Captura de Micro partículas em Lattice ótico Nanoplasmonic

Resumo

Descrevemos um procedimento para interceptar opticamente micropartículas em nanoplasmonic lattice ótico.

Resumo

A Pinça óptica plasmônico foi desenvolvida para superar os limites de difração da pinça óptica convencional de campo distante. Plasmônico óptica treliça consiste de uma matriz de nanoestruturas, que exibem uma variedade de armadilhas e comportamentos de transporte. Nós relatamos os procedimentos experimentais para capturar micropartículas em um lattice ótico nanoplasmonic quadrado simples. Também descrevemos a configuração óptica e a nanofabricação de uma matriz de nanoplasmonic. O potencial óptico é criado por iluminando uma matriz de nanodiscs de ouro com um feixe gaussiano de 980 nm comprimento de onda e ressonância de plasmon emocionante. O movimento das partículas é monitorado por imagens de fluorescência. Um esquema para suprimir originando convecção também é descrito para aumentar a potência óptica utilizável para interceptação de ideal. Supressão da convecção é alcançado pelo resfriamento da amostra a uma temperatura baixa e utilizando o coeficiente de expansão térmica próximo de zero de um meio de água. Tanto transporte de partícula única e múltiplas armadilhas de partícula são relatados aqui.

Introdução

A captura óptica de partículas micro escala foi originalmente desenvolvida por Arthur Askin na década de 1970. Desde a sua invenção, a técnica foi desenvolvida como uma ferramenta versátil para micro e nanomanipulação^1,2. Convencional óptico prendendo com base no campo distante focar princípio inerentemente é limitada pela difração em seu confinamento espacial, onde a força de armadilhagem diminui drasticamente (seguir um ~umalei de³ de uma partícula de raio um) ³. para superar tais limites de difração, pesquisadores desenvolveram técnicas de armadilhagem óptica de campo próximo, com base no campo evanescente óptico usando nanoestruturas metálicas plasmônico e, além disso, a captura de nanoescala objetos para baixo para moléculas de proteína única tem sido demonstrada^{4,5,6,7,8,9,10,11}. Além disso, o retículo óptico plasmônico é criado a partir de matrizes de nanoestruturas plasmônico periódicas para conferir o transporte de longo alcance do micro e nanopartículas e múltiplas partículas empilhamento^11,12. Um grande obstáculo para interromper a captura em um lattice ótico é convecção fototérmicos e foram envidados esforços para elucidar seus efeitos por vários grupos^14,15,16,17. Usando a função de Green, Baffou et al ter calculado um perfil de temperatura por cada nanostructure plasmônico como um aquecedor de ponto de modelagem e então experimentalmente validados seu modelo¹⁴. Grupo do Toussant também mediu a convecção induzida por plasmon com partícula velocimetry¹⁵. Grupo do autor também tem caracterizado o transporte campo próximo e convecçao e demonstrou uma estratégia de engenharia para suprimir originando convecção^16,17.

Aqui apresentamos o projeto de uma instalação de ótica e um procedimento detalhado especificamente para experimentos de armadilhagem plasmônico retículo óptico. O potencial óptico foi criado por iluminando uma matriz de ouro nanodiscs com um feixe gaussiano vagamente concentrado. Um esquema para suprimir a convecção originando pelo resfriamento da amostra a uma temperatura baixa (~ 4 ° C) para a captura ideal é também descrever aqui¹⁷. Sob a aproximação de Boussinesq, uma ordem de magnitude estimada da convecção natural velocidade u é dada por u ~L² gβΔT / v, onde L é a escala de comprimento da fonte de calor e Δ T é o aumento de temperatura em relação a referência devido ao aquecimento.  g e β são a aceleração gravitacional e coeficiente de expansão térmica, respectivamente. Em temperaturas perto de 4 ° C, a densidade do meio de água apresenta dependência de temperatura anômalas e isso se traduz em um coeficiente de expansão térmica próximo de zero e, portanto, uma convecção originando muito pequeno.

Protocolo

1. Setup óptico

Nota: O princípio da instalação do óptico é ilustrado na Figura 1.

