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Achtung: Bitte beachten Sie alle relevanten Materialsicherheitsbestimmungen vor dem Gebrauch. Einige der Chemikalien in Mikrochipherstellung verwendet werden, sind akut toxisch und krebserregend. Bitte verwenden Sie alle geeigneten Sicherheitspraktiken bei der Photolithographie und Ätzverfahren durchgeführt wird, einschließlich der Verwendung von technischen Kontrollen (Abzugshaube, Kochplatte, und Aligner) und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel, in voller Länge Hosen und geschlossen -Zehenschuhe). 1. Herstellung des PDMS Microchannel- <ol><li> Herstellung der Mikrokanalform durch den photolithographische Prozess <ol><li> Vollständig entfernen Fremdstoffe auf der 4-Inch Si - Wafer - Oberfläche mit Piranha - Reinigung (Abbildung 1a). Mischten Schwefelsäure (H 2 SO 4) und Wasserstoffperoxid (H 2 O 2) bei einem Verhältnis von 3: 1 die Piranha - Lösung in der Schale zu machen. Mischte durch allmähliche Zugabe von kleinen Mengen der starken Säure (H 2 O <sub&gt; 2) auf die schwache Säure (H 2 SO 4); diese Reihenfolge umgekehrt kann eine Explosion verursachen wegen der hochreaktiven starken Säure. </li><li> Tauchen des Wafers in der Piranha-Lösung für 10 min. Anschließend tauchen den Wafer in entionisiertem (DI) Wasser für 3 min die restliche Piranha-Lösung zu entfernen. Spülen der Wafer mit fließendem DI Wasser für 10 s. Wiederholen Sie den Spülvorgang 3 - mal und mit trockenem N 2 -Gas die verbleibenden DI zu entfernen. </li><li> Platzieren der Wafer auf einer heißen Platte für 20 min bei 180 ° C, um die Wafer zu dehydratisieren. </li><li> Gießen Sie 5 ml des negativen Photoresist auf der Oberseite des Wafers und Schleuderbeschichten für 45 s bei 1500 rpm (1b); nach dem Schleuderbeschichten wird ein Photoresist Wulst am Waferrand erstellt aufgrund der relativ hohen Viskosität des Photolacks. </li><li> Gleichgewicht des Photoresist beschichteten Wafer durch die Planarisierung auf einem Nivellierungs Ständer für 5 h. </li><li> Platzieren Sie die Photoresist-beschichtete Wafer auf einer heißen Platte für 12 min bei 65° C, 35 min bei 95 ° C und 12 min bei 65 ° C (soft baking). </li><li> Fixieren Sie die Filmmaske auf dem Maskenhalter und den gelinde eingebrannt Wafer auf der Substratstufe des Ausrichters. Expose mit ultraviolettem (UV) Licht für 43 s bei 650 mJ / cm 2 , um den Photoresist zu verfestigen. </li><li> Platzieren des Wafers auf der heißen Platte für 5 min bei 65 ° C, 15 min bei 95 ° C und 5 min bei 65 ° C (post-exposure baking). </li><li> Tauchen Sie die Wafer in dem Photoresist-Entwickler für 30 Minuten nicht verfestigten Photoresist zu entfernen. </li><li> Spülen der Wafer mit Isopropylalkohol (IPA) und trockenes N 2 -Gas mit den verbleibenden IPA zu entfernen. </li></ol></li><li> Die Herstellung des PDMS Mikrokanal <ol><li> Man behandelt die Oberfläche des Wafers und die Fotolackform für 1 min bei einer Leistung von 200 W unter Verwendung einer atmosphärische Plasmamaschine 25; die Gasströme von CH 4 und er sollte 6 und 30 sccm betragen. Führen Sie diese hydrophobe Behandlung auf einfache Weise die POLYD lösenimethylsiloxane (PDMS) Mikrokanal von der Oberfläche des Wafers und Photoresist - Form (Figur 1c). </li><li> Bereiten Sie die PDMS-Lösung durch das PDMS Basis Mischen und Härter in einem Verhältnis von 10: 1. Rühren Sie die Mischung für 2 min. </li><li> Platzieren des Wafers in einer Petrischale (150 mm x 15 mm) und mit 100 ml der PDMS-Lösung. Entfernen Sie die Blasen, die aus Rühren mit einem Exsikkator erstellt wurden. </li><li> Platzieren Sie die Petrischale in den Ofen für 2 h bei 80 ° C wird die PDMS - Lösung (Figur 1d und h) zu verfestigen. </li><li> Geschnitten entlang der Konturen des PDMS Mikrokanal mit einer Rasierklinge und lösen sie aus dem Wafer; der hergestellten PDMS Mikrokanal sollte die folgenden Abmessungen aufweist: 13 mm lang, 300 &amp; mgr; m breit und 150 &amp; mgr; m hoch (Figuren 1e, f und i). HINWEIS: Zwei Arten von Löchern durch eine micropuncture erzeugt werden, um die Single-Mode-Faser (SMF) Kabel und die Rohre einzufügen (Eingang and outlet) auf der PDMS - Mikrokanal (Figur 1g). Das SMF-Kabel wird verwendet, um den Laserstrahl auf die nanohole auf der Goldplatte gefräst zu emittieren. Das Rohr wird verwendet, um die Partikellösung zu / von dem PDMS-Mikrokanal einzufügen / zu extrahieren. </li><li> Pannen 1,5-mm-Eintritts- und Austrittsöffnungen an jedem Ende des PDMS Mikrokanal. Pannen ein 0,3 mm SMF Kabelloch in der Mitte des PDMS-Mikrokanales. </li></ol></li></ol> 2. Etching Verfahren der Goldplatte <ol><li> Bereiten eine im Handel erhältliche Goldplatte mit den Abmessungen von 25 x 6,25 mm 2 (Abbildung 2a). </li><li> Entfernen Sie alle Fremdstoffe auf die Goldplatte mit den folgenden Reinigungsverfahren. Sauber in der folgenden Reihenfolge von jedem in Aceton, Methanol und DI-Wasser für 5 min eingetaucht wird. </li><li> Spülen Sie die Goldplatte 3 mal mit VE - Wasser für 10 s , und Trocknen der Platte mit N 2 -Gas das restliche DI - Wasser zu entfernen. </li><li> Legen Sie die Goldplatte auf einer heißen Platte für20 min bei 180 ° C vollständig verbleibende Feuchtigkeit zu entfernen. </li><li> Gießen Sie 0,5 ml Hexamethyldisilazan (HMDS) auf die Goldplatte und Schleuderbeschichten für 40 s bei 3.000 Umdrehungen pro Minute. </li><li> Gießen Sie 0,5 ml positiven Photoresist auf der Oberseite der Schleuderbeschichtung und Schleuderbeschichtung HMDS für 40 s bei 3000 rpm (Abbildung 