ייצור ותפעול של מסוע ננו-אופטי

לכידה, חקירה ומניפולציה של חלקיקים בודדים הן של גידול חשיבות בננוטכנולוגיה. פינצטה אופטית הפכה טכניקת מניפולציה מוצלחת במיוחד עבור ניסויים בביולוגיה מולקולרית ^{1-4, 5-7} כימיה ^{וננו-7-10} הרכבה, שבו הם אפשרו ניסויי פריצת דרך כגון המדידה של התכונות מכאניות של מולקולות דנ"א יחידים ⁴ ו המיון של תאים על ידי התכונות אופטיות שלהם ^11,12. תגליות בגבולות אלה לפתוח את המחקר של מערכות קטנות עוד יותר, והם עושים את הדרך להנדסה של מוצרים מועילים כמעט חדשים וטכניקות. בתורו, מגמה זו מניעה את הצורך בטכניקות חדשות כדי לתפעל חלקיקים קטנים יותר, בסיסיים יותר. בנוסף, יש דחיפה לבנות התקנים 'מעבדה-על-שבב "כדי לבצע פעולות אלה במחיר זול יותר ובחבילה קטנה יותר על מנת להביא כימי ובדיקות ביולוגיות ממעבדה ולתוך השדה למטרות רפואיות ואחרות ^13,14.

לרוע המזל, השמנה קונבנציונלית אופטית (COT) לא יכולה לעמוד בכל הדרישות הגוברת של ננוטכנולוגיה. COT פועל על המנגנון של שימוש בעדשת צמצם מספרי גבוה (NA) מטרה להביא אור הלייזר למיקוד חזק, יצירת שיא מקומי בעוצמה אופטית והדרגות גבוהות באנרגית השדה האלקטרומגנטי. מילויים צפיפות אנרגיה אלה להפעיל כוח שקול על חלקיקי פיזור אור אשר בדרך כלל מושך אותם בכיוון מרכז הפוקוס. לכידת חלקיקים קטנים יותר דורשת יותר כוח אופטי או מיקוד הדוק יותר. עם זאת, אלומה ממוקדת של אור מצייתת לעיקרון של התאבכות, אשר מגביל את הגודל המינימלי של נקודת המוקד ומציב גבול עליון לשיפוע צפיפות אנרגיה. לכך יש שתי השלכות מיידיות: חפצים קטנים COT לא יכול ללכוד ביעילות, וCOT מתקשה להבחין בין חלקיקים צפופים, רזולוציה השמנהמגבלה ידועה כבעיה "האצבעות השמנות". בנוסף, יישום לכידת חלקיקים מרובה עם COT דורש מערכות של אופטיקה קרן-היגוי או מאפנני אור מרחבי, רכיבים אשר באופן דרסטי להגדיל את העלות ומורכבות של מערכת לכידה אופטית.

אחת דרכים לעקוף את המגבלות הבסיסיות של אלומה ממוקדת הקונבנציונלית של אור, אמרה להפיץ בשדה המרוחק, הוא לנצל במקום הדרגתיים של אנרגיה אלקטרומגנטית אופטית בתחום הקרוב. השדה ליד דועך אקספוננציאלית הרחק ממקורות של שדות אלקטרומגנטיים, מה שאומר שלא רק שזה מקומי מאוד למקורות אלה, אך היא גם מציגה הדרגתיים גבוהה מאוד בצפיפות האנרגיה שלה. השדות ליד של תהודה ננו-מתכתי, כגון פתחי עניבת פרפר, עמודי ננו, ותחריטים בצורת C, שהוכחו תערוכה ריכוזים חריגים של אנרגיה אלקטרומגנטית, משופרת עוד יותר על ידי פעולת plasmonic של זהב וכסף בכמעט infrאורכי גל הנגר ואופטיים. תהודה אלה היו בשימוש לחלקיקים קטנים מאוד מלכודת ביעילות גבוהה ורזולוציה ^15-22. בעוד טכניקה זו הוכחה כיעילה בלכידת חלקיקים קטנים, יש לו גם הוכח להיות מוגבל ביכולתה להעביר חלקיקים מעל טווח ניכר, אשר הוא הכרחי אם מערכות שדה קרוב הן לממשק עם מערכות שדה רחוק או מיקרופלואידיקה.

לאחרונה, הקבוצה שלנו הציעה פתרון לבעיה זו. כאשר תהודה ממוקמות קרובה מאוד זה לזה, חלקיקים יכולים בעיקרון להעביר ממלכודת אחד ליד שדה-אופטית למשנהו מבלי ששוחרר מהמשטח. הכיוון של תחבורה ניתן לקבוע אם ניתן להפעיל מלכודות סמוכות לסירוגין בנפרד. מערך ליניארי של שלוש או יותר תהודה למיעון, שבו כל מהוד הוא רגיש לקיטוב או אורך גל של אור שונה מזה של שכנותיה, עובד כמסוע אופטי, הובלת nanopartiמלקקים על פני מרחק של כמה מיקרונים על שבב.

מה שנקרא "ננו-האופטי המסוע '(NOCB) הוא ייחודי בין תוכניות השמנה מהוד plasmonic, שלא רק שהוא יכול להחזיק חלקיקים במקום, אבל זה גם יכול להעביר אותם במהירות גבוהה לאורך מסלולים בדוגמת, לאסוף או לפזר חלקיקים, לערבב ולתור אותם, ואפילו למיין אותם לפי מאפיינים כגון הניידות שלהם ^23. כל פונקציות אלה נשלטים על ידי ויסות הקיטוב או אורך הגל של תאורה, ללא צורך באופטיקה קרן-היגוי. כמלכודת אופטית שדה קרוב, NOCB השמנה רזולוציה גבוה יותר מזה של מלכודות אופטיות ממוקדת-קרן קונבנציונליות, כך שהוא יכול להבחין בין חלקיקים בסמיכות; משום שהיא משתמשת ננו-מבנה מתכת להתרכז אור להשמנה גם, זה כוח יעיל, ואינו דורש רכיבים אופטיים יקרים כגון מטרת NA גבוהה. יתר על כן, NOCBs רב עשוי להיות מופעל במקביל, בחדר עבודה של אריזה גבוההסיטי, באותו המצע, וW 1 של כוח יכול לנהוג מעל 1200 פתחי ^23.

יש לנו לאחרונה הפגין NOCB מונע הקיטוב הראשון, בצורה חלקה הנעת ננו-חלקיקים הלוך ושוב לאורך מסלול של 4.5 מיקרומטר ^24. במאמר זה אנו מציגים את הצעדים דרושים כדי לתכנן ולייצר את המכשיר, אופטיים להפעיל אותו ולשחזר את ניסוי התחבורה. אנו מקווים כי ביצוע טכניקה זו זמינה יותר יעזרו לגשר על הפער בין גודל אופטיקה מיקרופלואידיקה, השדה הרחוק, והתקני ננו וניסויים.