참고: RTD 온도계와 앞으로 적외선 카메라 사이의 교정 앞 적외선 카메라의 온도 판독값 올바른 온도 도달할 수 있도록 정확 해야 하기 때문에 할 것이 결정적 이다.

4. 미의 트래핑

1. Dilute 마이크로 폴리스 티 렌 입자의 적절 한 볼륨 비율 microcentrifugetube 이온된 수 µ m 직경 2.
   참고: 마이크로 입자의 농도 실험의 목적에 따라 조정할 수 있습니다. 낮은 농도 단일 입자 트랩 이벤트 간의 샘플 시간 간격을 수 있으며, 높은 농도 여러 입자 트랩 시간을 단축 됩니다. 단일 입자 트랩에 대 한 전형적인 농도 ~0.05% (w/v).
2. 무대에 nanoplasmonic 배열 샘플을 넣어 고는 470에 형광 광원으로 LED 및 수동으로 전원을 5 설정 밝은 필드 이미징 mW.
3. 마커를 사용 하 여 nanoplasmonic 배열의 찾을 샘플, 정렬 하 고 CCD 카메라를 사용 하 여 배열이 컴퓨터 화면에 대 한 관심의 영역 중심에 있는지 확인 하십시오.
4. 마이크로 피 펫으로 샘플에 직경 2 µ m의 희석된 마이크로 입자의 분배 10 µ L.
5. 자극 10 ~ 1 mW에 전원 배열의 plasmonic 공명 파장 980 nm의 레이저 다이오드를 현재 공급 설정 mW.
6. 정상 상태 온도 ~ 4 ° c.에 샘플을 전자 제어 보드에 전원 공급 장치에 수동으로 설정
7. 뷰어 소프트웨어에서 클릭는 " 기록 비디오 " 시퀀스 기록 대화 상자를 엽니다. 클릭은 " 기록 " CCD 카메라를 사용 하 여 레이저 광선의 영향 아래 샘플에 1.5 10 프레임/s의 프레임 속도 마이크로 입자의 동의의 녹화 비디오를 시작 하는 버튼. 클릭은 " 중지 " 녹음 중지 버튼을. 동영상 1을 참조 하십시오.

결과

단일 입자 궤적 우리의 실험에서 CCD 카메라에 의해 기록 되었다 하 고 이미지 각 입자의 궤적¹⁶를 추출 하는 사용자 지정 프로그램으로 처리 했다. 대표 결과 그림 3 에 비디오 1 직경 2 µ m. 광학 격자 안에 여러 입자 치장 관찰 했다 마이크로 분야에 대 한 표시 됩니다. 입자의 대표적인 모션 비디오에서 추출 하는 연속 ?...

토론

여기에 설명 된 절차에는 안정적으로 매일 트래핑을 재현 하는 독자 수 있습니다. 사용 가능한 광학 격자 디자인 일반적인 경험적 지침 plasmonic nanoarray, interdisc 거리에 대 한 유사한 크기를 사용 하 고 갇혀 입자 크기. 하나의 분리 된 plasmonic nanostructure에 비해 높은 광 출력을 크게 여기 사용 ~ 4 ° C에 샘플을 냉각 하 여 여유와 함께에서 광학 격자 디자인 트래핑 확률을 향상 시킵니다. 잘 분리, plasmo...

자료

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