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Engenharia

Trampas ópticas de las nanopartículas

Published: January 15, 2013
doi:
10.3791/4424
, , , ,
1Electrical and Computer Engineering,University of Victoria

Summary

Los detalles de configuración siguientes enfoque captura de baja potencia óptica de las nanopartículas con un dieléctrico doble nanohole en la película de metal.

Abstract

Trampas ópticas es una técnica para inmovilizar y manipular objetos pequeños de una manera suave con la luz, y se ha aplicado ampliamente para atrapar y manipular pequeñas partículas biológicas. Ashkin y sus colaboradores demostraron por primera vez las pinzas ópticas con un solo haz enfocado 1. La trampa de la única viga puede ser descrito con precisión utilizando la formulación de gradiente de fuerza perturbativa en el caso de pequeñas partículas régimen de Rayleigh 1. En el régimen perturbativo, la potencia óptica requerida para la captura de una báscula de partículas como la cuarta potencia inversa del tamaño de partícula. Altas potencias ópticas pueden dañar partículas dieléctricas y causar calentamiento. Por ejemplo, atrapados esferas de látex de 109 nm de diámetro, fueron destruidos por un rayo mW 15 en 25 seg 1, lo que tiene graves consecuencias para la materia biológica 2,3.

Un auto-inducido back-acción (SIBA) Pinzas ópticas, se propuso atrapar 50 esferas de poliestireno nm en elno perturbativa régimen 4. En un régimen no perturbativa, incluso una partícula pequeña con contraste permitividad poco para el fondo puede influir significativamente en el campo electromagnético ambiente e inducir una fuerza óptica de gran tamaño. Cuando una partícula entra en una abertura de iluminación, la transmisión de luz se incrementa dramáticamente debido a la carga dieléctrica. Si la partícula intenta salir de la abertura, disminución de la transmisión provoca un cambio en el impulso hacia afuera desde el agujero y, por la tercera ley de Newton, resulta en una fuerza sobre las partículas hacia el interior en el orificio, atrapando la partícula. La transmisión de la luz se puede controlar, por lo que la trampa puede convertirse en un sensor. La técnica para atrapar SIBA puede mejorarse aún más mediante el uso de una estructura de doble nanohole.

La estructura de doble nanohole se ha demostrado que dan un fuerte aumento local de campo 5,6. Entre las dos puntas agudas de la doble nanohole, una partícula pequeña puede causar un gran cambio en la óptica transmission, induciendo de ese modo una fuerza óptica de gran tamaño. Como resultado, las nanopartículas más pequeñas pueden ser atrapados, tales como 12 nm esferas de silicato de 7 y 3,4 nm hidrodinámicas radio proteínas de albúmina de suero bovino 8. En este trabajo, la configuración experimental utilizada para la captura de nanopartículas se describen. En primer lugar, se detalla el montaje de la instalación de trampas que se basa en un kit de pinzas Thorlabs óptica. A continuación, se explica el procedimiento de la nanofabricación de doble nanohole en una película de metal, la fabricación de la cámara de microfluidos y la preparación de la muestra. Por último, se detalla el procedimiento de adquisición de datos y proporcionar resultados típicos para atrapar nanoesferas de poliestireno de 20 nm.

