Plasmonic captura e liberação de nanopartículas em um ambiente de Monitoramento

Resumo

Um processo de fabricação microchip, que incorpora uma pinça plasmonic é apresentado aqui. O microchip permite a imagiologia de uma partícula preso para medir as forças máximas de armadilhagem.

Resumo

pinças plasmonic usar polaritons plasmon de superfície para confinar objetos em nanoescala polarizáveis. Entre os vários modelos de pinças plasmonic, apenas algumas partículas podem observar imobilizadas. Além disso, um número limitado de estudos têm medido experimentalmente as forças exertable sobre as partículas. Os desenhos podem ser classificadas como do tipo nanodisk saliente ou do tipo nanohole suprimida. Para este último, a observação microscópica é extremamente desafiador. Neste trabalho, um novo sistema de pinça plasmónico é introduzida para monitorizar partículas, tanto em direcções paralelas e ortogonais ao eixo de simetria de uma estrutura nanohole plasmónico. Este recurso permite-nos observar o movimento de cada partícula perto da borda do nanohole. Além disso, podemos estimar quantitativamente as forças de captura máximos, utilizando um novo canal fluídico.

Introdução

A capacidade para manipular objectos microescala é uma característica indispensável para muitas experiências de micro / nano. manipulações de contacto directo pode danificar os objectos manipulados. Liberando os objetos anteriormente detidas também é um desafio por causa de problemas stiction. Para ultrapassar estes problemas, vários métodos indirectos usando fluídica ^{1, 2} eléctrico, magnético ^3, ou forças fotónicas ^{4, 5, 6, 7, 8,} têm sido propostos. Pinças plasmonic que usam forças fotônicos são baseados na física de extraordinárias realce campo várias ordens maiores do que a intensidade incidente ^9. Este melhoramento campo extremamente forte permite que o aprisionamento de nanopartículas extremamente pequenas. Por exemplo, tem sido demonstrado para imobilizar e manipular nanoescalaobjectos, tais como partículas de poliestireno ^{7, 10, 11, 12, 13, 14, 15} cadeias de polímeros, proteínas ^16, quantum dots ^17, e as moléculas de ADN ^{8, 18.} Sem pinças plasmonic, é difícil para as nanopartículas de armadilha porque eles desaparecem rapidamente antes de serem eficazmente examinados ou porque elas são danificadas devido à alta intensidade do laser.

Muitos estudos plasmonic têm usado várias estruturas de ouro em nanoescala. Podemos categorizar as estruturas de ouro como saliente tipos nanodisk ^{12, 13, 14, 15, 19} , ^{20, 21} ou suprimidos tipos nanohole ^{7, 8, 10, 11, 22, 23.} Em termos de conveniência de imagiologia, os tipos nanodisk são mais adequados do que os tipos nanohole porque, para estes últimos, os substratos de ouro podem obstruir a vista de observação. Além disso, a retenção ocorre plasmónico perto da estrutura plasmónico e faz observação ainda mais difícil. Para o melhor de nosso conhecimento, trapping plasmonic em tipos nanohole só foi verificada através de sinais de espalhamento indiretos. No entanto, há observações diretas de sucesso, como imagens microscópicas, foram relatados. Alguns estudos têm descrito a posição de partículas retidas. Um tal resultado foi apresentado por Wang et al. Eles criaram um pilar de ouro sobre um substrato de ouro e observou o partigo movimento utilizando um microscópio de fluorescência ^24. No entanto, isto só é eficaz para monitorizar os movimentos laterais não na direcção paralela ao eixo do feixe.

Neste artigo, apresentamos novos procedimentos de design microchip e fabricação fluídicos. Usando este chip, que demonstram o controlo de partículas plasmonically presos, tanto em direcções paralelas e ortogonais ao nanoestrutura plasmónico. Além disso, nós medimos a força máxima da partícula imobilizada através do aumento da velocidade do fluido para encontrar a velocidade de inflexão no microchip. Este estudo é único porque a maioria dos estudos sobre pinças plasmonic não pode mostrar quantitativamente as forças de captura máximos utilizados nas respectivas montagens experimentais.

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Protocolo

Atenção: Por favor, consulte todas as normas de segurança pertinentes antes do uso. Vários dos produtos químicos utilizados no fabrico de microchips são altamente tóxicos e cancerígenos. Utilize todas as práticas de segurança adequadas ao executar os processos de fotolitografia e gravura, incluindo o uso de controles de engenharia (extractor de fumo, placa quente, e alinhador) e equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça de corpo inteiro, e fechou sapatos -toe).

