Fabrication et fonctionnement d'un Convoyeur Nano-optique

Capture, l'interrogation et la manipulation de nanoparticules individuelles sont d'une importance croissante dans les nanotechnologies. Pinces optiques sont devenus une technique de manipulation particulièrement réussie pour les expériences en biologie moléculaire ^{1-4, 5-7} et la chimie des nano-assemblage ^7-10, où ils ont permis à des expériences de pointe telles que la mesure des propriétés mécaniques des molécules d'ADN simple et ⁴ le tri des cellules par leurs propriétés optiques ^11,12. Découvertes sur ces frontières ouvrent l'étude des systèmes encore plus petits, et ils laissent la place à l'ingénierie des nouveaux produits et techniques pratiquement bénéfiques. À son tour, cette tendance entraîne le besoin de nouvelles techniques pour manipuler des particules plus petites, plus rudimentaires. En outre, il ya une poussée pour construire des dispositifs «lab-on-a-chip 'pour exécuter ces fonctions à moindre coût et dans un emballage plus petit afin d'apporter des tests chimiques et biologiques de lalaboratoire et sur ​​le terrain à des fins médicales et autres ^13,14.

Malheureusement, le piégeage optique classique (COT) ne peut pas répondre à toutes les demandes croissantes de la nanotechnologie. COT fonctionne sur le mécanisme de l'aide d'une grande ouverture numérique (NA) objectif d'apporter la lumière laser à un foyer serré, créant un pic localisé en intensité optique et des gradients élevés dans l'énergie du champ électromagnétique. Ces gradients de densité d'énergie exercent une force nette sur particules diffusant la lumière qui les entraîne en général vers le centre du foyer. Le piégeage des particules plus petites exige puissance optique élevée ou un accent plus serré. Cependant, faisceaux de lumière focalisé obéissent au principe de la diffraction, ce qui limite la taille minimale de la tache focale et place une limite supérieure sur le gradient de densité d'énergie. Cela a deux conséquences immédiates: lit bébé peut pas retenir de petits objets de manière efficace, et COT a du mal à distinguer entre particules étroitement espacés, une résolution de piégeagelimitation connu comme le problème des «gros doigts de. En outre, la mise en oeuvre piégeage des particules multiple avec berceau nécessite des systèmes de l'optique d'orientation de faisceau ou de modulateurs spatiaux de lumière, les composants qui augmentent considérablement le coût et la complexité d'un système de piégeage optique.

Une façon de contourner les limites fondamentales de faisceaux focalisés classiques de la lumière, a déclaré à se propager dans le champ lointain, est d'exploiter la place des gradients d'énergie électromagnétique optique en champ proche. Le champ proche décroît exponentiellement loin de sources de champs électromagnétiques, ce qui signifie que non seulement il est très localisée à ces sources, mais il présente également de très forts gradients dans sa densité d'énergie. Les champs près de résonateurs nano-métalliques, tels que les ouvertures de noeud papillon, piliers nano et gravures en forme de C, ont été montrés pour présenter des concentrations extraordinaires d'énergie électromagnétique, encore renforcée par l'action plasmonique de l'or et de l'argent à court infrARED longueurs d'onde et optiques. Ces résonateurs ont été utilisés pour piéger les particules extrêmement petites à haut rendement et la résolution ^15-22. Bien que cette technique a prouvé son efficacité pour piéger les petites particules, il est également avéré être limitée dans sa capacité à transporter des particules sur toute la plage appréciable, qui est nécessaire si les systèmes en champ proche sont à l'interface avec les systèmes ou la microfluidique en champ lointain.

Récemment, notre groupe a proposé une solution à ce problème. Lorsque résonateurs sont placés très près les uns, une particule peut en principe migrer d'un piège optique en champ proche à l'autre sans avoir été libéré de la surface. La direction de transport peut être déterminé si pièges adjacentes peuvent être allumés et éteints séparément. Un réseau linéaire d'au moins trois résonateurs adressables, dans lequel chaque résonateur est sensible à une longueur d'onde ou la polarisation de la lumière différente de celle de ses voisins, fonctionne comme une courroie de transport optique, le transport nanoparticles sur une distance de plusieurs microns sur une puce.

Le soi-disant «Nano-optique Convoyeur '(NOCB) est unique parmi les régimes résonateur de piégeage plasmoniques, que non seulement il peut retenir les particules en place, mais il peut aussi les déplacer à grande vitesse le long de pistes à motifs, de recueillir ou de disperser des particules, mélanger et la file d'attente, et même de les trier par des propriétés telles que leur mobilité ^23. Toutes ces fonctions sont commandés par modulation de la polarisation ou de la longueur d'onde d'illumination, sans avoir besoin de l'optique d'orientation de faisceau. Comme un piège optique à champ proche, la NOCB piégeage résolution est supérieure à celle des pièges optiques ciblée faisceau conventionnels, de sorte qu'il peut différencier les particules à proximité; car il utilise une nanostructure métallique pour concentrer la lumière dans un puits de piégeage, il est économe en énergie, et ne nécessite pas de composants optiques coûteux comme un objectif haute NA. En outre, de nombreux NOCBs peuvent être exploités en parallèle, à haute den d'emballagesité, sur le même substrat, et 1 W de puissance peut conduire plus de 1200 ouvertures ^23.

Nous avons récemment démontré le premier NOCB de polarisation-driven, propulsant en douceur une nanoparticule avant et en arrière le long d'une piste ²⁴ 4,5 um. Dans cet article, nous présentons les mesures nécessaires pour concevoir et fabriquer le dispositif, optiquement l'activer et reproduisons l'expérience de transport. Nous espérons que le fait de cette technique plus largement disponibles aidera à combler l'écart de taille entre l'optique de la microfluidique, champ lointain, et des dispositifs nanométriques et expériences.