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Captura óptica de nanopartículas

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

Summary

Os detalhes de instalação a seguir abordagem armadilhas de baixa potência óptica do dielétrico nanopartículas usando um duplo-nanohole no filme de metal.

Abstract

Captura óptica é uma técnica de imobilização e manipular pequenos objetos de uma maneira suave utilizando a luz, e que tem sido amplamente aplicado na captura e manipulação de pequenas partículas biológicas. Ashkin e colegas de trabalho demonstrou pela primeira vez pinças ópticas usando um único feixe focalizado 1. A armadilha único feixe pode ser descrito com precisão usando a formulação força perturbativa gradiente no caso de pequenas partículas de regime de Rayleigh 1. No regime perturbativa, a potência óptica requerida para capturar uma balança de partículas como a potência inversa quarto do tamanho de partícula. Altas potências ópticas podem danificar as partículas dielétricas e causar aquecimento. Por exemplo, esferas de látex de 109 presos nm de diâmetro foram destruídos por um feixe mW 15 em 25 seg 1, que tem sérias implicações para a matéria biológica 2,3.

A auto-indução de volta a ação-trapping (SIBA) óptico foi proposto para prender 50 esferas de poliestireno nm nonão-perturbativa regime 4. Em um regime não-perturbativa, mesmo uma partícula pequena com pouco contraste permissividade para o fundo pode influenciar significativamente o campo eletromagnético do ambiente e induzir uma grande força óptica. Como uma partícula entra uma abertura iluminada, a transmissão de luz aumenta drasticamente devido à carga de dielétrico. Se a partícula tenta sair da abertura, a transmissão diminuída provoca uma alteração na dinâmica para o exterior a partir do furo e, por Terceira Lei de Newton, resulta em uma força sobre as partículas para o interior no orifício, prendendo a partícula. A transmissão da luz pode ser monitorada, daí, a armadilha pode ser um sensor. A técnica de captura SIBA pode ser ainda mais melhorado através da utilização de uma estrutura de duplo nanohole.

A estrutura de dupla nanohole foi mostrado para dar um aumento do campo local forte 5,6. Entre as duas pontas afiadas da dupla nanohole, uma partícula pequena pode causar uma grande alteração na óptica transmission, induzindo assim uma grande força óptico. Como resultado, as nanopartículas podem ser interceptados mais pequenos, tais como esferas de silicato de 12 nm 3,4 nm 7 e hidrodinâmicos raio proteínas de albumina de soro bovino 8. Neste trabalho, a configuração experimental utilizado para a captura de nanopartículas é delineada. Em primeiro lugar, nós detalhe da montagem da instalação aprisionamento que se baseia em um Kit Pinça Thorlabs óptico. Em seguida, explicar o procedimento nanofabricação da dupla nanohole em um filme de metal, a fabricação da câmara de micro e a preparação da amostra. Por fim, detalhe o procedimento de aquisição de dados e fornecer os resultados típicos para capturar 20 nanoesferas de poliestireno nm.