1. Fabricação do microcanal PDMS

1. Fabrico do molde de microcanais pelo processo de fotolito
   1. Completamente remover substâncias estranhas na superfície de bolacha de Si a 4 polegadas com limpeza piranha (Figura 1a). Mistura-se ácido sulfúrico (H ₂ SO ₄₎ e peróxido de hidrogénio (H ₂ O ₂₎ a uma proporção de 3: 1 para tornar a solução piranha no prato. Misturar por adição gradual de pequenas quantidades de ácido forte _{(H2O 2) para o ácido fraco (H 2 SO 4); inverter este fim pode provocar uma explosão, porque do ácido forte altamente reactivo.}
   2. Mergulhar a bolacha no piranha solução durante 10 min. Subsequentemente, mergulhar a bolacha em água desionizada (DI) de água durante 3 minutos para remover a solução piranha restante. Lavar a bolacha com fluxo de água DI durante 10 s. Repetir o procedimento de lavagem 3 vezes e seco com gás _N2 para remover o restante DI.
   3. Coloque a bolacha sobre uma placa quente durante 20 minutos a 180 ° C para desidratar ainda mais a bolacha.
   4. Pour 5 mL do fotorresistente negativo na parte superior da bolacha e rotação revestimento durante 45 s a 1500 rpm (Figura 1b); após revestimento por rotação, um talão de revestimento fotoprotector é criado na borda da bolacha, devido à viscosidade relativamente elevada do material fotosensitivo.
   5. Equilibre a pastilha revestida-fotorresistente por planarização sobre um suporte de nivelamento durante 5 h.
   6. Coloque a pastilha revestida de material fotosensitivo sobre uma placa quente durante 12 minutos a 65° C, 35 min a 95 ° C, e 12 min a 65 ° C (cozimento macio).
   7. Fixar a máscara de película sobre o suporte de máscara e a bolacha mole-cozido na fase substrato do alinhador. Expor à radiação ultravioleta (UV) durante 43 s a 650 mJ / cm ² para solidificar o material fotosensitivo.
   8. Coloque a bolacha sobre a placa de aquecimento durante 5 min a 65 ° C, 15 min a 95 ° C e 5 min a 65 ° C (bicarbonato de pós-exposição).
   9. Mergulhar a bolacha no revelador fotorresistência durante 30 minutos para remover o material fotosensitivo não solidificada.
   10. Lavar a bolacha com álcool isopropílico (IPA), e seca com gás _N2 para remover o IPA restante.
2. Fabricação do microcanal PDMS
   1. Tratar a superfície da bolacha e o molde fotorresistente durante 1 minuto a uma potência de 200 W através de um máquina de plasma atmosférico ^25; os fluxos de gás de _CH4 e Ele deve ser de 6 e 30 sccm, respectivamente. Realizar este tratamento hidrofóbica para separar facilmente o polydimethylsiloxane (PDMS) microcanal a partir da superfície da pastilha e molde fotorresistente (Figura 1c).
   2. Preparar a solução de PDMS misturando a base de PDMS e agente de cura, na proporção de 10: 1. Agita-se a mistura durante 2 min.
   3. Coloque a bolacha no interior de uma placa de Petri (150 mm x 15 mm) e adiciona-se 100 mL da solução de PDMS. Retirar as bolhas que foram criadas a partir de agitação utilizando um exsicador.
   4. Colocar a placa de Petri no forno durante 2 horas a 80 ° C para solidificar a solução de PDMS (Figura 1d e h).
   5. Corte ao longo dos contornos do microcanal PDMS com uma lâmina de barbear e retirá-la da bolacha; os microcanais PDMS fabricadas deve ter as seguintes dimensões: 13 mm long, 300 mm de largura, e 150 um de altura (Figuras 1e, f, e i).
      NOTA: Dois tipos de orifícios são produzidos por um micropunção para inserir a fibra monomodo (SMF) do cabo e os tubos (uma entrada dend tomada) na PDMS microcanal (Figura 1g). O SMF cabo é utilizado para emitir o feixe de laser para a nanohole branqueado na placa de ouro. O tubo é utilizado para inserir / extrair a solução de partículas de / para o microcanal PDMS.
   6. Punção de entrada de 1,5 mm e furos de saída em cada extremidade do microcanal PDMS. Punção de 0,3 mm SMF orifício do cabo no centro do microcanal PDMS.