Protocol

El principio de la técnica de captura SIBA se ilustra en la Figura 1. Figura 2 es un esquema de la configuración experimental. 1. Configuración de captura óptica Para esta parte del procedimiento, consulte el kit de captura óptica manual 9 o la fuerza de medición óptica módulo manual 10 para obtener detalles sobre la configuración de los equipos. Tenga en cuenta que un fotodiodo de avalancha (APD) se utiliza en lugar de un detector de posición cuadrante. Para tornillos no incluidos en el kit de captura óptica, utilice aquellas en el tornillo de la tapa y el kit de hardware (Thorlabs, HW-KIT2). Protección de los ojos se deben usar en todo momento cuando el láser está encendido. Asegúrese de que la viga está contenida dentro de una zona segura y accesorios reflectantes, tales como joyería, debe ser evitado. Además, la protección de descarga electrostática es aconsejable cuando el manejo de diodos láser. Instale el kit de pinzas ópticas (Thorlabs, OTKB / M) y la fuerza measdición módulo (Thorlabs, OTKBFM) según sus respectivos manuales. Un fotodiodo de avalancha a base de silicio (APD) (Thorlabs, APD110A) se utiliza en lugar de la fuerza de módulo de medición (Thorlabs, OTKBFM) detector de cuadrante posición. Conectar la APD a un osciloscopio (Tektronics, TDS1012) a través de un cable coaxial. Añadir una placa de media onda (Thorlabs, AHWP05M-980) en el interior del expansor de haz. La placa de media onda está fijada entre dos tubos de lente (Thorlabs, SM1L03). 2. Nanofabricación Corte un portaobjetos recubierto de oro (EMF Corp, Cr / Au) en cuatro trozos iguales. Como una alternativa a los portaobjetos comercialmente disponibles, también hemos utilizado una película de 100 nm de espesor de Au con una capa de adhesión 2 nm Ti depositados por deposición de haz de electrones sobre un portaobjetos de vidrio de 1 pulgada cuadrada a una temperatura elevada sustrato de 200 ° C durante menos al menos 1 hora. Esto produce una película policristalina suave. Crear una imagen de mapa de bits de la estructura de doble nanohole como entradael ion haz enfocado (FIB) es un sistema de mapa de bits. La imagen se compone de dos círculos sólidos, 160 nm de diámetro con una distancia de centro a centro de 190 nm. Esta plantilla crea una separación punta de aproximadamente 15 nm. Entre los círculos, una delgada línea opcional se puede colocar para eliminar cualquier residuo de metal entre las puntas. Figura 3a muestra una imagen de mapa de bits ejemplo. Fabrique la estructura de doble nanohole utilizando un FIB (Hitachi, FB-2100) sistema de molienda. Convertir el mapa de bits en el paso 2.2 en una figura de fresado FIB (la zona oscura en el mapa de bits se elaborado, de la FIB). Utilice una tensión de aceleración de iones de 40 kV, un rayo abertura límite de 15 m de diámetro de menos de 60 K veces de aumento. Mill ochenta pasa por cada doble nanohole con un tiempo de dosis de 5 microsegundos en cada pasada. Figura 3b muestra una estructura típica resultante. Repita según sea necesario. Nanoagujeros múltiples deben hacerse para permitir errores. Añadir marcas de registro, ya sea utilizando la FIB y / o por hy para indicar la ubicación aproximada de la doble nanohole (s). Si lo desea, tomar una imagen de SEM de los agujeros para evaluar con precisión la calidad de la estructura y la separación de la punta. 3. Microfluidic Cámara Un diagrama de flujo del proceso para la fabricación de la cámara de microfluidos se muestra en la Figura 4. Verter 10 g de polidimetilsiloxano (PDMS) base (Dow Corning Canadá, Sylgard 184 base de elastómero de silicona) y un adicional de 1 g de agente de curado (Dow Corning Canadá, Sylgard 184 Elastómero de Silicona agente de curado) en un vaso desechable. Mezclar durante unos minutos. Evacuar la mezcla en la cámara de vacío hasta que todas las burbujas se han ido. Vierta 1,5 g de PDMS en un 9 cm diámetro del plato de Petri. Centrifugación capa PDMS en la parte inferior de cápsula Petri a 950 rpm durante 65 seg. Figura 4b muestra el resultado. El espesor no es crítica siempre y cuando está bajo 80 micras; la película de oro se encuentra dentro de la parte inferior microscopio objetivdistancia de trabajo de e. Suavemente lugar 3-5 # 1.5 cubreobjetos (Fisher Scientific, 12-541-B) en la forma que no se superpongan y evacuar por 30 min, como se muestra en la Figura 4c PDMS. Si cubreobjetos movido y apiladas una encima de la otra durante la evacuación, suavemente mover el uno del otro. Se debe tener