नैनोकणों के लिए ऑप्टिकल फँसाने
Summary
निम्न सेटअप दृष्टिकोण ढांकता हुआ शक्ति कम ऑप्टिकल फँसाने विवरण धातु फिल्म में एक डबल nanohole नैनोकणों उपयोग.
Abstract
Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton’s Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.
Protocol
Representative Results
Discussion
वर्तमान सेटअप प्रभावी फँसाने nanohole की संरचना के कारण क्षमता है. यह nanohole जाल ~ 10 एनएम पैमाने पर कम तीव्रता में ऑप्टिकल ढांकता हुआ कणों. तथापि, वे आम तौर पर घबड़ाहटपूर्ण शासन में काम करते हैं, जो व्युत्क्रम आवश्यक ऑप्टिकल शक्ति बनाम कण के चौथे क्रम स्केलिंग द्वारा सीमित है, अन्य उपन्यास ऑप्टिकल जाल ऑप्टिकल द्विध्रुवीय 11 एंटेना, फुसफुसा गैलरी मोड ऑप्टिकल resonators 12,13 और 14 waveguides शामिल SIBA और डबल nanohole जाल के विपरीत आकार,. वैकल्पिक एपर्चर आकार भी एक आयताकार plasmonic nanopore 15 के रूप में फँसाने, के लिए प्रस्तुत किया गया है. अन्य अनुकूल जाल डबल nanohole दिखाया गुणों कण आकार चयनात्मक 7 व्यवहार, एक एकल फँसाने स्थान (बहु – कण फँसाने की सीमा) और 16 निर्माण की आसानी शामिल हैं. एक FIB का उपयोग करने के लिए एक विकल्प के रूप में, डबल nanoholes एक कोलाइडयन लिथोग्राफ का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता है6 y.
फँसाने बड़े polarizability और आकार के जैविक सामग्री के 3 बैक्टीरिया शामिल किया गया है, 17,2,18 कोशिकाओं, तम्बाकू मोज़ेक वायरस 3 और हेरफेर रहने वाले और डीएनए बड़े ढांकता हुआ कणों 19 के साथ समाप्त होता है पर सीमित किस्में के खींच, तथापि, छोटे फँसाने के प्रत्यक्ष tethering बिना जैविक नमूने चुनौती बनी हुई है. यह फँसाने विन्यास पारंपरिक प्रकाश चिमटी और परिपत्र nanohole से कम प्रकाश की तीव्रता में छोटे ढांकता हुआ कणों को फँसाने, छोटे जैविक कणों क्षति या tethering बिना समय की लंबी अवधि के लिए आयोजित करने के लिए अनुमति के लिए सक्षम है. इसके अलावा, फँसाने घटनाओं एक उच्च संकेत करने वाली शोर अनुपात इस सेटअप एक संवेदनशील सेंसर के रूप में काम करने के लिए और वायरस और प्रोटीन के रूप में छोटी जैविक कणों का पता लगाने की अनुमति दिखा रहे हैं. वास्तव में, 20 एनएम polystyrene क्षेत्रों 1.59 अपवर्तक सूचकांक के है जो छोटी जैविक कणों के तुलनीय हैइस तरह के वायरस के रूप में. इस विधि स्थिरीकरण और नैनोकणों के हेरफेर के लिए एक विश्वसनीय और परिपक्व तकनीक जैविक कणों सहित, हो सकता है.
इस तकनीक का आवेदन एक microfluidic वातावरण में एकीकरण शामिल हैं. बजाय एक microfluidic चैम्बर के एक चैनल के लिए गतिशील पर्यावरण को नियंत्रित करने के लिए, अपवर्तक सूचकांक संवेदन के लिए आदर्श के लिए इस्तेमाल किया जाएगा. इस तरह के एक सेटअप एक microfluidic चिप एक अधिक स्थिर और मजबूत सेटअप और विलेय के तेजी से विश्लेषण करने के लिए अग्रणी में स्थापित किया जाएगा. एक अन्य विकल्प एक फ्लोरोसेंट टैग वायरस, अर्धचालक क्वांटम डॉट्स और हरी फ्लोरोसेंट प्रोटीन के लक्षण वर्णन के लिए एक प्रतिदीप्ति पता लगाने की योजना के विकास है. इस सेटअप भी एक वायरस या प्रोटीन के लिए एक biosensor में संशोधन के लिए की क्षमता है, बहुत छोटे नमूनों का विश्लेषण करने के लिए अनुमति देता है. नशीली दवाओं के 21 खोज और बीमारी और संक्रमण 22 का पता लगाने एक एकल प्रोटीन डिटेक्टर से लाभ होगा. रमन विशेषctroscopy कणों और एक बंधन घटनाओं के रमन संकेतों का पता लगाने के लिए शामिल किया जा सकता है. डबल nanohole संरचना मजबूत सुझावों पर स्थानीय क्षेत्र संवर्द्धन, टिप बढ़ाया रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी 23 के लिए उपयुक्त की अनुमति देता है. एक अत्यंत विशिष्ट सामग्री लक्षण के लेबल से मुक्त विधि भी संभव हो सकता है रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कर 24.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम इस और प्राकृतिक विज्ञान और कनाडा डिस्कवरी अनुदान के इंजीनियरिंग अनुसंधान परिषद (NSERC) से प्रकाशन के धन को प्रायोजित करने के लिए Thorlabs को स्वीकार करते हैं. हम इस वीडियो लेख के निर्माण में उत्पादन सहायता के लिए Bryce Cyr और डगलस Rennehan धन्यवाद.
