تصنيع وتشغيل الحزام الناقل النانو البصرية
Summary
The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.
Abstract
وقد مكنت هذه التقنية على استخدام أشعة الليزر المركزة إلى اعتراض وممارسة القوات على جزيئات صغيرة العديد من الاكتشافات محورية في العلوم البيولوجية والفيزيائية النانوية على مدى العقود القليلة الماضية. التقدم المحرز في هذا المجال يدعو إلى مزيد من الدراسة للنظم أصغر وعلى نطاق أوسع، مع الأدوات التي يمكن توزيعها أكثر سهولة وإتاحتها على نطاق أوسع. وللأسف، فإن القوانين الأساسية للحيود الحد الأدنى من حجم نقطة بؤرية من شعاع الليزر، مما يجعل جزيئات أصغر من نصف الطول الموجي في قطر الصعب فخ ويمنع عموما عامل من التمييز بين الجزيئات التي هي أقرب معا من نصف واحد -الطول الموجي. هذا يحول دون التلاعب البصري من العديد من الجسيمات النانوية المتقاربة ويحد القرار من الأنظمة الميكانيكية والبصرية. وعلاوة على ذلك، والتلاعب باستخدام أشعة مركزة يتطلب البصريات تشكيل شعاع أو القيادة، والتي يمكن أن تكون ضخمة جدا ومكلفة. الي العنوانهذه القيود في قابلية النظام التقليدي محاصرة البصرية مختبرنا قد ابتكر تقنية بديلة التي تستخدم البصريات قرب حقل للتحرك الجزيئات عبر رقاقة. بدلا من التركيز أشعة الليزر في الميدان الآن، وقرب حقل البصري المرنانات plasmonic تنتج ما يلزم المحلي وتعزيز كثافة بصرية للتغلب على القيود المفروضة على حيود والتلاعب الجزيئات في دقة أعلى. المرنانات متباعدة عن كثب تنتج الفخاخ البصرية القوية التي يمكن معالجتها للتوسط في اليد والخروج من الجزيئات من واحدة إلى أخرى بطريقة الحزام الناقل الشبيهة. هنا، نحن تصف كيفية تصميم وانتاج حزام ناقل باستخدام سطح الذهب منقوشة مع plasmonic المرنانات C على شكل وكيفية تشغيلها مع ضوء الليزر المستقطب لتحقيق فائقة الدقة جسيمات متناهية الصغر التلاعب والنقل. يمكن أن تنتج الحزام الناقل رقاقة نانو الضوئية باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية وتعبئتها بسهولة وتوزيعها.
Introduction
القبض والاستجواب والتلاعب النانوية واحدة ذات أهمية متزايدة في تكنولوجيا النانو. أصبحت ملاقط بصرية تقنية التلاعب ناجحة بشكل خاص للتجارب في علم الأحياء الجزيئي 1-4، 5-7 الكيمياء والنانو التجمع 10/7، حيث مكنت التجارب اختراق مثل قياس الخواص الميكانيكية للجزيئات DNA واحدة 4 و الفرز من الخلايا الخصائص البصرية الخاصة بهم 11،12. اكتشافات على هذه الحدود تفتح دراسة النظم حتى أصغر، وأنها تشق طريقها للهندسة المنتجات والتقنيات المفيدة عمليا الجديدة. في المقابل، فإن هذا الاتجاه يدفع الحاجة إلى تقنيات جديدة لمعالجة أصغر الجسيمات أكثر بدائية. وبالإضافة إلى ذلك، هناك مسعى لبناء أجهزة "المختبر على واحد في رقاقة" لأداء هذه المهام أكثر بثمن بخس ومجموعة أصغر من أجل تحقيق الاختبارات الكيميائية والبيولوجية منمختبر والى الميدان للأغراض الطبية وغيرها من 13،14.
