Bir Nano-Optik Konveyör Bant imalatı ve İşletilmesi
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
Küçük parçacıklar üzerindeki kuvvetleri yakalamak için odaklanmış lazer ışınları kullanılarak ve sarf tekniği son birkaç on yılda nano ölçekli biyolojik ve fiziksel bilimlerde pek çok önemli keşifler sağladı. Bu alanda kaydedilen ilerleme daha kolay dağıtılan ve daha yaygın olarak kullanılabilir yapılabilir araçları, daha küçük sistemler ve daha büyük bir ölçekte daha fazla çalışma davet ediyor. Ne yazık ki, kırınım temel yasaları tuzak sabit çaplı bir yarım dalga boyundan daha küçük parçacıklar yapan bir lazer ışınının odak noktasının en az boyutunu sınırlamak ve genel olarak bir yarısından daha yakın olan parçacıklar arasındaki ayrım bir operatöre önler -wavelength. Bu, birçok yakın aralıklı nanopartiküller optik manipülasyon engeller ve optik-mekanik sistemlerin çözünürlüğü sınırlar. Ayrıca, odaklanmış ışınlar kullanarak manipülasyon çok hantal ve pahalı olabilir ışın şekillendirme veya direksiyon optik gerektirir. Adresegeleneksel optik yakalama laboratuarımızda sistem ölçeklenebilirlik bu sınırlamalar bir çip üzerinde partikülleri taşımak için yakın alan optik kullanan alternatif bir teknik tasarladı. Bunun yerine uzak alanda lazer ışınlarını odaklama, plasmonik rezonatörlerin optik yakın alan kırınım kısıtlamaları aşmak ve daha yüksek çözünürlükte parçacıkları işlemek için gerekli yerel optik yoğunluk artışı üretir. Yakından aralıklı rezonatörler bir konveyör bant-benzeri bir şekilde birinden diğerine parçacıkların el bırakma aracılık hitap edilebilir güçlü optik tuzakları üretir. Burada, biz tasarım ve plasmonik C-şekilli rezonatörlerin ve nasıl süper çözünürlük nanoparçacık manipülasyon ve taşıma ulaşmak için polarize lazer ışığı ile çalıştırmak için desenli altın yüzey kullanarak bir konveyör kayışı üretmek için nasıl açıklar. Nano-optik taşıyıcı bant çip litografi teknikleri kullanılarak üretilmektedir ve kolay bir şekilde paketlenebilir ve dağıtılabilir.
Introduction
Yakalama, sorgulama ve tek nanopartiküllerin manipülasyon nanoteknoloji önemi artan vardır. Optik cımbız böyle tek DNA moleküllerinin 4 ve mekanik özelliklerinin ölçümü gibi atılım deneyleri sağladı moleküler biyoloji 1-4, kimya 5-7 ve nano-montaj 7-10, deneyler için özellikle başarılı manipülasyon tekniği haline gelmiştir optik özelliklerinin 11,12 ile hücrelerin sıralama. Bu sınırlara Keşifler daha küçük sistemlerin çalışma açmak ve yeni pratik yararlı ürün ve teknikleri mühendisliği için yol yapmak. Buna karşılık, bu eğilimin yeni teknikler daha küçük, daha ilkel parçacıkların işlemek için ihtiyaç sürücüler. Buna ek olarak, dışarı kimyasal ve biyolojik testler getirmek için daha ucuza ve daha küçük bir paket içinde bu işlevleri gerçekleştirmek için 'lab-on-a-chip' cihazlar oluşturmak için bir itme varlaboratuar ve tıbbi ve diğer amaçlar için 13,14 alana.
Ne yazık ki, geleneksel optik yakalama (COT) nanoteknolojinin artan talepleri karşılamak mümkün değil. COT optik yoğunluk ve elektromanyetik alan enerjisi yüksek geçişlerini yerelleştirilmiş bir zirve oluşturarak, sıkı bir odak lazer ışığı getirmek için bir yüksek sayısal açıklık (NA) objektif lens kullanarak mekanizması çalışır. Bu enerji yoğunluğu gradyanlar genellikle odak merkezine doğru onları çekiyor ışık saçılma parçacıklar üzerinde net kuvvet uygularlar. Daha küçük parçacıklar Yakalama yüksek optik güç ya da sıkı bir odaklanmayı gerektirir. Ancak, ışık odaklanmış ışınlar odak noktasının minimum boyutunu sınırlar ve enerji yoğunluğu degrade bir üst sınır koyar saptırma prensibi, itaat edin. Verimli COT olamaz tuzak küçük nesneleri ve COT, bir yakalama çözünürlüğü sorun birbirine yakın parçacıklar arasında ayrım vardır: Bu iki anlık sonuçları yoktursınırlama 'şişman parmak' sorunu olarak bilinir. Buna ek olarak, COT ile birden parçacık yakalama uygulanması büyük ölçüde bir optik yakalama sisteminin maliyet ve karmaşıklığını artırmak ışın direksiyon optik veya uzaysal ışık modülatörlerinin, bileşenlerin sistemlerini gerektirir.
