JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Biz optik mikro-parçacıklar nanoplasmonic optik kafes tuzak açıklayınız.

Özet

Plazmonik optik cımbız geleneksel uzak alan optik cımbız kırınım sınırlarını aşmak için geliştirilmiştir. Plazmonik optik kafes çeşitli yakalama ve taşıma davranışlar sergilemek nanoyapıların bir dizi oluşur. Biz mikro-parçacıklar bir basit kare nanoplasmonic optik kafes tuzak için deneysel yordamları raporu. Ayrıca optik kurulum ve nanoplasmonic dizi nanofabrication açıklar. Optik potansiyel altın nanodiscs bir dizi ile 980 nm dalga boyu ve heyecan verici plasmon rezonans Gauss ışını aydınlatıcı tarafından oluşturulur. Parçacıklar hareket Floresans görüntüleme tarafından izlenir. Photothermal konveksiyon bastırmak için bir program da en uygun bindirme için kullanışlı optik gücünü artırmak için tanımlanır. Konveksiyon bastırılması, örnek için bir düşük sıcaklık soğutma ve su orta sıfıra yakın termal genleşme katsayısı kullanarak elde edilir. Tek parçacık taşıma ve birden çok parçacık bindirme burada rapor edilir.

Giriş

Mikro ölçekli parçacıkların optik yakalama aslında 1970'lerde Arthur Askin tarafından geliştirildi. Hiç onun icat beri mikro - ve nanomanipulation1,2için çok yönlü bir araç olarak teknik geliştirilmiştir. Geleneksel optik uzakta-tarla üzerinde tabanlı bindirme ilke odaklanarak doğal olarak sınırlı neyin bindirme kuvvet azalır ölçüde onun kayma doğumdan kırınım tarafından (aşağıdaki bir ~3 hukuk bir parçacık Radius için bir) 3. böyle kırınım sınırları aşmak için araştırmacılar yakın alan optik bindirme tekniklerini kullanarak Plazmonik metalik taşınımı fani optik alanına göre geliştirdik ve ayrıca, aşağı için Nano yakalama nesneleri Tek protein molekülleri gösterdiği4,oldu5,6,7,8,9,10,11. Ayrıca, Plazmonik optik kafes mikro ve nano tanecikleri ve birden çok parçacık yığın11,12uzun menzilli taşımacılığı tanımak periyodik Plazmonik nanoyapıların bir dizi oluşturulur. Photothermal konveksiyon bindirme optik bir kafes içinde bozmaya bir diğer önemli engel olduğunu ve çabaları etkileri aydınlatmak için çeşitli gruplar14,15,16,17tarafından yapılmıştır. Green fonksiyonu kullanarak, Baffou vd. Plazmonik her nanostructure bir nokta ısıtıcı olarak modelleyerek bir sıcaklık profil hesaplanan ve deneysel olarak onların modeli14doğrulanmış. Toussant'ın grup Ayrıca plasmon kaynaklı konveksiyon parçacık velosimetri15ile ölçülen. Yazarın grup aynı zamanda hem yakın alan ve convectional taşıma ile karakterize olan ve photothermal konveksiyon16,17bastırmak için mühendislik bir strateji gösterdi.

Burada Plazmonik optik kafes ile optik bir kurulum ve bindirme deneyler için özel olarak ayrıntılı bir yordam tasarımı mevcut. Optik potansiyel gevşek odaklı bir Gauss ışını ile altın nanodiscs bir dizi aydınlatıcı tarafından oluşturuldu. Ayrıca burada tarif17photothermal konveksiyon düşük sıcaklık (~ 4 ° C) için örnek aşağı soğutma için en uygun bindirme bastırmak için bir program olduğunu. Boussinesq yaklaşım altında bir büyüklük tahmini için doğal konveksiyon hız u u tarafından verilir ~L2 gβΔT / v m uzunluk ölçek ısı kaynağı ve Δ nerede, T göreli başvuru nedeniyle Isıtma sıcaklık artmasıdır.  g ve β yerçekimi ivmesi ve termal genleşme katsayısı, sırasıyla vardır. 4 ° C yakın ısılarda anormal sıcaklık bağımlılığı su Orta yoğunluk sergiler ve sıfıra yakın termal genleşme katsayısı ve vanishingly küçük photothermal konveksiyon, bu nedenle, bu çevirir.

Protokol

1. optik kurulum

Not: optik kurulum prensibi şekil 1 ' de gösterildiği.