للأسف، محاصرة الضوئية التقليدية (COT) لا يمكن تلبية كل الطلبات المتزايدة تكنولوجيا النانو. COT تعمل على آلية استخدام الفتحة العددية عالية (NA) عدسة موضوعية لتحقيق ضوء الليزر إلى التركيز ضيق، وخلق ذروة المحلية في كثافة بصرية والتدرجات عالية في مجال الطاقة الكهرومغناطيسية. هذه التدرجات كثافة الطاقة تمارس قوة صافية على جزيئات تشتت الضوء والتي تحدد عادة لهم في نحو وسط التركيز. محاصرة جسيمات أصغر يتطلب الطاقة الضوئية أعلى أو التركيز أكثر إحكاما. ومع ذلك، والحزم تركز الضوء الانصياع لمبدأ الحيود، الأمر الذي يحد من حجم الحد الأدنى من نقطة بؤرية ويضع الحد الأعلى من التدرج كثافة الطاقة. هذا وقد اثنين من النتائج الفورية: أشياء صغيرة COT لا يمكن فخ بكفاءة، وCOT لديه مشكلة التمييز بين الجزيئات متباعدة عن كثب، وهو قرار محاصرةالحد المعروفة باسم مشكلة "أصابع الدهون. بالإضافة إلى ذلك، تنفيذ العديد من محاصرة الجسيمات مع COT يتطلب أنظمة البصريات شعاع القيادة أو جهري ضوء المكانية، والمكونات التي تزيد بشكل كبير من تكلفة وتعقيد نظام محاصرة البصرية.
وقال احد طريقة للالتفاف على القيود الأساسية للأشعة مركزة التقليدية للضوء لنشر في الحقل البعيد، هو أن بدلا من ذلك استغلال التدرجات من الطاقة الكهرومغناطيسية الضوئية في الحقل القريب. يضمحل مجال القريب أضعافا مضاعفة بعيدا عن مصادر المجالات الكهرومغناطيسية، مما يعني أنه ليس فقط لأنه المترجمة للغاية لهذه المصادر، لكنه يسلك أيضا التدرجات عالية جدا في كثافة الطاقة. الحقول القريبة من المرنانات النانو المعدنية، مثل فتحات ربطة العنق، وأعمدة نانو، والنقوش على شكل حرف C، وقد ثبت أن يحمل تركيزات غير عادية من الطاقة الكهرومغناطيسية، وتعزيز مزيد من العمل plasmonic من الذهب والفضة في شبه infrموجات حمراء مكتوب والبصرية. وقد استخدمت هذه المرنانات إلى اعتراض جسيمات صغيرة للغاية في الكفاءة العالية وقرار 15-22. في حين أثبت هذا الأسلوب فعالا في محاصرة الجسيمات الصغيرة، وقد ثبت أيضا أن تكون محدودة في قدرتها على نقل الجزيئات على نطاق ملموس، وهو أمر ضروري إذا النظم شبه الميدانية على التفاعل مع أنظمة بعيدة الميدان أو على microfluidics.
مؤخرا، اقترحت مجموعتنا حل لهذه المشكلة. عندما يتم وضعها المرنانات قريبة جدا معا، يمكن للجسيمات في مبدأ الهجرة من واحد فخ الضوئية القريبة من حقل إلى آخر دون أن يطلق سراحه من على سطح الأرض. يمكن تحديد اتجاه النقل إذا يمكن أن تحول الفخاخ المجاورة على نحو متقطع على حدة. وهناك مجموعة خطية من ثلاثة أو أكثر من المرنانات عنونة، في كل مرنان حساس للاستقطاب أو الطول الموجي للضوء مختلفة عن تلك التي جيرانها، ويعمل بمثابة الحزام الناقل البصرية، نقل nanopartiجسيمات على مسافة عدة ميكرون على شريحة.