2. processo de corrosão da placa de ouro

1. Prepara-se uma placa de ouro comercialmente disponível com as dimensões de 25 x 6,25 ^mm2 (Figura 2a).
2. Remover quaisquer substâncias estranhas na placa de ouro com os seguintes procedimentos de limpeza. Limpo na seguinte ordem por imersão em acetona, metanol, e ua DI durante 5 min cada.
3. Lavar a placa 3 vezes com ouro ua DI durante 10 s e seca-se a placa com gás _N2 para remover a água desionizada remanescente.
4. Coloque a placa de ouro em uma placa quente para20 min a 180 ° C, para remover completamente a humidade restante.
5. Pour 0,5 ml de hexametildisilazano (HMDS) na placa de ouro e revestimento de centrifugação durante 40 segundos a 3000 rpm.
6. Pour 0,5 mL de fotorresistente positiva na parte superior das HMDS revestida por rotação e revestimento de centrifugação durante 40 segundos a 3000 rpm (Figura 2b).
7. Colocar a placa de ouro revestidas com material fotosensitivo sobre a placa quente durante 90 s a 110 ° C (cozimento macio).
8. Fixar a máscara de filme sobre a pastilha de vidro e colocar a placa de ouro macio-cozido na fase de substrato. Expor à luz UV durante 4,5 s a 64 mJ / cm ² para dissolver o fotorresistente.
9. Imergir a placa de ouro no revelador fotorresistência durante 1 min para remover o material fotosensitivo dissolvido (Figura 2c). Lavar a placa de ouro com água desionizada e seca com N ₂ gasoso.
10. Imergir a placa de ouro no produto corrosivo de Au por 45 s e a uma velocidade de gravação de 28 Â / s para remover o Au exposto (Figura 2d). Lavar a placa de ouro com águ DIr e seco com N ₂ gasoso.
11. Imergir a placa de ouro no produto corrosivo Ti durante 5 s e a uma velocidade de gravação de 25 Â / s para remover o Ti exposto (Figura 2E). Lavar a placa de ouro com água desionizada e seca com N ₂ gasoso.
12. Remover o fotorresistente remanescente na placa de ouro por imersão em acetona, metanol, e ua DI durante 3 min cada (Figura 2f); mergulhe a placa na ordem escrita.
13. Lavar a placa 3 vezes com ouro ua DI durante 10 s. Seca com gás _N2 para remover a água DI.
14. Colocar a placa de ouro sobre a placa quente durante 3 min a 120 ° C, para remover completamente a humidade; o bloco ouro produzida deve ser de 400 x 150? m ² (figura 2h).
15. Moinho um nanohole de 400 nm, utilizando um feixe de iões focado (FIB) no centro do bloco de ouro que foi fabricado após o condicionamento (Figuras 2 g e i). Criar um teste padrão do círculo de 370 nm para se concentrar no bl ouroock com um ião de tensão de aceleração de 30 kV a 28 Pa durante 3 s.

3. Assembleia da Microchip

1. Tratar as duas superfícies do microcanal PDMS e placa de ouro durante 1 min com _O2 do plasma para fixá-los em conjunto com um sistema de plasma a uma potência de 80 W e uma pressão de 825 mTorr ^25.
   NOTA: é notavelmente difícil para anexá-los com precisão porque o bloco de ouro e PDMS microcanal estão no nível micrômetro. Assim, usar um alinhador com uma câmara e uma etapa manual.
2. Fixar a bolacha de vidro que é usado para fixar a máscara de película para o suporte de máscara do alinhador (Figura 3a).
3. Anexar os _O-2 tratada -Plasma PDMS microcanal para a pastilha de vidro; porque o PDMS é hidrofílico, ela será facilmente fixar a bolacha de vidro, sem qualquer solução de adesão. Fixar a placa de ouro no substrato de fase o alinhador (Figura 3a).
4. Localizar os centros de the SMF orifício do cabo e ouro bloco, que estão alinhados no mesmo eixo, a utilização da câmara no alinhador. Levantar a etapa manual para combinar as duas partes (Figuras 3B e C).

4. Melhoria da rugosidade da superfície Microchip Side by PDMS Coating

NOTA: A placa de ouro com dimensões fixas de 400 x 150? M ² é relativamente mais difícil de cortar para fora do que o material de PDMS. Portanto, para separar o microcanal PDMS a partir da bolacha, uma lâmina de barbear é utilizado para cortar uma peça maior do que a placa de ouro. Depois de combinar as duas partes, as partes excedentes do PDMS em relação à placa de ouro devem então ser cortado de modo a que o interior do canal pode ser observado a partir do lado utilizando um microscópio (Figura 4a). No entanto, a superfície de corte, que é utilizado como uma janela, tem uma rugosidade superficial elevada e, consequentemente, produz imagens nublado das partículas que fluem no canal (Figura4b). Revestimento com a solução PDMS é realizada novamente para resolver esse problema.

