Die folgenden Setup-Ansatzes Details Low-Power-optische Fallen von dielektrischen Nanopartikel mit einem Doppel-nanohole in Metallfolie.
Optische Fallen ist eine Technik zum Immobilisieren und Manipulieren kleine Objekte auf schonende Weise mit Hilfe von Licht, und es wurde häufig in Einfangen und Manipulieren kleinen biologischen Partikel aufgebracht. Ashkin und Mitarbeiter erste optische Pinzette mit einem einzigen fokussierten Strahl 1 gezeigt. Das Einstrahl-Falle kann genau beschrieben unter Verwendung des perturbativen Gradientenkraft Formulierung im Falle von kleinen Teilchen ein Rayleigh-Regime. Im perturbativen Regime, die optische Leistung zum Einfangen eines Partikels Skalen als inverse vierten Potenz der Partikelgröße erforderlich. Hohe optische Kräfte beschädigen können dielektrische Teilchen und verursachen Heizung. So wurden gefangen Latexkugeln von 109 nm im Durchmesser von einem 15 mW Strahl in 25 sec 1, die schwerwiegende Folgen für die biologische Materie 2,3 zerstört hat.
Ein selbst-induzierter Back-Aktion (SIBA) optische Fallen wurde vorgeschlagen, 50 nm Polystyrol-Kügelchen in der Fallenichtperturbative Regimes 4. In einem nicht-perturbativen Regime kann selbst eine kleine Teilchen mit wenig Permittivität Kontrast zum Hintergrund signifikant beeinflussen die Umgebungstemperatur elektromagnetischen Feldes und induzieren eine große optische Kraft. Wie ein Teilchen tritt eine beleuchtete Blende, erhöht Lichtdurchlässigkeit dramatisch, weil der dielektrischen loading. Wenn das Teilchen versucht, die Öffnung zu verlassen, bewirkt verringerte Getriebe eine Veränderung des Impulses nach außen aus der Bohrung und durch Dritte Newton'sche, ergibt sich eine Kraft auf die Teilchen nach innen in das Loch, das Teilchen einzufangen. Die Lichtdurchlässigkeit kann überwacht werden, daher die Falle kann ein Sensor sein. Die SIBA Trapping Technik kann ferner durch die Verwendung eines Doppel-nanohole Struktur verbessert werden.
Die Doppel-nanohole Struktur hat sich gezeigt, um eine starke lokale Feldverstärkung 5,6. Zwischen den beiden scharfen Spitzen des doppelt nanohole kann eine kleine Teilchen zu einer großen Änderung der optischen transmission, wodurch Induktion einer großen optischen Kraft. Als Ergebnis können kleinere Nanopartikel eingeschlossen, wie zum Beispiel 12 nm Silikatkugeln 7 und 3,4 nm hydrodynamischen Radius Rinderserumalbumin Proteine 8 werden. In dieser Arbeit wird die experimentelle Konfiguration für Nanopartikel Trapping verwendet skizziert. Erstens haben wir Detail die Anordnung der Trapping-Setup, die auf einer Optische-Pinzette Thorlabs Kit basiert. Weiter erläutern wir die Nanofabrikation Verfahren des doppelseitigen nanohole in einem Metallfilm, der Herstellung der mikrofluidischen Kammer und der Probenvorbereitung. Schließlich bieten wir ausführlich den Einlesevorgang und typische Ergebnisse zum Einfangen 20 nm Polystyrol Nanokügelchen.
Das aktuelle Setup verfügt über wirksame Trapping Fähigkeiten aufgrund der Struktur des nanohole. Dies nanohole Fallen ~ 10 nm-Skala dielektrischen Teilchen bei niedrigen optischen Intensitäten. Andere neuartige optische Fallen umfassen optische Dipolantennen 11, Flüstern-Galerie-mode optischen Resonatoren 12,13 und Wellenleiter 14, aber sie typischerweise im perturbativen Regime betrieben, die von der vierten Ordnung inversen Skalierung der erforderlichen optischen Leistung als Funktion der Partikel begrenzt ist Größe, im Gegensatz zu den SIBA und doppelklicken nanohole Falle. Alternative Öffnungsformen haben auch zum Einfangen, wie etwa eine rechteckige plasmonischen Nanopore 15 vorgelegt. Andere günstige Eigenschaften durch den Doppelpfeil nanohole Trap gezeigt sind Korngröße-selektive Verhalten 7, eine einzelne Trapping Lage (zu Multi-Teilchens Trapping begrenzen) und 16 einfache Herstellung. Als Alternative zur Verwendung eines FIB können doppelsträngige Nano-Lochmuster unter Verwendung einer kolloidalen Lithographie hergestellt werdeny 6.
Einfangen von biologischen Materialien von großen Polarisierbarkeit und Größe hat Bakterien 3 enthalten, lebende Zellen 17,2,18, das Tabakmosaikvirus 3 und Manipulation und Streckung der DNA-Stränge an den Enden mit großen dielektrischen Partikel 19 angebunden, jedoch direkten Abfangen der kleineren biologischen Proben ohne Tethering bleibt eine Herausforderung. Dieses Einfangen Konfiguration fähig ist Einfangen kleinen dielektrischen Partikel bei niedrigeren Lichtintensitäten als herkömmliche Licht Pinzette und des kreisförmigen nanohole, es kleinen biologischen Partikel für längere Zeit ohne Beschädigung oder Halteseilelement stattfinden. Auch weisen die Trapping-Ereignissen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht diese Konfiguration als Sensor arbeiten und erkennen die kleinste biologische Partikel wie Viren und Proteine. In der Tat haben 20 nm Polystyrolkugeln einen Brechungsindex von 1,59, die vergleichbar mit den kleinsten Teilchen biologischewie Viren. Diese Methode könnte eine zuverlässige und ausgereifte Technik zur Immobilisierung und Manipulation von Nanopartikeln, einschließlich der biologischen Partikel zu werden.
Anwendungen dieser Technik gehören die Integration in einem mikrofluidischen Umgebung. Anstelle eines einzigen Mikrofluidik-Kammer, würde ein Kanal verwendet, um dynamisch steuern die Umgebung zum Brechungsindex sensing werden. Ein solches Setup würde in einem mikrofluidischen Chip was zu einer stabilen und robusten Aufbau und eine schnellere Analyse von gelösten Stoffen eingestellt werden. Eine weitere Option ist die Entwicklung eines Fluoreszenz-Detektion Schema zur Charakterisierung einzelner fluoreszierender-markierten Viren, Halbleiter-Quantenpunkten und grün fluoreszierende Proteine. Dieser Aufbau hat auch Potential zum Umrüsten auf einen Biosensor für einen einzigen Virus oder Protein, so dass sehr kleine Proben zu analysieren. Drug Discovery 21 und Krankheiten und Infektionen Detektion 22 würde von einem einzigen Protein-Detektor profitieren. Raman spectroscopy können zur Detektion von Raman-Signale von Partikeln und einzigen verbindlichen Veranstaltungen aufgenommen werden. Die Doppel-nanohole Struktur ermöglicht starke lokale Feld Erweiterungen an den Spitzen, geeignet für Tip-enhanced Raman-Spektroskopie 23. Eine hochspezifische label-freie Methode der Materialcharakterisierung wäre es auch möglich mit Hilfe der Raman-Spektroskopie 24.
The authors have nothing to disclose.
Wir erkennen Thorlabs für Sponsoring diese Veröffentlichung und die Finanzierung aus dem Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) of Canada Discovery Grant. Wir danken Bryce Cyr und Douglas Rennehan für die Produktion Unterstützung bei der Erstellung dieses Video Artikel.
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 |
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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 |
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Double Sided Tape | Any brand, not critical | ||
Razor Blade | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
Tweezers | Quantity: 1 Any brand, fine tipped |