ما يسمى ب "النانو البصرية الحزام الناقل" (NOCB) هي فريدة من نوعها بين مخططات مرنان محاصرة plasmonic، لا يمكن إلا أن عقد الجزيئات في مكان، ولكن يمكن أيضا نقلها بسرعة عالية على طول مسارات المزخرفة، وجمع أو تفريق الجسيمات، خلط والوقوف في طوابير لهم، وحتى فرزها حسب خصائص مثل حراكها 23. يتم التحكم في جميع هذه الوظائف عن طريق تحوير الاستقطاب أو الطول الموجي للإضاءة، دون الحاجة للبصريات شعاع القيادة. كما فخ الضوئية القريبة من الميدان، وNOCB محاصرة القرار هو أعلى من الفخاخ البصرية التقليدية تركز شعاع، لذلك يمكن أن تفرق بين الجسيمات على مقربة. لأنه يستخدم البنية النانوية المعدنية لتركيز الضوء إلى محاصرة بشكل جيد، فمن وتوفير الطاقة، و لا يتطلب المكونات البصرية مكلفة مثل الهدف NA عالية. وعلاوة على ذلك، يمكن تشغيل العديد NOCBs في موازاة ذلك، في ارتفاع دن التعبئةSITY، على نفس الركيزة، و1 W السلطة يمكن أن تدفع أكثر من 1200 فتحات 23.
لقد أثبتنا مؤخرا أول NOCB يحركها الاستقطاب، ودفع بسلاسة على جسيمات متناهية الصغر ذهابا وإيابا على طول 4،5 ميكرون المسار 24. في هذه المقالة نقدم الخطوات اللازمة لتصميم وتصنيع الجهاز، بصريا تنشيطه وإعادة إنتاج التجربة النقل. نأمل أن جعل هذه التقنية على نطاق أوسع سوف يساعد على سد الفجوة بين حجم البصريات على microfluidics، بعيدا الميدان، وأجهزة النانو والتجارب.
Protocol
Representative Results
Discussion
وNOCB يجمع بين قوات محاصرة قوية وصغيرة الحجم فخ النهج plasmonic مع القدرة على نقل الجسيمات، وهي متاحة لفترة طويلة فقط لتقنيات تركيز شعاع التقليدية. فريدة من نوعها لNOCB، ومحاصرة والنقل خصائص النظام هي نتيجة الزخرفة السطح وليس من تشكيل شعاع الإضاءة. قدمت إضاءة ساطعة بما فيه ا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Professor Yuzuru Takashima at the University of Arizona for discussions on optical imaging, Mr. Karl Urbanek for assistance with high power lasers, and Max Yuen for discussions of Brownian motion. The authors send further thanks to Professor Kenneth Crozier at Harvard University for helpful discussions on optical trapping experiments. Funding was provided in part by the United States National Science Foundation (award number 1028372).
Materials
| HSQ e-beam resist | Dow Corning | XR-1541-006 | |
| PMMA | MicroChem | 950A2 M230002 | |
| Fast curing optical adhesive | Norland Optical Adhesive | NOA 81 | |
| Fluorescent carboxyl microspheres | Bangs Laboratories | FC02F, FC03F | |
| Fluorescent carboxylate-modified microspheres | Molecular Probes | F-8888 | |
| Quartz slide | SPI Supplies | 1020-AB | |
| Inverted fluorescent microscope | Nikon | ECLIPSE TE2000-U | |
| Nd:YAG laser | Lightwave Electronics | 221-HD-V04 | |
| sCMOS camera | PCO | EDGE55 | |
| CCD camera | Watec | WAT-120N | |
| Zero-order half-wave plate | Thorlabs | WPH05M-1064 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| Distilled water | Invitrogen | 10977-023 | |
| Si Wafer | Silicon Quest International | 708069 | |
| Optical lenses | Thorlabs |
References
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M. Optical Trapping and Manipulation Of Viruses and Bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
- Svoboda, K., Block, S. M. Biological Applications of Optical Forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).
- Neuman, K., Block, S. Optical Trapping. Rev. Sci. Instrum. 75 (9), 2787-2809 (2004).
- Fazal, F. M., Block, S. M. Optical Tweezers Study Life Under Tension. Nat. Photonics. 5 (6), 318-321 (2011).