cuidado de mantener PDMS bajo cubreobjetos finas y uniformes. Si la manipulación de cubreobjetos se requiere, evacuar placa de Petri de nuevo durante 30 min. Retire placa de Petri de la cámara de vacío y cocinar en la placa caliente durante 20 minutos a 85 ° C. Usando una hoja de afeitar, cortar una de la cubierta se desliza suavemente levante la diapositiva con unas pinzas finas puntas. Una fina capa de PDMS se quedará en el cubreobjetos como PDMS es más adhesivo a la hoja de la cubierta de cristal de la placa de Petri como PMMA en la Figura 4e. Cortar un 3 x 3 mm en la ventana de PDMS con una cuchilla de afeitar como en la Figura 4F. Esta ventana se forma la cámara donde el nsolución anoparticle se mantendrá. 4. Preparación de la muestra Fabricar un portaobjetos de microscopio con un orificio de diámetro de ¾ "en el centro con acrílico. Esto se puede lograr con un cortador láser. Otros materiales pueden ser utilizados también. La muestra de oro se coloca dentro del agujero. Cinta de la circunferencia del agujero con cinta de doble cara. Use una hoja de afeitar para cortar el exceso de cinta. Ponga el porta microscopio sobre el cubreobjetos, PDMS boca arriba. Diluir la solución de nanoesferas de poliestireno (Thermo Scientific, 3020A) de 1% w / v a 0,05% w / v con agua desionizada. Una micropipeta puede ser utilizado. Añadir unas cuantas gotas de la solución en la ventana de PDMS. Agregue una gota sobre la muestra de oro donde los nanoagujeros se encuentran. Colocar la muestra de oro en la parte superior de cubreobjetos de modo que los nanoagujeros están dentro de la ventana de PDMS. Hacer burbujas de seguros no están presentes en el interior de la cámara. Presione muestra de oro contra el cubreobjetos y aplique cualquier exceso de solución. Si se utiliza un objetivo de inmersión en aceite (como es el caso aquí, pero no es necesario), se añade una gota de aceite de inmersión en el lado opuesto del cubreobjetos, debajo de la ventana de PDMS. Tomar nota de la ubicación de los nanoagujeros. Inserte portaobjetos en el soporte de diapositivas, aceite hacia abajo, y luego baje soporte de diapositivas hasta que el aceite de inmersión entra en contacto con el objetivo del microscopio. Aproximadamente alinear fase de la diapositiva de manera que las marcas indicadoras están por debajo del objetivo. Siga las líneas indicadoras que conducen a los nanoagujeros. Posición tal que las marcas indicadoras y otras áreas abiertas se compensan desde el centro de la pantalla de diapositivas. Transmisión de la luz excesiva puede dañar la APD. Encienda el láser. Como el espejo dicroico no es perfecto, un punto cerca del centro de la pantalla del haz de láser debe aparecer. Usando el software de control piezo etapa, perfeccionar la alineación en los tres ejes. 5. Adquisición de Datos Con el help de las marcas del indicador, la posición del punto cerca de una ubicación nanohole conocida. Los nanoagujeros será demasiado pequeño para ser resueltos y sólo debe aparecer como manchas. La transmisión de la luz a través de la muestra se indica por el nivel de la señal en el osciloscopio. Continuar la armonización de la muestra como para maximizar la transmisión de luz. Tenga cuidado con las marcas indicadoras y arañazos visibles y no visibles como la transmisión de luz serán altos en estas áreas. Nanoagujeros mostrará saltos repentinos en la transmisión de la luz, mientras que los arañazos presentar cambios más graduales. Uso de la placa de onda, ajustar la polarización de la luz para la máxima transmisión de la luz como la estructura de doble nanohole está polarizada. Para minimizar el ruido, construir un filtro RC con la placa, 200 KOhmios resistencia y condensador de 100 pF y conectarlo después de la APD a través de un cable coaxial. Estos valores pueden ajustarse para un mejor rendimiento, teniendo en cuenta el ancho de banda de adquisición de datos requerido. Conecte el osciloscopio y el acervo de datosmódulo ition (Omega, USB-4711A) para el filtro RC con cables coaxiales y el adaptador T. Muestra de tensión de la APD mediante el módulo de adquisición de datos durante el tiempo deseado. Tiempo de adquisición están típicamente en los cientos de segundos. En este caso, un paquete de software personalizado se utiliza para la adquisición de datos. La tensión es muestreada a 2.000 veces por segundo. Utilizando Matlab, filtrar los datos obtenidos utilizando un filtro de Savitzky-Golay y trazar su relación con el tiempo en un gráfico.