2b). </li><li> Platzieren Sie die Photoresist beschichteten Gold-Platte auf der heißen Platte für 90 s bei 110 ° C (Weich baking). </li><li> Fixieren Sie die Filmmaske auf der Glasscheibe und legen die weiche gebackene Goldplatte auf der Substratstufe. Expose mit UV - Licht für 4,5 s bei 64 mJ / cm 2 , um den Photoresist aufzulösen. </li><li> Tauchen Sie die Goldplatte in dem Photoresist - Entwickler für 1 min den gelösten Photoresist (2c) zu entfernen. Spülen Sie die Goldplatte mit DI - Wasser und trocken mit N 2 -Gas. </li><li> Tauchen Sie die Goldplatte in dem Au - Ätzmittel für 45 s bei einer Ätzrate von 28 Å / s die belichteten Au (2d) zu entfernen. Spülen Sie die Goldplatte mit DI watenr und trocken mit N 2 -Gas. </li><li> Tauchen Sie die Goldplatte in dem Ti - Ätzmittel für 5 s bei einer Ätzrate von 25 Å / s den belichteten Ti (Figur 2e) zu entfernen. Spülen Sie die Goldplatte mit DI - Wasser und trocken mit N 2 -Gas. </li><li> Entfernen des verbleibenden Photoresists auf der Goldplatte , die durch Eintauchen in Aceton, Methanol und DI - Wasser für 3 min pro Stück (Figur 2f); die Platte in der geschriebenen Reihenfolge eintauchen. </li><li> Spülen Sie die Gold-Platte 3-mal mit DI-Wasser für 10 s. Trocken mit N 2 -Gas dem DI - Wasser zu entfernen. </li><li> Platzieren Sie die Goldplatte auf der Heizplatte für 3 Minuten bei 120 ° C zur vollständigen Entfernung der Feuchtigkeit; der hergestellte Goldblock sollte 400 x 150 um 2 (Figur 2h) sein. </li><li> Mühle ein 400 nm nanohole eines fokussierten Ionenstrahl (FIB) in der Mitte des Goldblockes verwenden , die nach dem Ätzen (Figuren 2g und i) hergestellt wurden. Erstellen Sie ein 370-nm-Kreismuster auf dem Gold bl konzentrierenock mit einer Ionenbeschleunigungsspannung von 30 kV bei 28 pA für 3 s. </li></ol> 3. Montage des Microchip <ol><li> Behandle die beiden Oberflächen der PDMS Mikrokanalplatte und Gold für 1 min mit O 2 -Plasma , sie zusammen mit einem Plasmasystem bei einer Leistung von 80 W und einem Druck von 825 mTorr 25 zu befestigen. HINWEIS: Es ist vor allem schwierig, sie genau zu befestigen, da der Goldblock und PDMS Mikrokanal auf der Mikrometer-Ebene sind. Daher über eine Ausrichteinheit mit einer Kamera und einem manuellen Tisch verwenden. </li><li> Fixiert die Glaswafer, der verwendet wird , um die Filmmaske an den Maskenhalter der Ausrichter (Abbildung 3a) zu befestigen. </li><li> Bringen Sie die O 2 -Plasma-behandelten PDMS Mikrokanal an der Glasscheibe; weil das PDMS hydrophil ist, wird es einfach und ohne Haftlösung auf die Glasscheibe anbringen. Fix die Goldplatte auf der Substratstufe des Ausrichters (Abbildung 3a). </li><li> Suchen Sie die Zentren der the SMF Kabelloch und Gold-Block, der auf der gleichen Achse ausgerichtet sind, auf der Ausrichter die Kamera verwenden. Hebt die manuelle Stufe die beiden Teile (3b und c) zu kombinieren. </li></ol> 4. Verbesserung der Microchip Seiten Oberflächenrauheit von PDMS-Beschichtung HINWEIS: Die Goldplatte mit festen Abmessungen von 400 x 150 &amp; mgr; m 2 ist relativ schwieriger zu schneiden ist als das PDMS - Material. Daher wird die PDMS Mikrokanal von dem Wafer abzulösen, wird eine Rasierklinge ein größeres Stück als die Goldplatte auszuschneiden verwendet. Nachdem die beiden Teile verbindet, müssen die überschüssigen Teile des PDMS , bezogen auf die Goldplatte dann geschnitten werden , so dass das Innere des Kanals von der Seite unter Verwendung eines Mikroskops (4a) beobachtet werden. Jedoch kann die Schnittfläche, die als Fenster verwendet wird, hat eine hohe Oberflächenrauhigkeit und somit erzeugt trübe Bilder des Partikels , die in dem Kanal (Abbildung fließen4b). Die Beschichtung mit der PDMS-Lösung wird erneut durchgeführt, um dieses Problem zu lösen. <ol><li> Bereiten Sie die PDMS-Lösung durch das PDMS Basis Mischen und Härter in einem Verhältnis 10: 1 und rühre 2 min. </li><li> Gießen von 2 ml der PDMS - Lösung in die Petrischale und durchzuführen , die Schleuderbeschichtung für 30 s bei 1000 rpm (Abbildung 4c). </li><li> Platzieren der Mikrochipoberfläche , die auf dem Mikroskop auf der Petrischale (Figur 4d) angeordnet sein wird. Platzieren Sie die Petrischale in den Ofen für 1 h bei 80 ° C wird die PDMS-Lösung zu verfestigen. </li><li> Schneiden Sie die Grenze des Mikrochips und PDMS mit einer Rasierklinge und anschließend lösen sie von der Petrischale (Figuren 4e, f). </li></ol> 5. Lasereinkopplung die SMF-Kabel an den Microchip einfügen HINWEIS: Für das plasmonic tweezer System wird ein optische Faser auftreffende Laser mit einer 1.064-nm Wellenlänge verwendet wird. Das SMF-Kabel ist, weil der Durchmesser des verwendeten inciDent Laser (5 mm) zu immensem dem Laserstrahl an der nanohole auf dem Gold - Block (400 x 150 &amp; mgr; m 2) in dem Mikrochip zu fräse zu emittieren. Das Manteldurchmesser des SMF Kabels beträgt 125 &amp; mgr; m. Somit muß der einfallende Laser und SMF-Kabel gekoppelt werden. <ol><li> Verbinden, um ein 40-fach Objektiv zum Mikroskopobjektiv auf den SMF Koppler montieren. Fixiert das SMF-Kabel auf der Faserklemme des SMF Koppler. Richten des einfallenden Laserstrahls in der hinteren Öffnung des Objektivs zu füllen. </li><li> Konzentrieren des Laserstrahls auf den Kern des SMF-Kabel durch das Einstellen der dreiachsige Hand Stufe an dem SMF Koppler ausgestattet. </li><li> Stecken Sie das gegenüberliegende Ende der SMF-Kabel in das SMF Kabelloch des Mikrochips. Messung der Laserleistung vor dem Einsetzen am Rande des Faserkabels, weil