Protocol

O princípio da técnica de aprisionamento SIBA é ilustrado na Figura 1. Figura 2 é um esquema da montagem experimental. 1. Configuração captura óptica Para esta seção do procedimento, consulte o manual do kit de captura óptica 9 ou óptico medições de força manual do módulo 10 para obter detalhes sobre a configuração dos kits. Note-se que um fotodiodo de avalanche (APD) é usado em vez de um detector de posição de quadrante. Para os parafusos não estão incluídos no kit de captura óptica, use os na tampa de rosca e kit de hardware (Thorlabs, HW-KIT2). Proteção dos olhos deve ser usado em todos os momentos em que o laser está ligada. Verifique se o feixe está contido dentro de uma área segura e acessórios reflexivos, tais como jóias, devem ser evitados. Além disso, proteção contra descarga eletrostática é aconselhável ao manusear diodos de laser. Configure o kit de pinça óptica (Thorlabs, OTKB / M) e da medição vigorurement módulo (Thorlabs, OTKBFM) como por seus respectivos manuais. Um fotodiodo de avalanche de silício (DPA) (Thorlabs, APD110A) é usada em vez da força de medição do módulo (Thorlabs, OTKBFM) quadrante detector de posição. Ligue a APD para um osciloscópio (Tektronics, TDS1012) através de um cabo coaxial. Adicionar uma placa de meia onda (Thorlabs, AHWP05M-980) no interior do expansor de feixe. A placa de meia onda é fixado entre dois tubos de lente (Thorlabs, SM1L03). 2. Nanofabricação Cortar uma lâmina de ouro revestido (EMF Corp, Cr / Au) em quatro partes iguais. Como uma alternativa para as lâminas disponíveis comercialmente, também utilizado um filme de 100 nm de espessura Au com uma camada de adesão 2 nm Ti depositado por deposição de feixe e para uma lâmina de vidro de 1 polegada quadrada a uma temperatura elevada do substrato de 200 ° C para a pelo menos 1 hora. Isto produz uma película policristalina lisa. Criar uma imagem bitmap da estrutura de dupla nanohole como a entrada parao sistema de feixe de íons focalizados (FIB) é um bitmap. A imagem é constituída por dois círculos sólidos, 160 nm de diâmetro, com um centro à distância centro de 190 nm. Este modelo cria uma separação da ponta de cerca de 15 nm. Entre os círculos, uma linha fina opcional pode ser colocada para remover qualquer resíduo de metal entre as pontas. Figura 3a mostra um exemplo de imagem de bitmap. Fabricar a estrutura de dupla nanohole usando um FIB (Hitachi, FB-2100) sistema de moagem. Converter o bitmap em passo 2.2 em um padrão de moagem FIB (a área escura no mapa de bits fica moído pela FIB). Use uma tensão de iões de aceleração de 40 kV, um feixe de abertura máxima de 15 um de diâmetro inferior a 60 vezes de ampliação K. Moinho 80 passa por cada dupla nanohole com um tempo de dosagem de 5 mseg em cada passagem. Figura 3b mostra uma típica estrutura resultante. Repita se necessário. Nano buracos apresentaram múltiplas devem ser feitas de maneira a permitir a erros. Adicionar os marcadores de registo, quer utilizando o FIB e / ou por he para indicar a localização aproximada do duplo nanohole (s). Opcionalmente, dar uma imagem SEM dos buracos para avaliar com precisão a qualidade e estrutura de ponta separação. 3. Microfluídicos Câmara Um diagrama de fluxo do processo para a fabricação da câmara de microfluidos é mostrado na Figura 4. Deitar 10 g de polidimetilsiloxano (PDMS) base (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Base de Silicone Elastomer) e um adicional de 1 g de agente de cura (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Silicone Agente de Cura Elastomer) em um copo descartável. Mistura-se durante alguns minutos. Evacuar mistura na câmara de vácuo até que todas as bolhas se foram. Despeje 1,5 g de PDMS em um prato centímetros de diâmetro 9 Petri. Spin-coat PDMS na parte inferior da placa de Petri de 950 rpm por 65 segundos Figura. 4b mostra o resultado. A espessura não é crítica, desde que ele esteja sob 80 um, a película de ouro está dentro da parte inferior do microscópio objetividadedistância de trabalho e de. Suavemente lugar 3-5 # 1.5 lamelas (Fisher Scientific, 12-541-B) sobre o PDMS tal que não se sobreponham e evacuar durante 30 min, como mostrado na Figura 4c. Se lamelas movido e empilhados uns em cima dos outros durante a evacuação, gentilmente movê-los um do outro. O cuidado deve ser tomado como manter PDMS sob lamínulas fina e uniforme. Se a manipulação de lamelas era necessário, evacuar placa de Petri de novo durante 30 min. Remover placa de Petri de câmara de vácuo e cozinhar em placa quente durante 20 minutos a 85 ° C. Usando uma lâmina de barbear, cortar um da tampa desliza suavemente, em seguida levante o slide usando uma pinça de ponta fina. Uma fina camada de PDMS permanecerá na lamela como PDMS é mais adesivo à lamela de vidro do que a placa de Petri PMMA como na Figura 4e. Cortar uma janela 3 x 3 mm na PDMS com uma lâmina de barbear, como no Figura 4F. Esta janela irá formar a câmara onde o nsolução anoparticle serão mantidos. 4. Preparação da Amostra Fabricar uma lâmina de microscópio com um orifício com diâmetro de ¾ "no centro utilizando acrílico. Isto pode ser conseguido com um cortador a laser. Outros materiais podem ser usados ​​também. A amostra de ouro será colocado no interior do furo. Circunferência fita do furo com fita dupla face. Use uma lâmina de barbear para cortar a fita em excesso. Colocar a lâmina do microscópio para a lamela, PDMS enfrentar. Dilui-se a solução de nanoesferas de poliestireno (Thermo Scientific, 3020A) de 1% w / v e 0,05% w / v usando água desionizada. A micropipeta pode ser usado. Adicionar algumas gotas de solução na janela de PDMS. Adicionar uma gota sobre a amostra de ouro onde os nano buracos apresentaram estão localizados. Lugar amostra de ouro sobre lamelas de tal modo que os nano buracos apresentaram estão dentro da janela de PDMS. Fazer bolhas certeza não estão presentes no interior da câmara. Pressione amostra de ouro contra lamela e dab qualquer excesso de solução. Se, utilizando uma objectiva de imersão em óleo (como é o caso aqui, mas não necessária), adicionar uma gota de óleo de imersão sobre o lado oposto da lamela, por baixo da janela de PDMS. Tome nota da localização das nano buracos apresentaram. Insira lâmina de microscópio em suporte de slides, o óleo para baixo, e depois titular inferior slide até óleo de imersão faz contato com a objetiva do microscópio. Cerca de alinhar fase de slides de tal forma que marcas indicador estão sob o objetivo. Siga linhas indicadoras que antecederam os nano buracos apresentaram. Slides posição tal que marcas indicadoras e outras áreas abertas são apuradas a partir do centro da tela. Transmissão de luz em excesso pode prejudicar a APD. Ligue laser. À medida que o espelho dicróico não é perfeito, um ponto perto do centro da tela a partir do feixe de laser deve ser exibida. Usando o software de controle de fase piezo, refinar ainda mais o alinhamento em todos os três eixos. 5. Aquisição de Dados Com o help das marcas indicadoras de posição, o local próximo de uma localização nanohole conhecido. Os nano buracos apresentaram será pequeno demais para ser resolvido e deve aparecer somente como manchas. A transmissão de luz através da amostra é indicado pelo nível de sinal no osciloscópio. Prosseguir o alinhamento da amostra, tal como para maximizar a transmissão de luz. Tenha cuidado com marcas indicadoras e arranhões visíveis e não-visíveis como a transmissão de luz será elevado nessas áreas. Nano buracos apresentaram mostrará mudanças súbitas da transmissão de luz enquanto arranhões apresentam mudanças mais graduais. Usando o waveplate, ajustar a polarização da luz para a maior transmissão de luz como a estrutura de dupla nanohole é polarizada. Para minimizar o ruído, construir um filtro RC com a breadboard, 200 e 100 kW resistor capacitor pF e conectá-lo após a APD através de um cabo coaxial. Estes valores podem ser ajustados para obter o melhor desempenho, considerando a largura de banda de aquisição de dados necessária. Ligue osciloscópio e dados acervoition módulo (Omega, USB-4711A) para o filtro RC com cabos coaxiais e adaptador T. Amostrar a voltagem de APD, utilizando o módulo de aquisição de dados para o tempo desejado. Tempos de aquisição são geralmente na ordem das centenas de segundos. Neste caso, um pacote de software personalizado foi utilizado para a aquisição de dados. A tensão é amostrado a 2000 vezes por segundo. Matlab, filtrar os dados adquiridos utilizando um filtro Savitzky-Golay e traçar-lo em função do tempo em um gráfico.