Representative Results

Una traza de adquisición típico se muestra en la Figura 5a. Un proceso de captura es característicamente súbita, con un borde afilado, que muestra un conmutador entre dos niveles de transmisión de potencia. Cuando las partículas están sujetas a movimiento browniano, los eventos de captura se producen al azar. Durante 20 nm partículas, cambios de transmisión de captura eran por lo general alrededor de un 5-10% y los tiempos de captura, alrededor de 10-300 seg. El tiempo típico para conseguir un proceso de captura de la potencia y la concentración se describió anteriormente es del orden de un minuto. Debido al impedimento estérico es raro ver a atrapamiento de partículas múltiples simultáneamente, aunque una vez que una partícula es liberado, es típicamente seguido por un proceso de captura posterior. Dependiendo de la calidad de los resultados, puede haber un cierto aumento en el ruido de señal en el estado atrapado. Este aumento de ruido proviene del movimiento browniano de las partículas atrapadas. Sin la partícula atrapada, esta fuente de ruido no está presente. _content "> Algunos objetos pueden aparecer en los resultados que no son indicativos de los eventos de captura. Los resultados que muestran los cambios a la deriva, lentos en la transmisión a través de un período de minutos, como se muestra en la Figura 5b, debe desecharse. Otros artefactos también pueden estar presentes como los cambios inconsistentes transmisión, ruido excesivo o captura no en todos. Por ejemplo, las burbujas pueden causar saltos discontinuos intensidad si no se tiene cuidado para asegurarse de que la cámara esté libre de burbujas. Estas burbujas se responden de manera diferente a los eventos de captura en términos de dinámica cambio de comportamiento e intensidad, por lo que son fácilmente identificables. Estos síntomas podrían ser causados ​​por una deficiente estructura de doble nanohole, contaminantes o vibraciones mecánicas. Un tranquilo, de baja actividad ajuste se recomienda colocar esta configuración. Asimismo, permitiendo láser y escenario para resolver unos minutos después de alinear puede ayudar también. s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/> Figura 1 transmisión subwavelength abertura óptica: a) Sin partícula, b) aumento de la transmisión debido a la partícula dieléctrica, c) Si los intentos de dejar de partículas, la disminución del impulso de luz (DT) causará una fuerza (F) sobre la partícula como hacerlo. tira de ella en el agujero; d) Red de desplazamiento de la curva de transmisión causada por la partícula, lo que lleva al cambio en la DT transmisión. . Figura 2 una representación esquemática) global de captura de configuración, la ampliación de círculo rojo se muestra en b); b) La ampliación que muestra la doble nanohole, y las nanoesferas dentro de la cámara de PDMS, c) imagen de SEM de la estructura de doble nanohole. Siglas utilizadas: LD = diodo láser; ODF = densidad óptica filtro; HWP = placa de media onda, BE = expansor de haz, MR = espejo, MO = objetivo de microscopio; OI MO = aceite de inmersiónobjetivo sión microscopio DH = doble nanohole; APD = avalancha fotodetector. Figura 3 una figura de ejemplo) de mapa de bits utilizado en la fabricación FIB;. B) una imagen de SEM de una doble nanohole. Figura 4. Diagrama del proceso para la fabricación de la cámara de microfluidos. Figura 5. (A) la adquisición típica de atrapar eventos con 20 nm esferas de poliestireno. (B) Una adquisición pobre que muestra la deriva aguda.

Discussion

La configuración actual tiene capacidades eficaces de captura debido a la estructura de la nanohole. Esto atrapa nanohole ~ 10 nm escala partículas dieléctricas a bajas intensidades ópticas. Otras trampas ópticas novedosas ópticas incluyen antenas dipolo 11, susurrando en modo de galería resonadores ópticos 12,13 y 14 guías de onda, sin embargo, por lo general operan en el régimen perturbativa, que está limitada por la escala orden inverso a la cuarta parte de la potencia óptica requerida frente a partículas tamaño, a diferencia de la SIBA y la trampa de doble nanohole. Formas alternativas de abertura también se han presentado para la captura, tal como un rectangular nanopore plasmónica 15. Otras cualidades favorables mostrados por la trampa de doble nanohole incluyen comportamiento de las partículas de tamaño selectivo 7, un lugar de captura única (para limitar multi-partícula de captura) y la facilidad de fabricación 16. Como una alternativa al uso de un FIB, de doble nanoagujeros se pueden fabricar mediante el uso de una litografía coloidaly 6.