- Bockelmann, U., Thomen, P., Essevaz-Roulet, B., Viasnoff, V., Heslot, F. Unzipping DNA with Optical Tweezers: High Sequence Sensitivity and Force Flips. Biophys. J. 82 (3), 1537-1553 (2002).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical Trapping of Single Protein. Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).
- Dholakia, K., Čizm̌aŕ, T. Shaping the Future of Manipulation. Nat. Photonics. 5 (6), 335-342 (2011).
- Grier, D. G., Roichman, R. Holographic Optical Trapping. Appl. Opt. 45 (5), 880-887 (2006).
- Korda, P. T., Taylor, M. B., Grier, D. G. Kinetically Locked-in Colloidal Transport in an Array of Optical Tweezers. Phys. Rev. Lett. 89 (12), 128301 (2002).
- Pelton, M., Ladavac, K., Grier, D. G. Transport and Fractionation in Periodic Potential-energy Landscapes. Phys. Rev. E. 70 (3), 031108 (2004).
- Eriksson, E., et al. A Microfluidic System in Combination with Optical Tweezers for Analyzing Rapid and Reversible Cytological Alterations in Single Cells upon Environmental Changes. Lab Chip. 7 (1), 71-76 (2007).
- Applegate, R. W., Squier, J., Vestad, T., Oakey, J., Marr, D. W. M. . Optical Trapping, Manipulation, and Sorting of Cells and Colloids in Microfluidic Systems with Diode Laser. 12 (19), 4390-4398 (2004).
- MacDonald, G. C., Spalding, G. C., Dholakia, K. Microfluidic Sorting in an Optical Lattice. Nature. 426 (6965), 421-424 (2003).
- Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. All-optical Control of Microfluidic Components using Form. Nat. Mater. 4 (7), 530-533 (2005).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, R. Plasmon Nano-optical Tweezers. . Nat. Photonics. 5 (6), 349-356 (2011).
- Kwak, E. S., et al. Optical Trapping with Integrated Near-Field Apertures. J. Phys. Chem. B. 108 (36), 13607-13612 (2004).
- Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape. Nat. Phys. 3 (7), 477-480 (2007).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and Sensing 10 nm Metal Nanoparticles using Plasmonic Dipole Antennas. Nano Lett. 10 (3), 1006-1011 (2010).
- Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. Trapping and Rotating Nanoparticles using a Plasmonic Nano-tweezer with an Integrated Heat Sink. Nat. Commun. 2, 469 (2011).
- Shi, X., Hesselink, L., Thornton, R. Ultrahigh Light Trans- mission through a C-shaped Nanoaperture. Opt. Lett. 28 (15), 1320-1322 (2003).
- Chen, K., Lee, A., Hung, C., Huang, J., Yang, Y. Transport and Trapping in Two-Dimensional Nanoscale Plasmonic Optical Lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., et al. Sorting Nanoparticles with Intertwined Plasmonic and Thermo-Hydrodynamical Forces. Nano Lett. 13, 4230-4235 (2013).
- Hansen, P., Zheng, Y., Ryan, J., Hesselink, L. Nano-Optical Conveyor Belt, Part I: Theory. Nano Lett. 14, 2965-2970 (2014).
- Zheng, Y., et al. Nano-Optical Conveyor Belt, Part II: Demonstration of Handoff Between Near-Field Optical Traps. Nano Lett. 14, 2971-2976 (2014).
- Vogel, N., Zieleniecki, J., Koper, I. As flat as it gets: Ultrasmooth Surfaces from Template-stripping Procedures. Nanoscale. 4 (13), 3820-3832 (2012).
- Zhu, X., et al. Ultrafine and Smooth Full Metal Nanostructures for Plasmonics. Adv. Mater. 22 (39), 4345-4349 (2010).
- Kaleli, B., et al. Electron Beam Lithography of HSQ and PMMA Resists and Importance of their Properties to Link the Nano World to the Micro World. , 105-108 (2010).
