Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica

Capture, interrogatório e manipulação de nanopartículas individuais são de importância crescente na nanotecnologia. Pinças ópticas tornaram-se uma técnica de manipulação particularmente bem sucedido para experimentos em biologia molecular ^{1-4, 5-7 e} química nano-montagem ^7-10, onde eles permitiram que experiências inovadoras, tais como a medição das propriedades mecânicas de moléculas de DNA ^de solteiro 4 e a ordenação das células por suas propriedades ópticas ^11,12. Descobertas sobre essas fronteiras abrir o estudo de sistemas ainda menores, e eles abrir caminho para a engenharia de novos produtos e técnicas praticamente benéficos. Por sua vez, esta tendência impulsiona a necessidade de novas técnicas para manipular mais rudimentares, partículas menores. Além disso, há uma pressão para construir dispositivos "lab-on-a-chip" para executar essas funções de forma mais barata e numa embalagem mais pequena, a fim de trazer os testes químicos e biológicos para fora dolaboratório e no campo para médicos e outros fins ^13,14.

Infelizmente, captura óptica convencional (COT) não pode atender a todas as demandas de crescimento da nanotecnologia. COT opera sobre o mecanismo de utilizar uma elevada abertura numérica (NA) lente objectiva para trazer luz laser para um foco apertado, criando um pico localizado em intensidade óptica e gradientes elevados em energia do campo electromagnético. Estes gradientes de densidade de energia exercem uma força resultante sobre partículas de dispersão da luz que geralmente chama-los em direcção ao centro do foco. Prendendo partículas menores exige potência óptica superior ou um foco mais apertado. No entanto, os feixes de luz focalizado obedecer o princípio da difracção, que limita o tamanho mínimo do ponto focal e coloca um limite superior do gradiente de densidade de energia. Isso tem duas consequências imediatas: COT não pode reter pequenos objetos de forma eficiente, e COT tem dificuldade para discriminar entre as partículas espaçados, uma resolução trappinglimitação conhecida como o problema dos dedos gordos ". Além disso, a implementação de múltiplos aprisionamento de partículas com COT requer sistemas de óptica de orientação de feixe de luz ou moduladores espaciais, componentes que aumentam drasticamente o custo ea complexidade de um sistema de captura óptica.

Uma maneira de contornar as limitações fundamentais de vigas focadas convencionais de luz, disse a propagar no campo agora, é a vez explorar os gradientes de energia eletromagnética óptica no campo próximo. O próximo campo decai exponencialmente a partir de fontes fora dos campos electromagnéticos, o que significa que não só é altamente localizada a estas fontes, mas também exibe muito elevados gradientes na sua densidade de energia. Os próximos campos de ressonadores nano-metálicos, como aberturas bowtie, nano colunas e as gravuras em forma de C, foram mostrados para expor extraordinária concentração de energia eletromagnética, reforçada pela ação plasmonic de ouro e prata a quase infrcomprimentos de onda ópticos e ARED. Estes ressoadores ter sido usado para prender partículas extremamente pequenas com elevada eficiência e resolução ^15-22. Embora esta técnica tem se mostrado eficaz na captura de partículas pequenas, ele também provou ser limitado em sua capacidade para o transporte de partículas sobre a escala apreciável, o que é necessário se os sistemas de campo próximo são a interface com sistemas de campo distante ou microfluídica.

Recentemente, o nosso grupo propôs uma solução para este problema. Quando ressonadores são colocados muito próximos entre si, uma partícula pode, em princípio, migrar de um campo próximo armadilha óptica para o próximo sem ser liberado a partir da superfície. A direcção do transporte pode ser determinado se armadilhas adjacentes podem ser ligados e desligados separadamente. Uma cadeia linear de três ou mais ressonadores endereçáveis, em que cada um ressonador é sensível a um comprimento de onda ou polarização de luz diferente da dos seus vizinhos, funciona como uma correia transportadora óptico, o transporte de nanopartiCiclos mais de uma distância de alguns micra num chip.

O chamado 'Nano-óptica Correia Transportadora' (NOCB) é único entre os regimes de ressonador de armadilhagem plasmonic, como não só ele pode conter partículas no lugar, mas também pode movê-los em alta velocidade ao longo das trilhas estampados, reunir ou dispersar as partículas, misturar e fila-los, e até mesmo classificá-los por propriedades, tais como a sua mobilidade ^23. Todas estas funções são controladas através da modulação do comprimento de onda ou polarização de iluminação, sem necessidade de óptica de orientação de feixe. Como uma armadilha óptica de campo próximo, o NOCB prendendo resolução é maior do que a de armadilhas ópticas de feixe focado convencionais, de modo que pode diferenciar entre as partículas em estreita proximidade; porque ele usa uma nanoestrutura metálica para concentrar a luz em um prendendo bem, é eficiente em termos de energia, e não requer componentes ópticos caros, como um objectivo elevado NA. Além disso, muitos NOCBs podem ser operados em paralelo, com alto embalagem densidade, no mesmo substrato, e um W de potência pode dirigir mais de 1200 aberturas ^23.

Temos demonstrado recentemente o primeiro NOCB-driven polarização, sem problemas impulsionando uma nanopartícula frente e para trás ao longo de uma faixa de 4,5 mm ^24. Neste artigo apresentamos os passos necessários para projetar e fabricar o dispositivo, opticamente ativá-lo e reproduzir o experimento de transporte. Esperamos que a esta técnica mais amplamente disponível vai ajudar a preencher a lacuna entre a óptica tamanho microfluídica, em campo distante e dispositivos em nanoescala e experimentos.