das feste Faserkabel an dem Mikrochip nicht abgenommen werden kann. </li><li> Seal das SMF Kabelloch mittels Epoxykleber das Austreten der fließenden Partikellösung aus dem Spalte zwischen der SMF cab zu blockierenle Loch (300 &amp; mgr; m) und die Verkleidung der SMF-Kabel (125 um); das Ende des Faserkabels eingeführt sollte nicht den Mikrokanal eintreten um die Fluidströmung zu vermeiden. Ausrichten manuell das Faserkabel eine visuelle Rückmeldung verwendet, so dass es an den Goldblock senkrecht, die die nanohole hostet. </li></ol> 6. Plasmonische Trapping einzelner fluoreszierender Polystyrolteilchengröße im Microchip <ol><li> Die Spritze, die mit der Partikellösung, die an eine Spritze Mikropumpe gefüllt wird. Legen Sie das Deckglas auf dem Probentisch des Fluoreszenzmikroskops. Verbinden Rohre mit dem Einlass- / Auslasslöcher des Mikrochips. Platzieren Sie die PDMS-beschichteten Mikrochipoberfläche auf der Oberseite des Deckglases. </li><li> Platzieren Sie den Mikrochip orthogonal zum Eintauchen in Wasser 60X Objektivlinse durch die Beobachtung des Inneren des Kanals mit der Kamera auf dem Fluoreszenzmikroskop eingebaut. Verwenden Sie transparentes Klebeband den Mikrochip an seinem Platz zu fixieren. Verbinden des Einlassrohrs des Mikrochips mit der Spritze needle. </li><li> Setzen Sie die Partikellösung auf den Mikrochip, indem die Mikropumpe bei 20 &amp; mgr; m / s zu steuern. In diesem Moment, bestätigt, dass die Leuchtstoffpartikel in dem Kanal beobachtet werden können, auch wenn die Leuchtstofflampe eingeschaltet wird. </li><li> Warten, bis die Partikellösung aus dem Auslass des Mikrochips austritt. Stellen Sie die Geschwindigkeit auf 3,4 &amp; mgr; m / s. </li><li> Schalten der Laserquelleneinrichtung so, dass sie den Laser in die nanohole emittiert; die Leuchtstoffpartikel werden am Rande des nanohole gefangen werden. </li><li> Rampe die Fluidgeschwindigkeit in Schritten von 0,4 &amp; mgr; m / s durch die Mikropumpe, bis der eingeschlossenen Teilchen entweicht steuern. Messen Sie die Flüssigkeitsgeschwindigkeit, wenn die eingeschlossenen Teilchen entweichen. Erhalten, um den maximalen Einklemmkraft für jede Laserintensität unter Verwendung dieser gemessenen Fluidgeschwindigkeit. </li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Das SMF - Kabel wurde in dem SMF Kabelloch auf dem Mikrochip eingesetzt ist , wie es in dem rechteckigen Punkt der 6a gezeigt. Da das SMF Kabelloch größer als das Kabeldurchmesser ist, wurde Epoxidkleber verwendet, um den Spalt abzudichten das Austreten der fließenden Partikellösung zu blockieren. Vor der Anwendung von Epoxidkleber, sollte der Goldblock und Kabelrand koaxial mit der Hand unter Verwendung eines Mikroskops ausgerichtet werden. Obwohl es für die eingelegte Kabelkante und der nanohole werden koaxial ausgerichtet ist, eine geringe Fehlausrichtung toleriert werden kann, ist ideal, weil der Laserstrahl divergiert, wenn es von dem Ende des 0,14 NA SMF Kabel Kante emittiert wird, und der Strahl wirkt sich eine viel größere Region. Da der Mikrochip konfiguriert wurde, auf die optische Achse des Mikroskops senkrecht konnten wir nicht direkt die Position des nanohole beobachten. Die Lage des nanohole nur indirekt durch Beobachten der Position des plasmonically eingeschlossenen Teilchen im nanohole bestimmt werden. EINLösung kann durch die Installation eine Kamera auf dem Faserkabel und deren Verwendung zu überwachen, um den Gold-Block zur Verfügung gestellt werden. Die Besonderheit des Mikrochips ist seine Fähigkeit, Partikelbewegung in der Nähe der Plasmonen nanohole in Echtzeit zu überwachen. Die Bewegung des Teilchens folgt das Szenario im folgenden beschrieben. Wenn das Fluid die Partikel vorwärts strömt, bewegen sich einige Partikel in Richtung auf die Gold-Block. In einigen Fällen wird ein Partikel an der Felge des nanohole insbesondere aufgrund der Nähe Anziehung zum nanohole und wird schließlich immobilisiert. In diesem Moment ausgeübt wird das optische Kraft auf das Teilchen die Fluidkraft übersteigt. Anschließend entweicht die immobilisierte Partikel aus der nanohole Felge, wenn die Fluidgeschwindigkeit erhöht; Somit wird die Fluidkraft stärker ist als die optische Kraft. Die maximale Einklemmkraft kann von diesem Terminal Fluidgeschwindigkeit gemessen werden. Jedoch kann die herkömmliche Reibwiderstandskraft Gleichung nicht verwendet werden, da die Partikel in physischem Kontakt mit der galte Mauer am nanohole. Um die Oberflächenwirkung der Goldwand zu betrachten, verwenden wir die Finite-Elemente-Methode, die die Fluidbewegung in der Nähe der Oberfläche hält, und erhielten die Fluidkraft. Wir haben einen neuen plasmonic tweezer Setup eingeführt, die die Überwachung der Partikeldynamik entlang der Laserstrahlachse ermöglicht. Im Gegensatz dazu haben frühere Studien Partikelbewegung nur in der Ebene eingeführt senkrecht zu der Laserstrahlachse, wie beispielsweise mit dem nanoblock 12 Nanoscheiben 13, 14, 19, 21, 20 nano und nanopyramid 18. Darüber hinaus kann im Fall von nanohole Typen, Trapping nur durch Überwachung des Streusignals, und nicht durch visuelle Überwachung 10, 11, 23 bezeugt werden. Aber,wir können nicht genau die Partikelposition messen wegen der begrenzten Möglichkeiten der aktuellen bildgebenden Verfahren. Die Abbildungsqualität sollte ferner die genaue Versetzungsmessungen bestätigen verbessert werden. Diese Technik kann bei der Charakterisierung und Biosensorik eines einzelnen Moleküls angewandt werden.