Pinça

1. conjunto até o óptico kit (veja a Tabela de materiais) e o módulo de fluorescência (ver Tabela de materiais) como por seus manuais. Conectar uma fonte de 470 nm azul luz emitindo luz de diodo (LED) para o módulo fluorescente.
2. Substituir a alta abertura numérica (NA) (at = 1.25, ampliação 100x) objectivo de imersão de óleo por um trabalho de longo distância objetivo do microscópio (WD) (comprimento focal 3,6 mm, WD = 10,6 mm, at = 0,5).
3. Remover a lente na seção expansão de feixe do kit montado para alcançar solto com foco de raio laser.
4. Vez na fonte de alimentação e a corrente para o laser de diodo de nm de comprimento de onda 980 e uso o carregado acoplado a câmera do dispositivo (CCD) para certificar-se de que o feixe de laser é alinhado corretamente.
   Nota: Se o feixe de laser é bem alinhado, a câmera CCD lerá um ponto Gaussian.

2. Nanofabricação

fabricação de marcador de

1. .
   Nota: Marcadores irão ajudar a posicionar a matriz de nanoplasmonic durante o processo de fabricação e o experimento de armadilhagem subsequentes. O processo detalhado é ilustrado na Figura complementar 1.
   1. Filme de óxido de estanho (ITO) de índio depósito 40 nm em uma lamela de espessura 0,17 mm com pulverização catódica.
      Nota: O filme ITO ajudará a descarga de elétrons durante o processo de litografia e-feixe subsequentes.
   2. Spin revestir uma camada de 8 µm de fotorresiste positivo com rotação velocidade 4000 rpm e tempo de 30 s, com um aplicador de rotação.
   3. Soft cozer a amostra a 90 ° C por 5 min e alinhar a amostra com a Fotomáscara para marcador e expor a amostra à luz para 80 UV s no alinhador de máscara.
   4. Embeber a amostra no desenvolvedor fotorresiste por 130 s.
   5. Depositar uma camada de 2 nm de crómio e uma camada de 40 nm de ouro para a amostra usando evaporação térmica. ¹⁸
   6. mergulhar a amostra em acetona e colocá-lo em um líquido de limpeza ultra-sônico que operam em 43 kHz e 150 W por 5 min para fora do elevador
2. Fabricação de matriz Nanoplasmonic
   1. casaco Spin uma camada de e-feixe resistir PMMA 120K com centrifugação 5000 rpm por 30 s em um aplicador de rotação. Asse a amostra a 160 ° C por 3 min em uma chapa quente.
   2. Spin revestir outra camada de resistir e-feixe PMMA 960K com centrifugação 5000 rpm por 30 s em um aplicador de rotação. Asse a amostra a 160 ° C por 3 min em uma chapa quente.
   3. Escritor e-feixe de uso para expor o feixe e resistir com aceleração tensão 30 kV e dosagem 400 C/cm ².
   4. Depositar uma camada de 40 nm de ouro em um evaporador térmico.
   5. Mergulhar a amostra em acetona e colocá-lo em um líquido de limpeza ultra-sônico por 5 min para fora do elevador

3. Exemplo de sistema de resfriamento e a calibração de temperatura

Nota: A amostra refrigerar cenografia é mostrada na complementar Figura 2.