1. Preparar a solução de PDMS misturando a base de PDMS e o agente de cura a uma proporção de 10: 1 e agita-se durante 2 min.
2. Pour 2 mL da solução de PDMS na placa de Petri e realizar o revestimento por centrifugação durante 30 segundos a 1000 rpm (Figura 4c).
3. Coloque a superfície do microchip que vai ser localizado no microscópio sobre a placa de Petri (Figura 4d). Colocar a placa de Petri no forno durante 1 h a 80 ° C para solidificar a solução de PDMS.
4. Cortar a borda do microchip e PDMS usando uma lâmina de barbear e, subsequentemente, retirá-la da placa de Petri (Figuras 4e, f).

5. Laser Coupling para inserir o cabo SMF ao Microchip

NOTA: Para o sistema de pinça plasmónico, um laser de fibra óptico incidente com um comprimento de onda de 1064-nm é utilizado. O SMF cabo é usado porque o diâmetro da incilaser de dente (5 mm) é também imenso a emitir o feixe de laser no nanohole branqueado no bloco ouro (400 x 150? m ²⁾ na micropastilha. O diâmetro do revestimento do cabo SMF é 125 um. Assim, o laser incidente e cabo SMF deve ser acoplado.

1. Conecte uma lente objetiva de 40X para a objetiva do microscópio montar no acoplador SMF. Fixar o cabo de SMF na braçadeira fibra do acoplador SMF. Alinhar o feixe laser incidente para preencher a abertura de trás da lente objetiva.
2. Focar o feixe de laser para o núcleo do cabo SMF, ajustando a fase manual de três eixo equipado no acoplador SMF.
3. Inserir a extremidade oposta do cabo de SMF no orifício cabo SMF do microchip. Medir a potência do laser, antes da inserção na extremidade do cabo de fibra, porque o cabo de fibra fixo no microchip não pode ser destacado.
4. Vedar o orifício do cabo SMF usando cola epoxi para bloquear o vazamento da solução de partículas que flui a partir do intervalo entre a cabina do SMFle furo (300? m) e o revestimento do cabo SMF (125? m); a extremidade do cabo de fibra inserida não deve entrar no microcanal, para evitar o fluxo de fluido. alinhar manualmente o cabo de fibra usando o feedback visual de modo que seja perpendicular ao bloco ouro que hospeda o nanohole.

6. plasmonic Trapping de Solteiro fluorescente poliestireno partículas na Microchip

1. Anexar a seringa, a qual é preenchida com a solução de partículas, para uma microbomba seringa. Coloque a tampa de vidro no palco amostra do microscópio fluorescente. Conectar tubos para os orifícios de entrada / saída do microchip. Coloque a superfície do microchip PDMS-revestidos no topo do vidro de cobertura.
2. Posicionar o microchip ortogonalmente à imersão em água da lente objectiva 60X, observando o interior do canal com a câmara instalada no microscópio fluorescente. Use fita adesiva transparente para fixar o microchip no lugar. Ligar o tubo de entrada do circuito integrado com o ne seringaedle.
3. Inserir a solução de partículas para o microchip, controlando a microbomba em 20? M / s. Neste momento, confirmar que a partícula fluorescente pode ser observada bem no canal quando a lâmpada fluorescente está ligado.
4. Aguardar até que a solução de partículas sai a partir da saída do circuito integrado. Definir a velocidade de 3.4? M / s.
5. Desligue o dispositivo fonte de laser para que ele emite o laser para o nanohole; a partícula fluorescente será preso na borda do nanohole.
6. Rampa a velocidade do fluido em incrementos de 0,4? M / s através do controlo da microbomba até que as fugas de partículas retidas. Medir a velocidade do fluido, quando as partículas retidas escapar. Obter a força de captura máxima para cada intensidade do laser utilizando esta velocidade de fluido medido.

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Resultados

O processo de fabricação do microcanal e ouro nanohole placa PDMS é mostrado nas Figuras 1 e 2. O método de combinar as duas partes e o microchip real é mostrada na Figura 3. O PDMS foi cortada para revelar o interior do canal a partir do lado da micropastilha. No entanto, foi difícil de observar as partículas que fluem no canal, devido à rugosidade da superfície do plano de corte. Assim, introduzimos o método de revestimento P...

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Discussão

O cabo SMF foi inserida no orifício do cabo de SMF no circuito integrado, tal como mostrado no ponto rectangular da Figura 6a. Uma vez que o orifício do cabo SMF é maior do que o diâmetro do cabo, cola epóxi foi usado para selar a abertura para bloquear o vazamento da solução de partículas que flui. Antes da aplicação da cola epoxi, o bloco ouro e borda cabo deve ser alinhado coaxialmente à mão usando um microscópio. Embora seja ideal para a extremidade do cabo inserido e o nanohole para se...

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Materiais

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