Representative Results

Um rastreio de aquisição típico é mostrado na Figura 5a. Um evento de captura é caracteristicamente brusca, com uma borda afiada, mostrando uma mudança clara entre dois níveis de potência de transmissão. Como as partículas estão sujeitas ao movimento browniano, os eventos de aprisionamento irá ocorrer aleatoriamente. Para 20 partículas nm, mudanças de transmissão de armadilhas eram normalmente em torno de 5-10% e tempos de armadilhas, em torno de 10-300 seg. O tempo típico para realizar um evento de aprisionamento para a alimentação e concentração acima apresentado é da ordem de um minuto. Devido ao impedimento estérico é incomum ver captura de partículas múltiplas simultaneamente, embora uma vez uma partícula é liberada, é tipicamente seguido por um evento posterior captura. Consoante a qualidade dos resultados obtidos, pode haver algum aumento do ruído de sinal no estado de presa. Este aumento do ruído vem do movimento browniano das partículas aprisionado. Sem a partícula presa, esta fonte de ruído não está presente. _content "> Alguns artefactos podem apresentar-se nos resultados que não são indicativos de eventos de armadilhagem. Resultados deriva, que mostram mudanças lentas na transmissão ao longo de um período de minutos, como mostrado na figura 5b, deve ser descartada. Outros artefactos podem também estar presentes, tais como mudanças de transmissão inconsistentes, barulho excessivo ou nenhuma retenção de todo. Por exemplo, pode fazer com que as bolhas de intensidade saltos descontínuos, se não for tomado cuidado para assegurar que a câmara seja livre de bolhas. Estas bolhas respondem de forma diferente aos acontecimentos de armadilhagem em termos de dinâmica mudança de comportamento e intensidade, e por isso eles são facilmente identificáveis. Tais sintomas podem ser causados ​​por uma estrutura de dupla nanohole pobres, contaminantes ou vibrações mecânicas. num ambiente calmo, de baixa atividade é altamente recomendado para colocar esta configuração. Além disso, permitindo a laser e fase para resolver alguns minutos após o alinhamento pode ajudar também. s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg "/> Figura 1 transmissão subwavelength abertura óptica: a) Sem partículas, b) transmissão aumentada, devido à partícula dieléctrico; c) Se as tentativas para deixar de partículas, a diminuição do impulso de luz (AT) fará com que uma força (F) sobre a partícula como a. puxá-lo para trás para dentro do buraco, d) Red-deslocamento da curva de transmissão causados ​​pela partícula, conduzindo à alteração do AT transmissão. . Figura 2 uma representação esquemática) Total de aprisionamento de configuração, o alargamento do círculo vermelho é mostrado em b), b) mostra o alargamento duplo nanohole, e as nanoesferas dentro da câmara de PDMS, c) imagem SEM da estrutura de dupla nanohole. Siglas utilizadas: LD = diodo laser; ODF = densidade óptica filtro; HWP = placa de meia onda; BE = expansor de feixe; MR = espelho; MO = objetiva do microscópio; OI MO = óleo immerobjetivo Sion microscópio; DH = duplo nanohole, APD = avalanche fotodetector. Figura 3 a) Exemplo figura bitmap usado na fabricação FIB;. B) Uma imagem SEM de uma dupla nanohole. Figura 4. Diagrama de processo para a fabricação da câmara de microfluidos. Figura 5. (A) aquisição típica de prender eventos com 20 esferas de poliestireno nm. (B) A aquisição pobre mostrando deriva aguda.