  1. Set up optik cımbız takımı (Tablo reçetesi görmek) ve floresan modülü (Tablo malzemeleri görmek) aynı derecede onların kılavuzları. 470 nm ışık yayan diyot (LED) ışık mavi kaynak floresan modüle bağlanın.
  2. Yüksek sayısal diyafram (NA) yerine (NA 1,25, = büyütme 100 x) yağı daldırma amaç uzun bir çalışma ile mesafe (WD) mikroskop objektif (odak uzaklığı 3.6 mm, WD 10,6 mm, NA = 0,5 =).
  3. Objektif gevşek lazer demeti odaklanarak elde etmek için monte kiti ışın genişleme bölümü kaldırmak.
  4. Dönüş güç kaynağı ve lazer için geçerli diyot dalga boyu 980 nm ve kullanım şarj edilmiş birleştiğinde lazer ışını düzgün hizalanmış emin olmak için aygıt (CCD) kamera.
    Not: lazer ışını iyi hizalanmış ise, CCD kamera bir Gauss nokta okuyacaktır.

2. Nanofabrication

  1. Marker imalat.
    Not: İşaretleri imalat süreci ve sonraki bindirme deney sırasında nanoplasmonic dizi konumlandırmak için yardımcı olacaktır. Ayrıntılı işlem ek şekil 1 ' de gösterilmiştir.
    1. Mevduat 40 nm indiyum kalay oksit (ITO) film kalınlığı SAÇTIRMA ile 0,17 mm coverslip.
      Not: Sonraki e-beam Taş baskı işlemi sırasında elektron deşarj ITO filmin yardımcı olacak.
    2. Spin kat olumlu fotorezist spin ile bir 8 µm tabaka hız 4000 devir/dakika ve 30 saniyelik bir spin coater ile.
    3. Yumuşak örnek 5 min için 90 ° C'de pişirin ve işaretçi için photomask ile örnek hizalamak ve UV ışığı için 80 örneğe karşı karşıya maskesi aligner s.
    4. 130 fotorezist geliştirici örnek emmek s.
    5. Krom 2 nm tabakası ve termal buharlaşma kullanarak örnek altınları 40 nm tabakası Kasası. 18
    6. aseton örnekte ıslatın ve yer o bir ultrasonik temizleyici sömürge-43 kHz ve 150 W 5 min için Asansör kapalı için
  2. İmalat, Nanoplasmonic dizi
    1. Spin kat e-beam tabakası direnmek PMMA 120K ile eğirmek hız 30 için 5000 d/d spin coater s. Örnek 3 dk sıcak tabakta 160 ° C'de pişirin.
    2. Spin kat başka tabaka-in e-beam resist PMMA 960K ile eğirmek hız 30 için 5000 d/d spin coater s. Örnek 3 dk sıcak tabakta 160 ° C'de pişirin.
    3. Kullanım e-beam yazar e-beam ortaya çıkarmak için direnmek ivme gerilim 30 kV ve dozaj 400 C/cm 2.
    4. Altın 40 nm tabakası bir termal Evaporatör mevduat.
    5. Aseton örnekte ıslatın ve Asansör kesildiği için 5 min için bir ultrasonik temizleyici yerleştirin

3. Soğutma sistemi ve onun sıcaklık kalibrasyonu örnek

Not: Sahne tasarımı soğutma örnek ek Şekil 2 ' de gösterildiği.

  1. Soğutma örnek
    1. dirençler, bipolar junction transistör ve güç metal oksit alan etkili transistörler devre şeması tamamlayıcı şekil 3'te takip ederek özel devre kartı üzerinde yerleştirmek için sürücü devresi yapma . Tüm bu bileşenleri havya ile lehim.
    2. Bağlan bağlantı denetim noktası devre panosunu ve elektronik kontrol kurulu arasında teller. Çıkış bağlantı noktası devre kartı ve thermoelectrical soğutma (TEC) öğesi arasında telleri bağlamak. TEC öğesini Sahne Alanı'nda örnek batan ısı ile yerleştirmek.
      ​ Not: TEC öğesinin sonuna kadar gitmek lazer ışını izin vermek için merkezi bir delik vardır.
    3. Bağlan teller devre kartı üzerinden 5 V güç kaynağı. Thermoelectrical soğutma düzgün soğutma Eğer kontrol etmek için sıcaklık izlemek için ileri görüşlü kızılötesi kamera kullanın.
  2. İleri görüşlü kızılötesi kamera ve direnç sıcaklık dedektörü (AR-GE) termometre ölçülen sıcaklık kalibrasyonu.
    1. Üzerinde boş bir coverslip Ar-Ge termometre yerleştirin ve termal macun üzerine Ar-Ge termometre ve coverslip arasında uygun termal temas emin olmak için az miktarda uygulamak.
    2. İş hacmi darbe genişlik modülasyonu ayarı değiştirerek TEC öğesine elektronik kontrol devre çıkış güç ayarını değiştirmek ve kararlı duruma sıcaklık ulaşıldığında emin olmak 3 dakika bekleyin. Ar-Ge termometre kullanarak sıcaklık okuyun.
    3. Dönüş ileri seyir kızılötesi kamera ve İzleyicisi sıcaklık. Bu sıcaklık kalibrasyon eğrisi elde etmek için çeşitli çıkış güç ayarları işlemi yineleyin. Bir temsilci sıcaklık kalibrasyon eğrisi ek şekil 4 ' te gösterilen.
      Not: Bu ileri görüşlü kızılötesi kamera sıcaklık okuma doğru sıcaklık ulaşıldığında emin olmak için doğru olmalıdır çünkü ileri seyir kızılötesi kamera arasındaki Ar-Ge termometre kalibrasyonu yapmak çok önemlidir.

4. Microparticles bindirme

bir microcentrifugetube uygun hacim oranı ile deiyonize suyla çapı 2 µm
  1. Dilute mikro polistren parçacıkların.
    Not: Mikro parçacıklar konsantrasyonu denemenin amacı göre ayarlanabilir. Düşük yoğunluklu bir örnek zaman aralığı tek parçacık yakalama olayları arasında izin verirken, daha yüksek konsantrasyon birden çok parçacık yakalama süre kısaltacaktır. Tek parçacık bindirme için tipik bir konsantrasyon ~0.05% (w/v) mı.
  2. Nanoplasmonic dizi ile örnek sahneye koydu ve bir 470 açmak nm LED Floresan ışık kaynağı olarak ve el ile güç 5 olarak ayarlayın mW parlak alan görüntüleme için.
  3. Nanoplasmonic dizi bulun, örnek hizalamak için işaretçiyi kullanın ve CCD kamera dizidir bilgisayar ekranında ilgi bölgesinin merkezinde emin olmak için kullanın.
  4. Dağıtmak 10 µL çapı 2 µm örneği bir mikro pipet ile seyreltilmiş mikro parçacıkların.
  5. 10 Aralık ~ 1 mW güç ile dizinin Plazmonik rezonans heyecanlandırmak için dalga boyu 980 nm lazer diyot için geçerli tedarik açın mW.
  6. El ile örnek bir kararlı duruma sıcaklık ~ 4 ° c sakin için elektronik kontrol kartına güç kaynağı açın
  7. Viewer yazılımı tıklatın " video kaydetmek " sıra kayıt iletişim kutusunu açmak için. ' I tıklatın " Kayıt " video CCD kamera ile lazer ışını etkisi altında örnek üzerinden 1.5 mikro parçacıklar 10 kare/sn bir kare hızında hareket kaydı başlatmak için düğmeyi. ' I tıklatın " durdurmak " düğme-e doğru durmak belgili tanımlık yazmak. Video 1 bkz.

Sonuçlar

Tek parçacık yörüngeleri deneyimiz CCD kamera tarafından kaydedildi ve görüntüleri daha sonra her parçacığın yörünge16ayıklamak için özel bir programla işlendi. Temsilcisi sonuçları şekil 3 ve Video 1 Mikro-küre çapı 2 µm. optik kafes içinde birden çok parçacık ziynet gözlendi için görüntülenir. Art arda gelen resimler bir parçacık temsilcisi hareket videodan çıkarılan

Tartışmalar

Burada açıklanan yordamı güvenilir bir şekilde yeniden yakalama günlük okuyucu sağlar. Kullanışlı bir optik kafes tasarlamak için genel bir ampirik kılavuz Plazmonik nanoarray, interdisc mesafe, karşılaştırılabilir bir boyutu kullanmaktır ve partikül büyüklüğü tuzağa. Bir tek, izole Plazmonik nanostructure için karşılaştırıldığında, yüksek optik güç ~ 4 ° c burada büyük ölçüde kullanılan örnek soğutma tarafından tanınan ile birlikte optik kafes tasarım yakalama olasılı?...

Açıklamalar

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

Y. T. Y. destek Bakanlığı bilim ve teknoloji grant numaraları en 105-2221-E-007-MY3 altında ve ulusal Tsing Hua Üniversitesi grant numaraları 105N518CE1 ve 106N518CE1 altında finansman kabul etmek istiyorum.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Thermoelectric cooling elementThorlabsTEC 1.4-6TEC element for sample cooling
RTD thermometerOmega EngineeringRTD Thermometer 969C
Forward looking infrared cameraFLIR FLIR OneIR camera for temperature monitoring
light emitting diode light sourceTouchbrightLight source for illumination for fluorescent imaging
Long working distance objectiveOlympusLMPLFLNFor illuminating the sample and imaging
Optical trap kitThorlabsOTKB/M
Cover slipthickness 0.17 mm
Scanning electron microscopeHitachiSEM-Hitachi S3400N
Electron beam blankerDEBENPCD beam blankerthe blanker is added to the scanning electron microscope 
Thermal evaporatorSYSKEY Technology
Mask alignerKarl SussMJB 3For marker fabrication
Electron beam resistSigma AlrichPMMA 120KFor e-beam lithography
Electron beam resistSigma AlrichPMMA 960KFor e-beam lithography
Fluoresent labeled polystyrene microspheresPolyscience2 um diameter
Bipolar transistorMouser2N3904quantity 2 for TEC driver circuit
Bipolar transistorMouser2N3906quantity 2 for TEC driver circuit
MOSFET power transistorMouserIRF5305quantity 2 for TEC driver circuit
MOSFET power transistorMouserIRF131ONquantity 2 for TEC driver circuit
10 kOhm resistorMouserquantity 6 for TEC driver circuit
910 Ohm resistorMouserquantity 2 for TEC driver circuit
PhotoresistMicrochemicalsAZ4620For marker fabrication
AcetoneSigma AlrichFor marker fabrication
Fluorescence Module for the OTKB/M, Metric ThreadsThorlabsOTKB-FL/M
Fluorescent filter setThorlabsMDF-FITCFor Fluorescein Isothiocyanate (FITC)
Ultrasonic cleanerDeltaDC150HFor the lift off step

Referanslar

  1. Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).
  2. Grier, D. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 21-27 (2003).
  3. Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. Radiation on trapping forces with optical tweezers. Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).
  4. Kawata, S., Tani, T. Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide. Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).
  5. Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. Optical Manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides. Nature. 457, 71-75 (2009).
  6. Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. Optical manipulation with planar silicon microring resonators. Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).
  7. Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators. Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).
  8. Lin, S., Crozier, K. Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles. Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).
  9. Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., R, Plasmonic nano optical tweezers. Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).
  10. Huang, J. S., Yang, Y. -. T. The origin and future of plasmonic optical tweezer. Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).
  11. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of single protein. Nano Lett. 12, 402-406 (2012).
  12. Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. -. T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
  13. Cuche, A., Stein, B., Canguier-Durand, A., Devaux, E., Genet, C., Ebbesen, T. W. Brownian motion in a designer force field: Dynamical effects of negative refraction on nanoparticles. Nano Lett. 12, 4329-4332 (2012).
  14. Baffou, G., Berto, P., Urena, E. B., Quidant, R., Monnert, S. J., Polleux, J., Righeault, H. Photoinduced heating of nanoparticle arrays. ACS Nano. 8, 6478-6488 (2013).
  15. Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. Understanding and controlling plasmon-induced convection. Nat. Commun. 5, (2014).
  16. Yang, T. P., Yossifon, G., Yang, Y. -. T. Characterization of the near-field and convectional transport behavior of micro and nano particles in nanoscale plasmonic optical lattice. Biomicrofluidics. 10, 034102 (2016).
  17. Chen, Y. -. C., Yossifon, G., Yang, Y. -. T. Supression of phtothermal convection of micro particles in two dimensional nanoplamonic optical lattice. Appl. Phys. Lett. 109, 201111 (2016).
  18. Smith, D. . Thin film deposition: principles and practice. , (1995).
  19. Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres. Sci. Rep. 2, 966 (2012).
  20. Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas. Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).
  21. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 2011 (11), 3763-3767 (2011).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

Biyom hendisliksay 127Plasmonicsoptik c mb zoptik kafesBrown harekethavaciliknanopartik l

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır