ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

シングルナノ粒子の捕獲、尋問や操作はナノテクノロジーの成長に重要です。光ピンセットは、彼らがそのような単一DNA分子⁴の機械的特性の測定などの画期的な実験を有効にしている分子生物学^1-4、5-7化学とナノアセンブリ^7-10に実験に特に成功した操作技術となっていると、その光学特性^11,12による細胞の選別。これらのフロンティア上の発見があっても小規模なシステムの研究を開き、彼らは新しい事実上有益な製品や技術のエンジニアリングのための方法を作ります。今度は、この傾向はより小さく、より基本的な粒子を操作するための新しい技術の必要性を駆動します。また、外の化学的および生物学的試験をもたらすために、より安く、より小さなパッケージでこれらの機能を実行するには、「ラボオンチップ」デバイスを構築するためのプッシュがあります医療や他の目的^13,14のための実験室とフィールドへ。

残念ながら、従来の光トラッピング（COT）は、ナノテクノロジーの増大する要求をすべて満たすことができません。 COTは、光強度と電磁界エネルギーの高い勾配の局所的ピークを作成し、タイトな焦点にレーザー光をもたらすために、高開口数（NA）の対物レンズを使用するメカニズムで動作します。これらのエネルギー密度勾配は、一般に、焦点の中心に向かってそれらを描画する光散乱粒子上に正味の力を及ぼします。小さい粒子を捕捉することは、より高い光パワーやタイトなフォーカスが必要です。しかし、光の集束ビームの焦点の最小サイズを制限し、エネルギー密度勾配に上限を課す回折の原理を、従います。 COTが効率的にトラップ小さなオブジェクトをすることができず、COTのトラブル近接した粒子とを判別、トラッピング解像度を持っています。これは、2つの即時の結果を有します制限は「脂肪指の問題として知られています。さらに、COTで複数の粒子トラップの実装は大幅に光トラッピングシステムのコストと複雑さを増大させるビームステアリング光学素子または空間光変調器、コンポーネントのシステムを必要とします。

光の従来の集束ビームの基本的な制限を回避する1つの方法は、ファーフィールドに伝播するように言った、代わりに近接場光学電磁エネルギーの勾配を利用することです。近接場は、非常にこれらの供給源に局在し、それは、そのエネルギー密度が非常に高い勾配を示すだけでなくことを意味し、指数関数的に離れた電磁界の発生源から減衰します。さらに近いINFRで金と銀のプラズモン作用によって強化された近くに、このようなボウタイ開口、ナ​​ノ柱、およびC形の彫刻などのナノ金属共振器の分野、電磁エネルギーの異常な濃度を示すことが示されています、aredと光の波長。これらの共振器は、高効率と解像度^15-22のトラップ非常に小さい粒子に使用されています。この技術は、小さな粒子を捕捉するのに有効であることが証明されているが、それはまた、近接場システムは、遠視野システムまたはマイクロ流体とインターフェースするようにされている場合に必要となる、かなりの範囲に亘って粒子を輸送する能力が制限されることが証明されています。

最近、我々のグループは、この問題に対する解決策を提案しています。共振器は、互いに非常に近接して配置される場合、粒子は、原理的には表面から放出されることなく、次の1つの近接場光トラップから移動することができます。隣接トラップが別々にオン・オフすることができれば搬送方向を決定することができます。各共振器は、そのネイバーとは異なる光の偏光または波長に敏感である、三つ以上のアドレス可能な共振器の線形アレイは、nanopartiを輸送、光コンベヤーベルトとして機能しますチップ上に数ミクロンの距離にわたってクル。

それが所定の位置に粒子を保持することができ、それはまた、パターン化されたトラックに沿って高速で移動したりすることができ、収集または粒子を分散させるだけでなく、として、いわゆる「ナノ光コンベヤーベルト」（NOCB）は、プラズモン共振器の捕獲スキームの中で一意ですミックスし、それらをキューに入れ、さらにはそのような彼らのモビリティ²³などの特性により、それらを並べ替えます。これらの機能の全ては、ビームステアリング光学系を必要とせず、照明の偏光又は波長を調節することによって制御されます。近接場光学トラップとして、NOCB捕捉分解能は、従来の集束ビーム光トラップよりも高いので、近接した粒子を区別することができます。それがうまくトラップに光を集中させる金属ナノ構造を使用しているため、それが電力効率であり、そのような高NAの対物レンズなどの高価な光学部品を必要としません。さらに、多くのNOCBsは高い充填デンで、並列に動作することができます同一基板上にsity、および電源の1 Wは1200以上の開口部^{23を駆動することができます。}

我々は最近、スムーズに4.5μmのトラック^{24に沿って}前後にナノ粒子を推進、第一の偏光駆動型NOCBを示しました。この記事では、光学的に、デバイスを設計し、製造するために必要な手順を提示し、それを活性化し、輸送実験を再現します。我々は、この技術が広く利用できるようにするマイクロフルイディクス、遠視野光学、ナノスケールデバイスと実験の間のサイズのギャップを埋めるのに役立ちますことを願っています。