Işığın geleneksel odaklı ışınlarının temel sınırlamaları aşmak için bir yolu, uzak alanda yerine yakın alanda optik elektromanyetik enerji geçişlerini istismar olduğunu yaymak dedi. Yakın alan katlanarak uzak elektromanyetik alanların, kaynaklarından oldukça bu kaynaklardan lokalize değil sadece anlamına gelir çürür, ama aynı zamanda, enerji yoğunluğu çok yüksek eğimler sergiler. Bu tür fiyonk deliklerin, nano sütunlar ve C-şekilli gravürler gibi nano-metalik rezonatörler, yakın alan, yakın infr daha ileri altın ve gümüş plasmonik etkisi ile geliştirilmiş elektromanyetik enerji, olağanüstü konsantrasyonlarını sergiledikleri gösterilmiştirared ve optik dalga boylarında. Bu rezonatörler yüksek verim ve çözünürlük 15-22 kapanı, son derece küçük parçacıkların için kullanılmıştır. Bu tekniğin küçük parçacıkların yakalama de etkili olduğu kanıtlanmıştır, aynı zamanda yakın alan sistemler uzak alan sistemleri veya Mikroakiskan ile arayüz eğer gerekli kayda değer aralığı üzerinde partikülleri taşımak kabiliyeti sınırlı olduğu kanıtlanmıştır.
Son zamanlarda, bizim grup bu soruna bir çözüm önerdi. Rezonatörler birbirine çok yakın yerleştirildiğinde, bir tanecik prensipte yüzeyinden salınan olmadan sonraki bir yakın alan optik tuzaktan geçirebilirsiniz. Bitişik tuzakları kapalı ayrı açık ve olabilir eğer taşıma yönü belirlenebilir. Her rezonatör komşularının bu bir kutuplaşma ya da hafif farklı dalga boyu duyarlı olduğu üç veya daha fazla adreslenebilir rezonatörlerin, bir doğrusal dizi, nanoparti taşınması, optik konveyör bant gibi çalışırbir çip üzerinde birkaç mikronluk bir mesafe boyunca ması durumunda.
Yerine parçacıkları tutabilir, ama aynı zamanda desenli yolları boyunca yüksek hızda taşıyabilirsiniz, toplamak veya parçacıkların dağıtmak değil, sadece sözde 'Nano-Optik Konveyör Bant' (NOCB), plasmonik rezonatör yakalama planları arasında benzersizdir mix ve onları sıraya ve hatta onların hareketlilik 23 olarak özelliklerine göre bunları sıralamak. Bu işlevlerin tümü ışını direksiyon optik için bir gerek olmadan, aydınlatma polarizasyon veya dalga boyu tarafından kontrol edilmektedir. Yakın bir alan optik tuzak olarak çözünürlük yakalama NOCB geleneksel odaklanmış ışın optik tuzakları daha yüksek olduğu, bu nedenle yakın parçacıklar ayırt edebilir; bir de yakalama içine ışık konsantre metal nano yapısını kullandığı için, güç-verimli ve böyle bir yüksek NA objektif olarak pahalı optik bileşenleri gerektirmez. Ayrıca, birçok NOCBs yüksek paketleme den de paralel olarak çalıştırılabilir1200 23 delikleri üzerinde versitesi, aynı alt tabaka üzerine ve güç 1 W sürebilirim.
Son zamanlarda düzgün bir şekilde geri ve ileri 4,5 um iz 24 boyunca bir nanoparçacık itilmesi ilk polarizasyon odaklı NOCB göstermiştir. Bu yazıda optik cihazı tasarlamak ve imal etmek gerekli adımları sunuyoruz etkinleştirmek ve ulaşım deney yeniden. Biz bu tekniğin daha yaygın olarak kullanılabilir hale mikroakışkanlar, uzak alan optik ve nano ölçekli cihazlar ve deneyler arasındaki boyut köprü yardımcı olacağını umuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
NOCB sadece geleneksel odaklanmış ışın teknikleri için uzun müsait parçacıklar, taşıma güçlü yakalama kuvvetleri ve yeteneği ile plasmonik yaklaşımların küçük tuzak boyutunu birleştirir. NOCB Benzersiz, sistemin yakalama ve taşıma özellikleri yüzey şekillendirilmesinin bir sonucu olan ve olmayan aydınlatma ışını şekillendirme. Sağlanan aydınlatma yeterince parlak ve onun polarizasyon veya dalga boyu, modüle edilebilir parçacıklar tutulan ya da yüzeyde karmaşık protokoller hareket…
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).