1. Fazendo o circuito controlador para refrigeração de amostra
   1. Coloque os resistores, transistores de junção bipolar e transistores de efeito de campo de óxido de metal de poder na placa de circuito personalizada seguindo o diagrama de circuito da complementar Figura 3 . Todos esses componentes com ferro de solda de solda.
   2. Fios de conexão entre a porta de controle da placa de circuito e a placa de controle eletrônico. Ligue os fios entre a porta de saída da placa de circuito e resfriamento termoelétrico (TEC) elemento. Coloque o elemento TEC no palco a amostra com o calor a afundar-se.
      ​ Nota: TEC o elemento tem um buraco no centro para permitir que o feixe de laser passar.
   3. Fios de conexão da placa de circuito para 5 V de alimentação. Use a câmera infravermelha prospectiva para monitorar a temperatura para verificar se o resfriamento termoelétrico é corretamente refrigerar para baixo.
2. Calibração da temperatura medida na prospectivas câmera e resistência temperatura detector (IDT) termômetro infravermelho.
   1. Coloque o Termómetro RTD em uma lamela em branco e aplique uma pequena quantidade de pasta térmica para assegurar o adequado contato térmico entre o Termómetro RTD e lamela.
   2. Alterar o ajuste da potência de saída do circuito de controle eletrônico para elemento TEC, alterando o ciclo de trabalho de configuração de modulação de largura de pulso e esperar por 3 min certificar-se de que atingir a temperatura de estado estacionário. Leia a temperatura com o termômetro de IDT.
   3. Vez na câmera infravermelha olhando para a frente e monitor da temperatura. Repita isto em várias configurações de potência de saída para obter a curva de calibração de temperatura. Uma curva de calibração de temperatura representativa é mostrada na Figura complementar 4.
      Nota: É fundamental fazer calibração entre RTD termômetro e a câmera de infravermelha olhando para a frente porque a leitura da temperatura da câmara de infravermelha voltada para o futuro deve ser exactos para garantir a temperatura correta é alcangada.

4. Interceptação de micropartículas de

1. dilua micro partículas de poliestireno do diâmetro 2 µm em água deionizada em um microcentrifugetube de relação volume apropriado.
   Nota: A concentração de micro partículas pode ser ajustada de acordo com o objetivo do experimento. Enquanto menor concentração permite um intervalo de tempo de amostra entre eventos de armadilhagem única partícula, maior concentração encurtará o tempo para a captura de partículas múltiplas. Para a captura de partícula única, uma concentração típica é ~0.05% (w/v).
2. Colocar a amostra com a matriz nanoplasmonic no palco e ligar um 470 nm LED como fonte de luz de fluorescência e definir manualmente a potência de 5 mW para a imagem latente de campo brilhante.
3. Use o marcador para localizar a matriz nanoplasmonic, alinhe a amostra e usar a câmera do CCD para certificar-se de que a matriz está no centro da região de interesse na tela do computador.
4. Dispense 10 µ l das diluídos micro partículas de diâmetro 2 µm na amostra com uma pipeta micro.
5. Ligar a alimentação em corrente para o diodo de nm de comprimento de onda 980 para excitar a ressonância plasmônico da matriz com um poder no intervalo ~ 1 mW a 10 mW.
6. Manualmente, ligue a fonte de alimentação para a placa de controle eletrônico para resfriar a amostra para um estado constante de temperatura ~ 4 ° C.
7. No software visualizador, clique o " gravar vídeo " sequência para abrir a caixa de diálogo de gravação. Clique o " registro " botão para iniciar o vídeo 1.5 do movimento das partículas de micro, com uma taxa de quadros de 10 quadros/s de gravação da amostra sob a influência do feixe de laser, usando a câmera do CCD. Clique o " parar de " o botão para parar a gravação. Veja o vídeo 1.

Resultados

Trajetórias de partícula única foram gravadas por uma câmera CCD na nossa experiência e as imagens foram processadas com um programa personalizado para extrair trajetória^{16 do cada partícula}. Resultados representativos são exibidos na Figura 3 e 1 vídeo para microesferas com diâmetros de 2 µm. foram observadas várias armadilhas de partícula dentro lattice ótico. Imagens sucessivas, extraídas de um vídeo...

Discussão

O procedimento descrito aqui permite que o leitor reproduzir confiantemente armadilhas em uma base diária. Uma orientação empírica geral para projetar um lattice ótico utilizável é usar um tamanho comparável para plasmônico nanoarray, distância interdisc e preso o tamanho de partícula. Comparado a um nanostructure plasmônico único, isolado, o projeto de estrutura óptica em conjunto com a alta potência óptica proporcionada pelo resfriamento da amostra a ~ 4 ° C, usado aqui grandemente aumenta a probabilid...

Materiais

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