Die Fähigkeit mikroskaligen Objekte zu manipulieren, ist ein unverzichtbares Merkmal für viele Mikro- / Nano-Experimente. Der direkte Kontakt Manipulationen können die manipulierten Objekte beschädigen. die bisher gehaltenen Objekte Releasing ist auch wegen der Haft- Probleme herausfordernd. Unter Verwendung dieser Probleme, mehrere indirekte Verfahren fluidischen 1, 2 elektrische, magnetische 3 oder photonische Kräfte 4, 5, 6, 7, 8 zu überwinden , vorgeschlagen worden. Plasmonische Pinzette , die photonische Kräfte verwenden , wird auf der Grundlage der Physik der außergewöhnlichen Feldverstärkung mehr Aufträge größer als die Lichtintensität 9. Diese extrem starke Feldüberhöhung ermöglicht das Einfangen von extrem kleinen Nanopartikeln. Zum Beispiel hat es sich als nanoskalige gezeigt zu immobilisieren und zu manipulierenObjekte, wie Polystyrolteilchen 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15 Polymerketten, Proteine 16, Quantenpunkte 17 und DNA - Molekül , 8, 18. Ohne plasmonic Pinzette ist es abzufangen Nanopartikeln schwierig, weil sie schnell verschwinden, bevor sie wirkungsvoll untersucht werden, oder weil sie aufgrund der hohen Intensität des Lasers beschädigt werden. Viele plasmonic Studien haben verschiedene nanoskalige Goldstrukturen. Wir können die Goldstrukturen als vorstehende Nanoscheibentypen 12, 13, 14, 15, 19 kategorisieren <sbis&gt;, 20, 21 oder unterdrückt nanohole Typen 7, 8, 10, 11, 22, 23. In Bezug auf die Abbildungs ​​Bequemlichkeit sind die Nanoscheibentypen besser geeignet als die nanohole Typen da, für die letztere, die Goldsubstraten die Beobachtung Sicht versperren können. Darüber hinaus tritt das Plasmonen-Trapping in der Nähe der Plasmonen Struktur und macht Beobachtung noch schwieriger. Nach bestem Wissen unserer Erkenntnisse wurde plasmonic Trapping auf nanohole Typen verifiziert nur indirekte Streusignale. Jedoch keine erfolgreichen direkten Beobachtungen, wie mikroskopische Aufnahmen, wurden berichtet. Nur wenige Studien haben die Position der gefangenen Partikel beschrieben. Ein solches Ergebnis wurde von Wang et al. Sie schufen eine Gold-Säule auf einem Goldsubstrat und beobachtet die pArtikel Bewegung eines Fluoreszenzmikroskops unter Verwendung von 24. Dies ist jedoch nur dann wirksam zur Überwachung seitliche Bewegungen nicht in Richtung parallel zur Strahlachse. In diesem Beitrag stellen wir neue fluidischen Mikrochip-Design und Herstellungsprozeduren. Unter Verwendung dieses Chip demonstrieren wir die Überwachung von plasmonically eingeschlossenen Teilchen, sowohl in Richtungen parallel und senkrecht zu der Plasmonen Nanostruktur. Darüber hinaus messen wir die maximale Kraft des immobilisierten Partikel durch die Fluidgeschwindigkeit die Erhöhung der tipping Geschwindigkeit in dem Mikrochip zu finden. Diese Studie ist einzigartig, weil die meisten Studien auf Plasmonen Pinzette nicht quantitativ die maximalen Fangkräfte in ihren Versuchsaufbauten verwendet wurden, zeigen.

<table><tbody><tr><td>Negative photoresist&amp;nbsp;</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2075</td><td></td></tr><tr><td>Developer</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 Developer</td><td></td></tr><tr><td>Positive photoresist&amp;nbsp;</td><td>Merck Ltd.</td><td>AZ GXR-601</td><td></td></tr><tr><td>AZ Photoresist Developers</td><td>Merck Ltd.</td><td>AZ 300 MIF</td><td></td></tr><tr><td>HMDS</td><td>Merck Ltd.</td><td>AZ Adhesion Promoter</td><td></td></tr><tr><td>Aligner</td><td>Midas System</td><td>MDA 400M</td><td></td></tr><tr><td>Atmospheric plasma machine&amp;nbsp;</td><td>Atmospheric Process&lt;br/&gt; Plasma Co.</td><td>IDP-1000</td><td></td></tr><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184 A/B</td><td></td></tr><tr><td>Gold coated test slides</td><td>EMF Co.</td><td>TA124(Ti/Au)</td><td></td></tr><tr><td>Au etchant&amp;nbsp;</td><td>Transene Inc.</td><td>TFA</td><td></td></tr><tr><td>Ti etchant&amp;nbsp;</td><td>Transene Inc.</td><td>TFT</td><td></td></tr><tr><td>40X objective lens&amp;nbsp;</td><td>Edmund Optics</td><td>40X DIN</td><td></td></tr><tr><td>60X water immersion&lt;br/&gt; objective lens&amp;nbsp;</td><td>Olympus</td><td>LUMPLFLN 60XW</td><td></td></tr><tr><td>Optical fiber incident laser&amp;nbsp;</td><td>IPG Photonic</td><td>YLR 10</td><td></td></tr><tr><td>SMF coupler</td><td>Thorlabs</td><td>MBT612D/M</td><td></td></tr><tr><td>Syringe micropump</td><td>Harvard</td><td>PC2 70-4501</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescent microscope&amp;nbsp;</td><td>Olympus</td><td>IX-51</td><td></td></tr><tr><td>Plasma system</td><td>Femto Science Inc</td><td>CUTE-MPR</td><td></td></tr></tbody></table>

plasmonic trapping and release of nanoparticles in a monitoring environment

Plasmonische Pinzette Oberflächenplasmon Polaritonen polarisierbaren nanoskaligen Objekten zu beschränken. Unter den verschiedenen Designs plasmonischer Pinzette, nur wenige können immobilisierte Teilchen beobachten. Darüber hinaus haben eine begrenzte Anzahl von Studien experimentell die ausübbaren Kräfte auf die Partikel gemessen. Die Entwürfe können als den vorstehenden Nanoscheibentyp oder unterdrückt nanohole Typ klassifiziert werden. Für letztere ist eine mikroskopische Beobachtung extrem anspruchsvoll. In diesem Beitrag wird ein neues System eingeführt plasmonic tweezer Partikel zu überwachen, die beide in Richtungen parallel und senkrecht zu der Symmetrieachse einer plasmonic nanohole Struktur. Diese Funktion ermöglicht es, die Bewegung der einzelnen Teilchen in der Nähe des Randes des nanohole zu beobachten. Darüber hinaus können wir quantitativ die maximalen Fangkräfte schätzen einen neuen fluidischen Kanal.

Der Herstellungsprozess der PDMS Mikrokanal und nanohole Goldplatte ist in den 1 und 2 dargestellt. Das Verfahren zum Kombinieren der beiden Teile und der tatsächliche Mikrochip ist in Abbildung 3 dargestellt. Das PDMS wurde geschnitten, um das Innere des Kanals von der Seite des Mikrochips zu offenbaren. Jedoch war es schwierig, die Teilchen fließen in dem Kanal aufgrund der Oberflächenrauhigkeit der Schnittebene zu beobachten. Daher führten wir die PDMS - Beschichtungsverfahren , dieses Problem zu lösen, wie in Abbildung 4 gezeigt. Wir beobachteten, 5 um, Polystyrol-Teilchen in dem Mikrochip fließt, um die Wirkung der PDMS-Beschichtung zu bestätigen. Abbildung 5 zeigt den tatsächlichen fabriziert Mikrochip und Partikel in dem Mikrochip mit dem Mikroskop beobachtet. Figur 5a und c sind die vor und nach appearances des Mikrochips. Figur 5b und d sind die vergrößerte Oberflächen eines jeden. Figur 5e zeigt verschwommenen Partikel fließt, während Figur 5F zeigt , dass die Kanten der Teilchen sind insbesondere klare und dass Bewegungen überwacht werden können. Wie oben erwähnt, ist die PDMS-Beschichtung der Mikrochipoberfläche mit der Überwachung der eingeschlossenen Teilchen wesentlich. Abbildung 6 zeigt das 100-nm - Polystyrolteilchen läuft Plasmonen optisches Einfangen durch das plasmonic tweezer System. Ein SMF-Kabel mit einer 0.14 numerischen Apertur (NA) verwendet. Ein Rohr wurde an den Einlass- / Auslasslöcher des Mikrochipkanal eingeführt. Eine Mikropumpe wurde verwendet, um die 100-nm Fluoreszenz Polystyrol Partikellösung einzusetzen und zu sammeln. In das Innere Aussehen des eingefangenen Partikel durch den Plasmonen Phänomen, die gepunkteten Teile 6a zu betonen wurden als eingelassenem vergrößert, <strong&gt; 6b. Der Laser durch die SMF-Kabel in den Mikrochip eingeliefert wurde dem nanohole des Goldblocks emittiert werden, und das Teilchen von links nach rechts fließt. Bewegung wurde auf der Felge nanohole detektiert, wo die Feldverstärkung war das stärkste. 7 zeigt aufeinanderfolgende Bilder , wo ein 100-nm Fluoreszenz Polystyrol - Partikel , das in dem Mikrokanal geströmt wurde aufgefangen und an der nanohole bei der Intensität von 0,42 mW / um2 freigesetzt. Die Teilchen floß bei einer konstanten Geschwindigkeit von 3,4 um / s in Fluidrichtung, wie in 7a gezeigt. Nachdem der Laser eingeschaltet wurde, eines der Teilchen wurde auf der nanohole gefangen, wie in 7b gezeigt. Im Gegensatz dazu floß ein anderes Teilchen in den Strom, wie in Figur 7c gezeigt. Dann wurde die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, bis die eingeschlossenen Teilchen entkommen. Figur 7d zeigt die paArtikel aus der Falle zu entkommen. In diesem Moment können wir die Einklemmkraft mit dem direkten Beobachtung schätzen, indem die Strömungsgeschwindigkeit zu messen, wenn das Teilchen entkommen. Wir arbeiteten auch in der entgegengesetzten Richtung. Statt die Fluidgeschwindigkeit zu erhöhen, verringerte man nach und nach der Laserleistung in Schritten von 1 mW aufgezeichnet und die Intensität, wenn die Partikel entkommen. Diese Laserintensität wird als die minimale Trapping Laserintensität definiert und gemessen 0,24 mW / um2 zu sein. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig1.jpg" /> Abbildung 1 : Die Herstellung des Mikrokanal PDMS. (A) Herstellung des Si - Wafers. (B) Photoresist - Schleuderbeschichtung des Wafers. (C) Fabricated Mikrokanalform durch das Photolithographieverfahren. (D) PDMS Erstarren unter Verwendung eines Ofens nach der PDMS - Lösung auf dem Wafer zu gießen. (e) PDMS-Mikrokanal schneiden. (F) PDMS Mikrokanal Loslösung von dem Wafer. (G) Einlass- / Auslass- und SMF Kabellöchern durchlöchert auf dem PDMS - Mikrokanal. (H) Die tatsächliche verfestigte PDMS auf dem Wafer. (I) Die tatsächliche freistehend PDMS Mikrokanal. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig2.jpg" /> Abbildung 2. Die Herstellung des nanohole auf der Goldplatte nach dem Ätzprozess. (A) Abscheidung von Au und Ti auf dem Glas. (B) Die Fotoresist - Spin - Beschichtung der Goldplatte. (C) Gelöste Photoresistentfernung nach der UV - Belichtung. (D) Au Ätzen. (E) Ti Ätzen. (F) verbleibende Photoresist re<html> moval. (G) Nanohole Fräsen durch einen fokussierten Ionenstrahl auf dem Goldblock. (H) Die tatsächliche hergestellt Goldblock. (I) Die tatsächliche gefrästen nanohole auf dem Goldblock. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig3.jpg" /> Abbildung 3. Montageprozess des Mikrochips. (A) Befestigen der PDMS - Mikrokanalplatte und Gold auf dem Maskenhalter und der Substratstufe, jeweils auf der Ausrichtvorrichtung ausgestattet. (B) Kombination des PDMS - Mikrokanalteils und die Goldplatte nach der Oberflächenbehandlung mit O 2 -Plasma. (C, d) Zusammengesetzte Mikrochip nach der Kombination. (E) Entfernung von überschüssigen Menge des PDMS - Mikrokanal.ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg“target =‚_ blank‘&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig4.jpg" /> Abbildung 4. Verfahren der Oberflächenrauigkeit Verbesserung durch PDMS - Beschichtung. (A) Entfernen überschüssige Menge mit einer Rasierklinge , nachdem die beiden Teile verbinden. (B) hohe Oberflächenrauhigkeit des Mikrochips nach dem Schneiden. (C) PDMS - Lösung Schleuderbeschichtung in einer Petrischale. (D) Eintauchen der Fensteroberfläche des Mikrochips in die schleuderbeschichtet PDMS - Lösung. (E) PDMS beschichteten Mikrochip Ablösung von der Petrischale. (F) Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit durch PDMS - Beschichtung. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Abbildung 5. Assembled Mikrochip und Beobachtung von 5 &amp; mgr; m-Polystyrol - Teilchen in dem Mikrokanal vor und nach dem PDMS - Beschichtung. (A, b) Mikrochip vor PDMS Beschichtung und vergrößerten Ansicht. (C, d) Microchip nach PDMS Beschichtung und vergrößerten Ansicht. (E, f) Beobachtung der Teilchen in dem Mikrokanal vor und nach dem PDMS - Beschichtung. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 6" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig6.jpg" /> Abbildung 6. Entwickelt plasmonic tweezer System. (A) Schematische Darstellung des Plasmonen tweezer Systems. (b </strong&gt;) Trapping eines 100 nm fluoreszierend Polystyrolteilchen am Rande des nanohole in dem Mikrochip. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig6large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 7" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig7.jpg" /> Abbildung 7. Trapping und in dem Mikrokanal von einem 100-nm fluoreszierend Polystyrolteilchen freigesetzt wird . (A) Der Mikrokanal mit einem Partikel in den Strom fließt. (B, c) Trapped Partikel im nanohole im Vergleich zu einem anderen Teilchen. (D) Teilchen , das aufgrund des erhöhten Fluidkraft aus der Falle entkommen. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig7large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Ein Mikrochip Herstellungsverfahren, die Plasmonen Pinzette umfasst wird hier vorgestellt. Der Mikrochip ermöglicht die Abbildung eines eingeschlossenen Teilchen maximal Trapping Kräfte zu messen.

Plasmonische Trapping und Freisetzung von Nanopartikeln in einer Monitoring-Umgebung

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

plasmonic-trapping-release-nanoparticles-monitoring

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

7.5K Aufrufe.  Korea Basic Science Institute (KBSI).  Ein Mikrochip Herstellungsverfahren, die Plasmonen Pinzette umfasst wird hier vorgestellt. Der Mikrochip ermöglicht die Abbildung eines eingeschlossenen Teilchen maximal Trapping Kräfte zu messen. 

Serie: Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

Polykristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen mit Plasmonische-enhanced Light-Trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Forschung

Ingenieurwesen

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

Optical Trapping von Nanopartikeln

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

Bau einer Hohe Auflösung Mikroskop mit Konventionelle und Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological research. Perhaps the most widely used physical force to achieve noninvasive manipulation of small particles has been dielectrophoresis(DEP).1 However, DEP on its own lacks the versatility and precision that are desired when manipulating cells since it is traditionally done with stationary electrodes. Optical tweezers, which utilize a three dimensional electromagnetic field gradient to exert forces on small particles, achieve this desired versatility and precision.2 However, a major drawback of this approach is the high radiation intensity required to achieve the necessary force to trap a particle which can damage biological samples.3 A solution that allows trapping and sorting with lower optical intensities are optoelectronic tweezers (OET) but OET's have limitations with fine manipulation of small particles; being DEP-based technology also puts constraint on the property of the solution.4,5
This video article will describe two methods that decrease the intensity of the radiation needed for optical manipulation of living cells and also describe a method for orientation control. The first method is plasmonic tweezers which use a random gold nanoparticle (AuNP) array as a substrate for the sample as shown in Figure 1. The AuNP array converts the incident photons into localized surface plasmons (LSP) which consist of resonant dipole moments that radiate and generate a patterned radiation field with a large gradient in the cell solution. Initial work on surface plasmon enhanced trapping by Righini et al and our own modeling have shown the fields generated by the plasmonic substrate reduce the initial intensity required by enhancing the gradient field that traps the particle.6,7,8 The plasmonic approach allows for fine orientation control of ellipsoidal particles and cells with low optical intensities because of more efficient optical energy conversion into mechanical energy and a dipole-dependent radiation field. These fields are shown in figure 2 and the low trapping intensities are detailed in figures 4 and 5. The main problems with plasmonic tweezers are that the LSP's generate a considerable amount of heat and the trapping is only two dimensional. This heat generates convective flows and thermophoresis which can be powerful enough to expel submicron particles from the trap.9,10 The second approach that we will describe is utilizing periodic dielectric nanostructures to scatter incident light very efficiently into diffraction modes, as shown in figure 6.11 Ideally, one would make this structure out of a dielectric material to avoid the same heating problems experienced with the plasmonic tweezers but in our approach an aluminum-coated diffraction grating is used as a one-dimensional periodic dielectric nanostructure. Although it is not a semiconductor, it did not experience significant heating and effectively trapped small particles with low trapping intensities, as shown in figure 7. Alignment of particles with the grating substrate conceptually validates the proposition that a 2-D photonic crystal could allow precise rotation of non-spherical micron sized particles.10 The efficiencies of these optical traps are increased due to the enhanced fields produced by the nanostructures described in this paper.

Plasmonic tweezers and photonic crystal nanostructures are shown to produce useful enhancements in the efficiency and orientation control of optically trapping micro- and nano-particles.

Nutzung von Plasmonic und Photonic Crystal Nanostrukturen für verbesserte Mikro-und Nanopartikel-Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

Biotechnik

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A single gold nanoparticle held by an optical tweezer is used as a sensor to quantify the rhythmic motion of a Nauplius larva (Artemia salina) in a water sample. This is achieved by monitoring the time dependent displacement of the trapped nanoparticle as a consequence of the Nauplius activity. A Fourier analysis of the nanoparticle&#39;s position then yields a frequency spectrum that is characteristic to the motion of the observed species. This experiment demonstrates the capability of this method to measure and characterize the activity of small aquatic larvae without the requirement to observe them directly and to gain information about the position of the larvae with respect to the trapped particle. Overall, this approach could give an insight on the vitality of certain species found in an aquatic ecosystem and could expand the range of conventional methods for analyzing water samples.

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We use optical tracking of plasmonic nanoparticles to probe and characterize the frequency movements of aquatic organisms.

Die Analyse der Bewegung des Nauplios &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Von Optical-Tracking von Plasmonische Nanopartikel

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

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.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical lattice consists of an array of nanostructures, which exhibit a variety of trapping and transport behaviors. We report the experimental procedures to trap micro-particles in a simple square nanoplasmonic optical lattice. We also describe the optical setup and the nanofabrication of a nanoplasmonic array. The optical potential is created by illuminating an array of gold nanodiscs with a Gaussian beam of 980 nm wavelength, and exciting plasmon resonance. The motion of particles is monitored by fluorescence imaging. A scheme to suppress photothermal convection is also described to increase usable optical power for optimal trapping. Suppression of convection is achieved by cooling the sample to a low temperature, and utilizing the near-zero thermal expansion coefficient of a water medium. Both single particle transport and multiple particle trapping are reported here.

We describe a procedure to optically trap micro-particles in nanoplasmonic optical lattice.

Trapping von Mikropartikeln in Nanoplasmonic optischen Gitter

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical ...

Monitoring Conformational Dynamics of Single Unmodified Proteins using Plasmonic Nanotweezers

Current single-molecule techniques to characterize proteins typically require labels, tethers, or the use of non-native solution conditions. Such changes can alter protein biophysics and reduce the usefulness of the data acquired. Plasmonic nanotweezers is a technique that uses localized surface plasmon resonance (LSPR) on gold nanostructures to enhance the electric field within a confined hotspot region. This field enhancement allows for the use of low laser powers to trap single nanoparticles far smaller than conventional optical tweezers, down to only a few nanometers in diameter, such as single proteins. Trapping of single protein molecules within the hotspot region induces a shift in the local refractive index (nprotein &#62; nwater), altering light scattering as a product of the molecule&#39;s polarisability, which is affected by its volume, shape anisotropy, and refractive index. An avalanche photodiode (APD) collects the subsequent changes in light scattering. These alterations can then be analyzed to determine changes in the trapped molecule, including its size, global conformation, and dynamics of conformational change over time. The incorporation of microfluidics within the system allows for controlled environmental changes and real-time monitoring of their subsequent effects on the molecule. In this protocol, we demonstrate the steps to trap single protein molecules, alter their environmental solution conditions, and monitor their corresponding conformational changes using a plasmonic nanotweezers system.

Plasmonic nanotweezers use localized surface plasmon resonance in gold nanostructures to trap single nanoparticles, including proteins, within a nanometer-scale optical field. Changes in the scattered signal reveal protein presence and conformational dynamics, enabling monitoring without fluorophore modifications or surface tethering.

Überwachung der Konformationsdynamik einzelner unmodifizierter Proteine mit einer plasmonischen Nanopinzette

Current single-molecule techniques to characterize proteins typically require labels, tethers, or the use of non-native solution conditions. Such changes ...

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric field of metallic nanostructures. Salt-induced silver nanoparticle aggregation is the most popular method for generating SERS-active substrates; however, it is limited by poor reproducibility, stability, and biocompatibility. The present protocol integrates optical manipulation and SERS detection to develop an efficient analytical platform to address this. A 1064 nm trapping laser and a 532 nm Raman probe laser are combined in a microscope to assemble silver nanoparticles, which generate plasmonic hotspots for in situ SERS measurements in aqueous environments. Without aggregating agents, this dynamic plasmonic silver nanoparticle assembly enables an approximately 50-fold enhancement of the analyte molecule signal. Moreover, it provides spatial and temporal control to form the SERS-active assembly in as low as 0.05 nM analyte-coated silver nanoparticle solution, which minimizes the potential perturbation for in vivo analysis. Hence, this optical trapping-integrated SERS platform holds great potential for efficient, reproducible, and stable molecular analyses in liquids, especially in aqueous physiological environments.

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

The present protocol describes a convenient approach to integrating optical trapping and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to manipulate plasmonic nanoparticles for sensitive molecular detection. Without aggregating agents, the trapping laser assembles plasmonic nanoparticles to enhance the SERS signals of target analytes for in situ spectroscopic measurements.

Optisches Einfangen plasmonischer Nanopartikel für In-situ-oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie-Charakterisierungen

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric ...