Треппинг микро частиц в Nanoplasmonic оптической решетки

Резюме

Мы опишем процедуру для оптически ловушку микро частиц в nanoplasmonic оптической решетки.

Аннотация

Плазмонных Оптический пинцет был разработан преодолеть дифракционный пределы обычных далекое поле Оптический пинцет. Плазмонных оптической решетки состоит из массива наноструктур, которые демонстрируют разнообразие треппинга и поведения транспортного. Мы приводим экспериментальной процедуры в ловушку микро частиц в простой квадратный nanoplasmonic оптической решетки. Мы также обсудим, оптические установки и нанотехнологические nanoplasmonic массива. Оптический потенциал создается путем освещения массив золота nanodiscs с гауссова пучка 980 нм длины волны, и захватывающие плазмон резонанса. Движение частиц контролируется флуоресценции изображений. Схема для подавления яркостной конвекции также описана для увеличения использования оптической мощности для оптимального захвата. Подавление конвекции достигается путем охлаждения образца при низкой температуре и используя коэффициент теплового расширения почти нулевой водной среды. Здесь сообщается одной частицы транспорта и нескольких частиц треппинга.

Введение

Оптических улавливания частиц микро масштабе был первоначально разработан Артур Askin в начале 1970-х годов. Когда-либо с момента его изобретения техника была разработана как универсальный инструмент для микро - и деятельность^1,2. Обычные оптические треппинг основаны на дальнем поле-упором принцип по сути ограничены дифракцией в пространственной изоляции, которой резко снижается сила треппинга (следующий ~³ закон для частицы радиусом ) ³. для преодоления таких ограничений дифракции, исследователи разработали методы ближнепольной оптической треппинга на основе затухающих оптического поля, используя плазмонных металлических наноструктур и, Кроме того, треппинг наноразмерных объектов вниз один белковых молекул была продемонстрирована в^{4,5,6,,78,9,10,11}. Кроме того плазмонных оптической решетки создается из массивов периодических наноструктур плазмонных придать большие расстояния микро - и наночастиц и несколько частиц укладки^11,12. Одним из основных препятствий, чтобы сорвать треппинга в оптической решетки является яркостной конвекции и усилия для выяснения его последствия были сделаны несколько групп^14,,1516,17. С помощью функции Грина, Baffou et al. Расчет температурного профиля путем моделирования каждого плазмонных наноструктуры как подогреватель точки и затем экспериментально проверяются их модель¹⁴. Toussant группа также измеряется плазмон индуцированной конвекция с частиц Велосиметрия¹⁵. Автора группа также характеризуется рядом с полем и конвекционный транспорта и продемонстрировал инженерной стратегии подавить яркостной конвекции^16,17.

Здесь мы представляем дизайн оптические установки и подробные процедуры специально для треппинга экспериментов с плазмонных оптической решетки. Оптический потенциал был создан освещает массив золота nanodiscs с слабо фокусированный луч Гаусса. Схема для подавления яркостной конвекции охлаждать вниз образца при низкой температуре (~ 4 ° C) для оптимального захвата является также описать здесь¹⁷. При приближении Буссинеска, порядок оценки для естественной конвекции скорости u задаётся u ~L² gβΔT / v, где L является шкала длина источника тепла и Δ T является повышение температуры относительно ссылки из-за нагрева.  g и β являются гравитационное ускорение и коэффициент теплового расширения, соответственно. При температурах около 4 ° C плотность воды среды экспонатов аномальных температурная зависимость и это переводит в коэффициент теплового расширения почти нуля и, следовательно, исчезающе малой яркостной конвекции.

протокол

1. оптические установки

Примечание: принцип оптические установки проиллюстрирован на рис. 1.

1. Комплект вверх Оптический пинцет комплекта (см. Таблицу материалы) и флуоресценции модуля (см. Таблицу материалы) согласно их руководства. Подключите источник 470 Нм синий свет излучает свет диод (LED) к модулю флуоресцентные.
2. Заменить высокая числовая апертура (NA) (NA = 1,25, увеличение 100 x) цель погружения нефти на продолжительное рабочее расстояние (WD) Микроскоп цель (Фокусное 3.6 мм, WD = 10,6 мм, NA = 0,5).
3. Удалить объектив в разделе Расширение луч собранный комплект для достижения свободные фокусировки луча.
4. Поворот на блок питания и ток для лазерного диода волны 980 нм и использования взимается сочетании камеры устройства (CCD) чтобы убедиться, что лазерный луч выровнен.
   Примечание: Если лазерный луч хорошо выровненные, CCD камера будет читать пятно Гаусса.

2. Нанотехнологические

изготовление маркер

1. .
   Примечание: Маркеры поможет позиции массива nanoplasmonic во время процесса изготовления и последующего улавливания эксперимент. Подробный процесс проиллюстрирован в дополнительный рисунок 1.
   1. Депозит 40 Нм Индий оксид олова (ITO) фильм на coverslip толщина 0.17 мм с напылением.
      Примечание: Ито фильм поможет выполнить электронов в процессе последующих электронно лучевая литография.
   2. Спина пальто 8 мкм слоя позитивного фоторезиста с закруткой скорость 4000 об/мин и времени 30 s с спин coater.
   3. Мягкая испечь образца на 90 ° C за 5 мин и выравнивание образца с фотошаблонов для маркера и разоблачить образца к Ультрафиолетовому свету для 80 s в маске выравниватель.
   4. Замочить образца в фоторезиста разработчик для 130 s.
   5. Депозит 2 nm покрытие из хрома и 40 Нм слой золота на образце с помощью термическое испарение. ¹⁸
   6. замочить образца в ацетоне и поместить его в ультразвуковой очиститель работающих на 43 кГц и 150 Вт 5 минут для подъема выкл
2. Изготовления Nanoplasmonic массив
   1. спина слой слой e-Beam противостоять ПММА 120K с скорость отжима 5000 об/мин за 30 s на спин coater. Испечь образца при 160 ° C 3 мин на горячей плите.
   2. Спина пальто еще один слой e луч противостоять ПММА 960K с скорость отжима 5000 об/мин за 30 s на спин coater. Испечь образца при 160 ° C 3 мин на горячей плите.
   3. Использование e луч писатель подвергать e луч противостоять с ускорение напряжения 30 кв и дозировке 400 C/см ².
   4. Депозит 40 Нм слой золота в тепловой испарителя.
   5. Замочите образца в ацетоне и поместите его в ультразвуковой очиститель для 5 мин для подъема выкл

3. Образец, система охлаждения и его калибровка температуры

Примечание: дополнительный рисунок 2 приведен пример, охлаждения сценографии.

1. Сделать цепи драйвера для охлаждения образца
   1. место, резисторы, биполярных транзисторов и власти окиси металла полевых транзисторов на пользовательских печатной плате, следуя схеме в дополнительного рисунок 3 . Все эти компоненты с паяльника припой.
   2. Подключить провода между портом управления печатной плате и электронного управления. Подключите провода между порт вывода плат и термоэлектрические охлаждающие (TEC) элемент. Поместите элемент TEC на сцене образца с тепла, тонущий.
      ​ Примечание: TEC элемент имеет отверстие в центре, чтобы позволить лазерный луч пройти.
   3. Подключить провода от платы до 5 V блок питания. Используйте перспективной инфракрасной камеры для мониторинга температуры для проверки, если термоэлектрические охлаждающие должным образом охлаждать вниз.
2. Калибровка температуры в перспективной инфракрасной камеры и сопротивления детектор (RTD) термометр.
   1. Место RTD термометр на пустой coverslip и применить небольшое количество тепловой пасты на него для обеспечения надлежащего термического контакта между RTD термометр и coverslip.
   2. Изменить параметр выходной мощности цепи электронного управления ПИС элемент, изменив Скважность импульсов ширина модуляция параметра и ждать 3 минут, чтобы убедиться, что достигается температура устойчивого состояния. Чтение температуры RTD термометр.
   3. Поворот на вперед ищет инфракрасная камера и монитор температуры. Повторите эту процедуру на различных параметров выходной мощности для получения калибровочной кривой температуры. Представитель температуры калибровочной кривой показан дополнительный рисунок 4.
      Примечание: Важно сделать калибровка между RTD термометр и перспективной инфракрасной камеры, потому что чтение температуры перспективной инфракрасной камеры должны быть точным для обеспечения правильной температуры.

4. Захвата микрочастиц

1. развести микро полистирола частицы диаметром 2 мкм в деионизированной воде в microcentrifugetube с соотношением надлежащего объема.
   Примечание: Согласно цели эксперимента можно регулировать концентрацию микрочастиц. В то время как низкой концентрации позволяет образец интервал времени между одной частицы треппинга события, концентрация сократит время для нескольких частиц треппинга. Для треппинга одной частицы, типичная концентрация является ~0.05% (w/v).
2. Поместить образец с nanoplasmonic массива на сцене и включите 470 Нм ВОДИТЬ как источник света флуоресцирования и вручную установить мощность до 5 МВт для светлые области изображения.
3. Использовать маркер, чтобы найти nanoplasmonic массив, выравнивание образца и использовать камеры на ПЗС, чтобы убедиться, что массив находится в центре региона интерес на экране компьютера.
4. Обойтись 10 мкл разбавленного микро частиц диаметром 2 мкм на образце с микро дозаторов.
5. Включите электропитание для лазерный диод волны 980 нм для возбуждения резонанса плазмонных массива с мощностью в диапазоне ~ 1 МВт до 10 МВт.
6. Вручную Включите источник питания в Правление электронного управления для охлаждения образца на установившемся температуры ~ 4 ° C.
7. В viewer программного обеспечения, нажмите кнопку " запись видео " последовательность, чтобы открыть диалоговое окно запись. Нажмите кнопку " запись " кнопку, чтобы начать видеозапись 1.5 движения микрочастиц кадра со скоростью 10 кадров в секунду на образец под воздействием лазерного луча с помощью камеры на ПЗС. Нажмите кнопку " остановить " кнопку, чтобы остановить запись. Смотрите видео 1.

Результаты

Траекторий одной частицы были записаны с помощью CCD камеры в нашем эксперименте и образы были затем обрабатываются с помощью пользовательской программы для извлечения каждой частицы траектории¹⁶. Представитель результаты отображаются на рису...

Обсуждение

Процедура, описанная здесь позволяет читателю достоверно воспроизвести треппинга на ежедневной основе. Эмпирическое правило для разработки использовать оптические решетки является использование сопоставимого размера для плазмонных nanoarray, interdisc расстояние и размер частиц в ловушке. ...

Материалы

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