La captura de los materiales biológicos de gran polarizabilidad y el tamaño de las bacterias ha incluido 3, las células vivas 17,2,18, el virus del mosaico del tabaco 3 y la manipulación y el estiramiento de hebras de ADN atados en los extremos con grandes partículas dieléctricas 19, sin embargo, la captura directa de menor muestras biológicas sin tethering sigue siendo un reto. Esta configuración de captura es capaz de atrapar pequeñas partículas dieléctricas a intensidades de luz más bajas que las pinzas convencionales de luz y la nanohole circular, permitiendo que pequeñas partículas biológicas que se celebrará durante largos períodos de tiempo sin daño o tethering. También, los eventos de captura no exhiben una alta relación de señal a ruido que permite esta configuración para funcionar como un sensor sensible y detectar las partículas más pequeñas biológicos, tales como virus y proteínas. De hecho, esferas de poliestireno de 20 nm tiene un índice de refracción de 1,59 que es comparable a las más pequeñas partículas biológicastales como los virus. Este método podría ser una técnica fiable y madura para la inmovilización y la manipulación de nanopartículas, incluyendo las partículas biológicas.

Las aplicaciones de esta técnica incluyen la integración en un entorno de microfluidos. En lugar de una sola cámara de microfluidos, un canal se utiliza para controlar dinámicamente el medio ambiente, ideal para la detección de índice de refracción. Esta configuración se encuentra en un solo chip microfluídico que conduce a una configuración más estable y robusto y un análisis más rápido de los solutos. Otra opción es el desarrollo de un sistema de detección por fluorescencia para la caracterización de un solo fluorescente etiquetados con los virus, los puntos cuánticos semiconductores y proteínas fluorescentes verdes. Esta configuración también tiene potencial para la modificación en un biosensor para un solo virus o proteína, permitiendo que las muestras muy pequeñas para ser analizados. El descubrimiento de fármacos 21 y de la enfermedad y la infección de detección 22 se beneficiaría de un detector sola proteína. Raman espectroscopy puede ser incorporado para la detección de señales de Raman de las partículas individuales y eventos de unión. La estructura de doble nanohole permite fuertes mejoras de campo locales en las puntas, como corresponde a punta mejorada espectroscopia Raman 23. Un altamente específico etiqueta libre de método de caracterización de los materiales también sería posible utilizando espectroscopia Raman 24.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Reconocemos Thorlabs por patrocinar esta publicación y la financiación de la Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación (NSERC), de Canadá Discovery Grant. Damos las gracias a Bryce Cyr y Rennehan Douglas para la asistencia de producción en la elaboración de este artículo de vídeo.

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
200 KOhm Resistor Quantity: 1
Any brand, not critical
Acrylic Sheet Quantity: 3″ x 1″
Any brand, not critical
Assortment of coaxial cables, wires and connectors As needed
Breadboard Quantity: 1
Any brand, not critical
Concave Lens Quantity: 1
Any brand, not critical
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
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Referências

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  21. Weber-Bargioni, A., et al. Hyperspectral nanoscale imaging on dielectric substrates with coaxial optical antenna scan probes. Nano Lett. 11, 1201-1207 (2011).

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Optical TrappingNanoparticlesImmobilizingManipulatingGentle WayLightOptical TweezersFocused BeamPerturbative Gradient Force FormulationRayleigh Regime ParticlesOptical PowerDielectric ParticlesHeatingSelf-induced Back-action (SIBA) Optical TrappingPolystyrene SpheresNon-perturbative RegimePermittivity ContrastElectromagnetic FieldOptical Force

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Citar este artigo
Bergeron, J., Zehtabi-Oskuie, A., Ghaffari, S., Pang, Y., Gordon, R. Optical Trapping of Nanoparticles. J. Vis. Exp. (71), e4424, doi:10.3791/4424 (2013).
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