Discussion

A actual configuração tem capacidades de armadilhagem eficazes devido à estrutura do nanohole. Este armadilhas nanohole ~ 10 nm escala partículas dielétricas em baixas intensidades ópticas. Armadilhas outros novos ópticos incluem ópticos antenas dipolo 11, sussurrando-gallery mode-ressonadores ópticos 12,13 e 14 guias de onda, no entanto, que normalmente operam no regime perturbativo, que é limitado pela escala ordem inversa quarto da energia necessária óptico contra partículas tamanho, ao contrário do SIBA e duplo nanohole armadilha. Formas de abertura alternativos também têm sido apresentados para a captura, tal como um nanopore plasmonic rectangular 15. Outras qualidades favoráveis ​​apresentadas pela armadilha de duplo nanohole incluem o comportamento de tamanho de partícula selectivo 7, um local de retenção único (para limitar multi-partículas trapping) e facilidade de fabricação 16. Como uma alternativa ao uso de um FIB, double-nano buracos apresentaram pode ser fabricada usando uma litografia coloidaly 6.

Aprisionamento de materiais biológicos de polarizabilidade grande tamanho e incluiu bactérias 3, células vivas, 17,2,18, o vírus do mosaico do tabaco 3 e manipulação e alongamento de cadeias de ADN nas extremidades amarradas com grandes partículas dieléctricas 19, no entanto captura directa de menor amostras biológicas sem tethering permanece desafiador. Esta configuração trapping é capaz de prender pequenas partículas dielétricas em intensidades mais baixas de luz do que uma pinça de luz convencionais e nanohole circular, permitindo que pequenas partículas biológicas a ser realizada por longos períodos de tempo sem danos ou tethering. Além disso, os eventos de armadilhagem exibem uma relação sinal-para-ruído de alto permitindo esta configurado para trabalhar como um sensor sensível e detectar as menores partículas biológicas, tais como vírus e proteínas. De facto, 20 esferas de poliestireno nm tem um índice de refracção de 1,59, que é comparável com as menores partículas biológicascomo vírus. Este método poderia tornar-se uma técnica confiável e maduro para a imobilização e manipulação de nanopartículas, incluindo partículas biológicas.

Aplicações desta técnica incluem a integração em um ambiente de microfluídica. Em vez de uma única câmara de microfluidos, um canal seriam usados ​​para controlar dinamicamente o ambiente ideal para a detecção de índice de refracção. Tal configuração seria definido em um único chip microfluídico levando a uma configuração mais estável e robusto e mais rápido de análise de solutos. Outra opção é o desenvolvimento de um sistema de detecção de fluorescência para a caracterização de um único fluorescente etiquetados vírus, pontos quânticos de semicondutores e verde proteínas fluorescentes. Esta configuração também tem potencial para a modificação em um biossensor para um único vírus ou proteína, permitindo amostras muito pequenas para serem analisados. A descoberta da droga 21 e a detecção de doenças e infecções 22 beneficiariam de um detector de proteína única. Raman SPEctroscopy podem ser incorporados para a detecção de sinais de Raman de partículas individuais e eventos de ligação. A estrutura em dupla-nanohole permite fortes melhorias de campo locais nas pontas, apropriadas para a ponta melhorada, espectroscopia Raman 23. Um método altamente específico etiqueta livre de caracterização dos materiais também seria possível utilizando espectroscopia de Raman 24.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Reconhecemos Thorlabs por patrocinar esta publicação e financiamento da Ciências Naturais e Pesquisa de Engenharia Council (NSERC) do Canadá Discovery Grant. Agradecemos Bryce Cyr e Douglas Rennehan para assistência de produção na confecção deste artigo 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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References

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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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