Materials
| Name | Manufacturer | Serial Number | Comments |
| Immersion Oil | Cargille Labs | 16484 | Quantity: 1 |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning Canada | Quantity: 1 Contains both PDMS base and curing agent |
|
| Gold Coated Test Slides | EMF Corp | Cr/Au | Quantity: 1 A Ti adhesion layer can be used as well |
| No 1.5 Coverslips | Fisher Scientific | 12-541-B | Quantity: 1 |
| Focused-Ion Beam System | Hitachi | FB-2100 | |
| Portable Data Acquisition Module | Omega Engineering | USB-4711A | Quantity: 1 |
| Linear Stage | Parker | 4034M | Quantity: 1 |
| Laser Diode Head and Controller | Sacher Lasertechnik Group | TEC 120 | Quantity: 1 Manual Tunable Littrow Laser System |
| Digital Oscilloscope | Tektronics | TDS1012 | Quantity: 1 |
| 20 nm Nanosphere Size Standards | Thermo Scientific | 3020A | Quantity: 1 |
| 1″ Lens Mount | Thorlabs | LMR1 | Quantity: 1 |
| 0.3″ Lens Tube | Thorlabs | SM1L03 | Quantity: 2 |
| Absorptive ND 4.0 Filter | Thorlabs | NE40A | Quantity: 1 |
| Aluminum Breadboard | Thorlabs | MB1824 | Quantity: 1 |
| Avalanche Photodiode | Thorlabs | APD110A | Quantity: 1 |
| Digital Optical Power Meter | Thorlabs | PM100 | Quantity: 1 Obsolete, others will do |
| Force Measurement Module | Thorlabs | OTKBFM | Quantity: 1 |
| Kinematic Mirror Mount | Thorlabs | KM200-E03 | Quantity: 1 With Near IR Laser Quality Mirror |
| Laser Diode Constant Current Driver | Thorlabs | LD1255R | Quantity: 1 |
| LD1255 Optical Table Mounting Plate | Thorlabs | LD1255P | Quantity: 1 |
| Mounted Achromatic Half-Wave Plate | Thorlabs | AHWP05M-980 | Quantity: 1 690 – 1200 nm |
| Optical Tweezer Kit | Thorlabs | OTKB/M | Quantity: 1 Metric or Imperial |
| Post Holder Base | Thorlabs | BA2 | Quantity: 2 |
| Power Supply | Thorlabs | PS-12DC-US | Quantity: 1 |
| Power Supply Cable | Thorlabs | LD1255-CAB | Quantity: 1 |
| Right Angle Plate | Thorlabs | AP90 | Quantity: 1 |
| Right Angle Post Clamp | Thorlabs | RA90 | Quantity: 1 |
| Stainless Steel Optical Post | Thorlabs | TR3 | Quantity: 1 |
| Table Clamp | Thorlabs | CL1 | Quantity: 2 Obsolete, others will do |
| Thermal Sensor | Thorlabs | PM210 | Quantity: 1 For digital optical power meter |
| 100 pF Capacitor | Quantity: 1 Any brand, not critical |
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| 200 KOhm Resistor | Quantity: 1 Any brand, not critical |
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| Acrylic Sheet | Quantity: 3″ x 1″ Any brand, not critical |
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| Assortment of coaxial cables, wires and connectors | As needed | ||
| Breadboard | Quantity: 1 Any brand, not critical |
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| Concave Lens | Quantity: 1 Any brand, not critical |
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| Diamond Cutter | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Double Sided Tape | Any brand, not critical | ||
| Razor Blade | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Tweezers | Quantity: 1 Any brand, fine tipped |
Referências
- 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).
- Liu, Y., et al. Evidence for localized cell heating induced by infrared optical tweezers. Biophys. J. 68, 2137-2144 (1995).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria. Science. 235, 1517-1520 (1987).
- Juan, M. L., Gordon, R., Pang, Y., Eftekhari, F., Quidant, R. Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles. Nature Phys. 5, 915-919 (2009).
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