Este trabajo fue apoyado por el programa D de MSIP / IITP (R0190-15-2040, Desarrollo de un sistema de gestión de la configuración y el contenido de un simulador para la impresión en 3D usando materiales inteligentes) la I +.

Precaución: Por favor refiérase a las normas de seguridad de material pertinentes antes de su uso. Varios de los productos químicos utilizados en la fabricación de microchips son agudamente tóxico y carcinogénico. Por favor, use todas las prácticas apropiadas de seguridad al realizar los procesos de fotolitografía y el grabado, incluyendo el uso de controles de ingeniería (campana de humos, placa caliente, y alineador) y equipo de protección personal (gafas de seguridad, guantes, ropa de laboratorio, pantalones largos, y cerrada zapatos -toe). 1. La fabricación de microcanal PDMS <ol><li> La fabricación del molde de microcanales por el proceso de fotolito <ol><li> Eliminar completamente sustancias extrañas en la superficie de la oblea de Si de 4 pulgadas con la limpieza Piranha (Figura 1a). Mezclar ácido sulfúrico (H 2 SO 4) y peróxido de hidrógeno (H 2 O 2) en una proporción de 3: 1 para hacer la solución Piranha en el plato. Mezclar mediante la adición gradual de pequeñas cantidades de ácido fuerte (H 2 O <sub&gt; 2) para el ácido débil (H 2 SO 4); revertir esta orden puede causar una explosión debido a la ácido fuerte altamente reactivo. </li><li> Sumergir la pastilla en la solución Piraña por 10 min. Posteriormente, sumergir la oblea en agua desionizada (DI) durante 3 min para eliminar la solución Piranha restante. Enjuague la oblea con un chorro de agua DI durante 10 s. Repetir el procedimiento de lavado 3 veces y seco con N 2 gas para eliminar el DI restante. </li><li> Coloque la oblea en una placa caliente durante 20 min a 180 ° C para deshidratar aún más la oblea. </li><li> Verter 5 ml de la sustancia fotorresistente negativa en la parte superior de la capa de la oblea y centrifugado durante 45 s a 1500 rpm (Figura 1b); después de revestimiento por rotación, una perla fotorresistente se crea en el borde de la oblea debido a la viscosidad relativamente alta de la resina fotosensible. </li><li> Equilibrar la oblea fotorresistente recubierto por planarización en un soporte de nivelación durante 5 h. </li><li> Coloque la oblea fotorresistente recubierto sobre una placa caliente durante 12 min a 65° C, 35 min a 95 ° C, y 12 min a 65 ° C (para hornear suave). </li><li> Fijar la máscara de película en el soporte de la máscara y la oblea suave cocido al horno en la etapa de sustrato del alineador. Exponer a la luz ultravioleta (UV) durante 43 s a 650 mJ / cm 2 para solidificar la resina fotosensible. </li><li> Coloque la oblea en la placa caliente durante 5 minutos a 65 ° C, 15 min a 95 ° C, y 5 min a 65 ° C (bicarbonato de post-exposición). </li><li> Sumergir la oblea en el revelador fotorresistente durante 30 min para eliminar fotorresistente no solidificada. </li><li> Enjuague la oblea con alcohol isopropílico (IPA) y se seca con N 2 gas para eliminar el IPA restante. </li></ol></li><li> Fabricación del microcanal PDMS <ol><li> Tratar la superficie de la oblea y el molde fotorresistente durante 1 min a una potencia de 200 W usando una máquina de plasma atmosférico 25; los flujos de gas de CH 4 y debe ser 6 y 30 sccm, respectivamente. Realizar este tratamiento hidrófobo para desprenderse con facilidad la polydimethylsiloxane (PDMS) microcanal de la superficie de la oblea y el molde fotorresistente (Figura 1c). </li><li> Preparar la solución de PDMS mezclando la base de PDMS y agente de curado en una relación de 10: 1. Agitar la mezcla durante 2 min. </li><li> Coloque la oblea dentro de una placa de Petri (150 mm x 15 mm) y añadir 100 ml de la solución de PDMS. Eliminar las burbujas que se crearon a partir de agitación usando un desecador. </li><li> Coloque la placa de Petri en el horno durante 2 horas a 80 ° C para solidificar la solución de PDMS (Figura 1d y h). </li><li> Corte a lo largo de los contornos del microcanal PDMS con una hoja de afeitar y separarla de la oblea; los microcanal PDMS fabricadas deben tener las siguientes dimensiones: 13 mm de largo, 300 m de ancho, y 150 micras alta (Figuras 1e, f, y i). NOTA: Dos tipos de agujeros se producen mediante un micropunción para insertar la fibra monomodo (SMF) de cable y los tubos (entrada unand salida) en el PDMS microcanal (Figura 1g). El cable SMF se utiliza para emitir el haz de láser a la nanohole molido en la placa de oro. El tubo se utiliza para insertar / extraer la solución de partículas a / desde el microcanal PDMS. </li><li> Perforar 1,5-mm de entrada y agujeros de salida en cada extremo del microcanal PDMS. Perforar un agujero de cable SMF 0,3-mm en el centro del microcanal PDMS. </li></ol></li></ol> 2. Proceso de grabado de la placa de oro <ol><li> Preparar una placa de oro disponible en el mercado con las dimensiones de 25 x 6,25 mm 2 (figura 2a). </li><li> Retire cualquier sustancia extraña en la placa de oro con los siguientes procedimientos de limpieza. Clean en el siguiente orden por inmersión en acetona, metanol, y agua DI durante 5 min cada uno. </li><li> Enjuague la placa de oro 3 veces con agua DI durante 10 s y se seca la placa con N 2 gas para eliminar el agua DI restante. </li><li> Coloque la placa de oro en un plato caliente para20 min a 180 ° C para eliminar completamente la humedad restante. </li><li> Verter 0,5 ml de hexametildisilazano (HMDS) en la placa de oro y de revestimiento por centrifugación durante 40 s a 3000 rpm. </li><li> Verter 0,5 ml de fotoprotector positivo en la parte superior de los HMDS mediante revestimiento por centrifugación y de revestimiento por centrifugación durante 40 s a 3000 rpm (Figura 2b). </li><li> Coloque la placa de oro fotorresistente recubierto sobre la placa caliente durante 90 s a 110 ° C (hornear suave). </li><li> Fijar la máscara de película sobre la oblea de vidrio y colocar la placa de oro-suave cocido al horno en la etapa de sustrato. Exponer a la luz UV durante 4,5 s a 64 mJ / cm 2 para disolver la resina fotosensible. </li><li> Sumergir la placa de oro en el revelador fotorresistente para 1 min para eliminar el fotoprotector disuelto (Figura 2c). Enjuague la placa de oro con agua DI y seco con N 2 gas. </li><li> Sumergir la placa de oro en el Au reactivo de ataque durante 45 s a una velocidad de grabado de 28 Å / s para retirar el Au expuesta (Figura 2d). Enjuague la placa de oro con wate DIr y seco con N 2 gas. </li><li> Sumergir la placa de oro en el reactivo de ataque Ti durante 5 s a una velocidad de grabado de 25 Å / s para retirar el Ti expuesto (Figura 2e). Enjuague la placa de oro con agua DI y seco con N 2 gas. </li><li> Eliminar la fotorresistencia restante en la placa de oro por inmersión en acetona, metanol, y agua DI durante 3 min cada uno (figura 2f); sumergir la placa en el orden escrito. </li><li> Enjuague la placa de oro 3 veces con agua DI durante 10 s. En seco con N 2 gas para eliminar el agua DI. </li><li> Coloque la placa de oro sobre la placa caliente durante 3 minutos a 120 ° C para eliminar completamente la humedad; el bloque de oro producido debe ser 400 x 150 m 2 (Figura 2h). </li><li> Molino un nanohole 400-nm utilizando un haz de iones focalizado (FIB) en el centro del bloque de oro que fue fabricado después del grabado (figuras 2g y i). Crear un patrón de círculo de 370 nm a centrarse en el bl oroock con un ion de un voltaje de aceleración de 30 kV a 28 pA durante 3 s. </li></ol> 3. Montaje del microchip <ol><li> Tratar las dos superficies de la microcanal PDMS y placa de oro durante 1 min con plasma de O2 para la fijación junto con un sistema de plasma a una potencia de 80 W y una presión de 825 mTorr 25. NOTA: Es notablemente difícil colocar con precisión debido a que el bloque de oro y microcanal PDMS están en el nivel micrométrico. Por lo tanto, usar un alineador con una cámara y una etapa manual. </li><li> Fijar la oblea de vidrio que se utiliza para fijar la máscara de película al soporte de la máscara del alineador (Figura 3a). </li><li> Una los O 2 -plasma tratados con PDMS microcanal a la oblea de vidrio; debido a que el PDMS es hidrofílico, se va a adjuntar fácilmente a la oblea de vidrio sin ningún tipo de solución de adherencia. Fijar la placa de oro en la etapa de sustrato del alineador (Figura 3a). </li><li> Localizar los centros de jue SMF orificio del cable y oro bloque, que están alineados en el mismo eje, utilizando la cámara en el alineador. Levantar la etapa manual de combinar las dos partes (figuras 3B y C). </li></ol> 4. Mejora de la rugosidad de la superficie lateral del microchip por PDMS Revestimiento NOTA: La placa de oro con dimensiones fijas de 400 x 150 m 2 es relativamente más difícil de cortar que el material de PDMS. Por lo tanto, para separar el microcanal PDMS de la oblea, una hoja de afeitar se utiliza para cortar un pedazo más grande que la placa de oro. Después de combinar las dos partes, las partes sobrantes del PDMS respecto a la placa de oro a continuación, deben ser cortados de manera que el interior del canal se puede observar desde el lado usando un microscopio (Figura 4a). Sin embargo, la superficie de corte, que se utiliza como una ventana, tiene una alta rugosidad de la superficie y por consiguiente produce imágenes nublados de las partículas que fluyen en el canal (figura4b). Recubrimiento con la solución de PDMS se realiza de nuevo para resolver este problema. <ol><li> Preparar la solución de PDMS mezclando la base de PDMS y agente de curado en una relación de 10: 1 y se agita durante 2 min. </li><li> Verter 2 ml de la solución de PDMS en la placa de Petri y realizar el recubrimiento por centrifugación durante 30 s a 1000 rpm (Figura 4c). </li><li> Coloque la superficie microchip que se va a estar ubicado en el microscopio en la placa de Petri (Figura 4d). Coloque la placa de Petri en el horno durante 1 h a 80 ° C para solidificar la solución de PDMS. </li><li> Cortar la frontera del microchip y PDMS utilizando una hoja de afeitar y posteriormente separarla de la placa de Petri (Figuras 4e, f). </li></ol> 5. Acoplamiento láser para insertar el cable SMF al microchip NOTA: Para el sistema de pinzas plasmónica, se utiliza un láser incidente de fibra óptica con una longitud de onda 1064 nm. El cable SMF se utiliza debido a que el diámetro de la INCIláser Dent (5 mm) es demasiado inmenso para emitir el haz de láser en el nanohole molido en el bloque de oro (400 x 150 m 2) en el microchip. El diámetro del revestimiento del cable SMF es de 125 m. De este modo, el láser incidente y el cable SMF deben estar acoplados. <ol><li> Conectar una lente objetivo de 40X para el objetivo del microscopio montaje en el acoplador SMF. Fijar el cable SMF en la abrazadera de la fibra del acoplador SMF. Alinear el haz láser incidente para llenar en la abertura posterior de la lente del objetivo. </li><li> Enfocar el haz de láser para el núcleo del cable SMF mediante el ajuste de la etapa manual de tres eje equipado en el acoplador SMF. </li><li> Inserte el extremo opuesto del cable de SMF en el orificio del cable SMF del microchip. Medir la potencia del láser antes de la inserción en el borde del cable de fibra, debido a que el cable de fibra fija en el microchip no se puede separar. </li><li> Sellar el orificio del cable SMF utilizando pegamento epoxi para bloquear la fuga de la solución de partículas que fluye desde el hueco entre la cabina SMFagujero le (300 m) y el revestimiento del cable SMF (125 m); el extremo del cable de fibra insertado no debe entrar en el microcanal para evitar el flujo de fluido. alinear manualmente el cable de fibra mediante realimentación visual de modo que es perpendicular al bloque de oro que aloja el nanohole. </li></ol> 6. Partícula plasmónica Trapping de Individual fluorescente de poliestireno en el Microchip <ol><li> Coloque la jeringa, que se llena con la solución de las partículas, a una microbomba jeringa. Coloque la cubierta de vidrio en la etapa de la muestra del microscopio fluorescente. Conectar los tubos a los orificios de entrada / salida del microchip. Coloque la superficie microchip PDMS-revestidos en la parte superior de la cubierta de vidrio. </li><li> Coloque el microchip ortogonal a la inmersión en agua lente objetivo 60X observando el interior del canal con la cámara instalada en el microscopio de fluorescencia. Use cinta adhesiva transparente para fijar el microchip en su lugar. Conectar el tubo de entrada del microchip con el ne jeringaedle. </li><li> Insertar la solución de partículas para el microchip mediante el control de la microbomba a 20 m / s. En este momento, confirme que la partícula fluorescente se puede observar bien en el canal cuando la lámpara fluorescente está encendido. </li><li> Esperar hasta que la solución de partículas sale de la salida del microchip. Ajuste la velocidad de 3,4 m / s. </li><li> Gire el dispositivo de fuente de rayos láser para que emita el láser en el nanohole; la partícula fluorescente será atrapado en el borde de la nanohole. </li><li> Rampa la velocidad del fluido en incrementos de 0,4 m / s mediante el control de la microbomba hasta que los escapes de partículas atrapadas. Medir la velocidad de fluido cuando las partículas atrapadas escapen. Obtener la fuerza de atrapamiento máxima para cada intensidad de láser utilizando esta velocidad de fluido medido. </li></ol>

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Los autores no tienen nada que revelar.

El cable SMF se insertó en el orificio del cable SMF en el microchip, como se muestra en el punto rectangular de la figura 6a. Debido a que el orificio del cable SMF es más grande que el diámetro del cable, pegamento epoxi se utiliza para sellar la brecha para bloquear la fuga de la solución de partículas que fluye. Antes de la aplicación de cola epoxi, el bloque de oro y el borde cable deben ser alineados coaxialmente a mano usando un microscopio. Aunque es ideal para el borde cable insertado y la nanohole para ser alineado coaxialmente, una ligera falta de alineación puede ser tolerada ya que el haz de rayos láser diverge una vez que se emite desde el extremo del borde cable 0,14 NA SMF, y el haz afecta a una mucho mayor región. Debido a que el microchip se configura para que sea perpendicular al eje óptico del microscopio, no pudimos observar directamente la ubicación de la nanohole. La ubicación de la nanohole sólo puede determinarse indirectamente mediante la observación de la ubicación de la partícula plasmonically atrapado en el nanohole. UNsolución se puede proporcionar mediante la instalación de una cámara en el cable de fibra y utilizarlo para monitorear el bloque de oro. La característica distintiva del microchip es su capacidad para controlar el movimiento de partículas cerca de la nanohole plasmónica en tiempo real. El movimiento de la partícula sigue el escenario se describe a continuación. Cuando el fluido fluye hacia adelante las partículas, algunas partículas se mueven hacia el bloque de oro. En algunos casos, una partícula se pone sobre todo cerca del borde de la nanohole debido a la atracción a la nanohole y, finalmente, queda inmovilizado. En este momento, la fuerza óptica ejercida sobre la partícula es superior a la fuerza del fluido. Posteriormente, la partícula inmovilizada se escapa de la llanta nanohole cuando la velocidad aumenta de fluido; por lo tanto, la fuerza del fluido se vuelve más fuerte que la fuerza óptica. La fuerza de captura máxima se puede medir de esta velocidad del fluido terminal. Sin embargo, la ecuación convencional fuerza de arrastre no se puede utilizar debido a que la partícula está en contacto físico con el gla pared de edad en el nanohole. Para considerar el efecto de superficie de la pared de oro, se utilizó el método de elementos finitos, que considera el movimiento del fluido cerca de la superficie, y se obtuvo la fuerza del fluido. Hemos introducido una nueva configuración de pinzas plasmónica que permite la supervisión de la dinámica de partículas a lo largo del eje del haz láser. En contraste, los estudios anteriores sólo han introducido movimiento de las partículas en el plano perpendicular al eje del haz láser, como con el nanoblock 12, nanodisk 13, 14, 19, 21, nanoStick 20, y nanopyramid 18. Además, en el caso de los tipos nanohole, atrapamiento sólo puede ser visto por el control de la señal de dispersión, y no por el control visual 10, 11, 23. Sin embargo,No hemos podido medir con precisión la posición de la partícula debido a las capacidades limitadas de técnicas de imagen actuales. La calidad de imagen debe ser mejorado aún más para confirmar las medidas exactas de dislocación. Esta técnica se puede aplicar en la caracterización y los biosensores de una sola molécula.

La capacidad de manipular objetos microescala es una característica indispensable para muchos experimentos micro / nano. manipulaciones de contacto directo pueden dañar los objetos manipulados. La liberación de los objetos anteriormente en manos también es un reto debido a problemas de adherencia estática. Para superar estos problemas,, 8 se han propuesto varios métodos indirectos utilizando fluídico 1, 2 eléctrico, magnético 3, o fuerzas fotónicos 4, 5, 6, 7. Pinzas plasmónica que utilizan fuerzas fotónicos se basan en la física de las extraordinarias de mejora de campo de varios órdenes más grandes que la intensidad incidente 9. Esta extremadamente fuerte aumento del campo permite la captura de nanopartículas extremadamente pequeñas. Por ejemplo, se ha demostrado para inmovilizar y manipular a escala nanométricaobjetos, tales como partículas de poliestireno 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15 cadenas de polímero, proteínas 16, puntos cuánticos 17, y moléculas de ADN 8, 18. Sin pinzas plasmónica, es difícil de nanopartículas de trampa, ya que desaparecen rápidamente antes de que se examinan de manera efectiva o porque están dañados debido a la alta intensidad del láser. Muchos estudios plasmónicas han utilizado diversas estructuras a nanoescala de oro. Podemos clasificar las estructuras de oro como sobresale tipos nanodisk 12, 13, 14, 15, 19 <sup&gt;, 20, 21 o suprimidas tipos nanohole 7, 8, 10, 11, 22, 23. En términos de conveniencia de formación de imágenes, los tipos nanodisk son más adecuados que los tipos nanohole porque, para este último, los sustratos de oro pueden obstruir la vista de observación. Por otra parte, el atrapamiento plasmónica se produce cerca de la estructura plasmónica y hace la observación aún más difícil. A lo mejor de nuestro conocimiento, atrapamiento en plasmónica tipos nanohole solamente se verifica por medio de señales de dispersión indirectos. Sin embargo, no se han reportado observaciones directas exitosas, como las imágenes microscópicas. Pocos estudios han descrito la posición de las partículas atrapadas. Un tal resultado fue presentado por Wang et al. Ellos crearon un pilar de oro sobre un sustrato de oro y observaron la partículo de movimiento utilizando un microscopio de fluorescencia 24. Sin embargo, esto sólo es efectivo para el control de movimientos laterales no en la dirección paralela al eje del haz. En este trabajo, se introduce nuevos procedimientos de diseño y fabricación de microchips de fluidos. El uso de este chip, demostramos el seguimiento de partículas plasmonically atrapados, tanto en direcciones paralelas y ortogonales a la nanoestructura plasmónica. Por otra parte, se mide la fuerza máxima de la partícula inmovilizada mediante el aumento de la velocidad del fluido a encontrar la velocidad de inflexión en el microchip. Este estudio es único porque la mayoría de los estudios sobre las pinzas plasmónica no pueden demostrar cuantitativamente las fuerzas máximas de captura utilizados en sus montajes experimentales.

<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

pinzas plasmónica utilizan polaritonas de plasmones superficiales para confinar los objetos a escala nanométrica polarizables. Entre los diversos diseños de pinzas plasmónica, sólo unos pocos pueden observar partículas inmovilizadas. Por otra parte, un número limitado de estudios han medido experimentalmente las fuerzas que puede ejercer sobre las partículas. Los diseños pueden ser clasificados como el tipo nanodisk que sobresale o el tipo nanohole suprimida. Para estos últimos, la observación microscópica es extremadamente difícil. En este trabajo, se introduce un nuevo sistema de pinzas plasmónica para controlar las partículas, tanto en direcciones paralelas y ortogonales al eje simétrico de una estructura nanohole plasmónica. Esta característica nos permite observar el movimiento de cada partícula cerca del borde de la nanohole. Por otra parte, se puede estimar cuantitativamente las fuerzas máximas de captura utilizando un nuevo canal fluídico.

El proceso de fabricación del microcanal y oro nanohole placa de PDMS se muestra en las Figuras 1 y 2. El método para combinar las dos partes y el microchip real se muestra en la Figura 3. El PDMS se cortó para revelar el interior del canal desde el lado del microchip. Sin embargo, era difícil observar las partículas que fluyen en el canal debido a la rugosidad de la superficie del plano de corte. Por lo tanto, presentamos el método de recubrimiento PDMS para resolver este problema, como se muestra en la Figura 4. Hemos observado 5-m, que fluye a partículas de poliestireno en el microchip para confirmar el efecto del recubrimiento PDMS. La Figura 5 muestra el microchip fabricado real y partículas observadas en el microchip usando el microscopio. Figura 5a y c son los antes y después de Aspectorencias del microchip. Figura 5b y d son las superficies ampliadas de cada uno. La figura 5e muestra partículas borrosas que fluye, mientras que la Figura 5F muestra que los bordes de las partículas son notablemente clara y que los movimientos se pueden monitorizar. Como arriba, el recubrimiento PDMS de la superficie microchip es esencial para la vigilancia de las partículas atrapadas. La Figura 6 muestra la partícula de poliestireno de 100 nm de someterse captura óptica plasmónica por el sistema de pinzas plasmónica. Se utilizó un cable SMF con una apertura numérica 0,14 (NA). Un tubo se insertó en los orificios de entrada / salida del canal de microchip. Una microbomba se utilizó para insertar y recoger la solución de partículas de poliestireno fluorescentes 100-nm. Para enfatizar el aspecto interior de la partícula atrapada por el fenómeno plasmónica, las partes de puntos de la Figura 6a se han ampliado como una inserción, <strong&gt; Figura 6b. El láser emitido por el cable SMF insertado en el microchip se emite a la nanohole del bloque de oro, y la partícula fluía de izquierda a derecha. Movimiento se detectó en el borde nanohole, donde el aumento del campo era el más fuerte. La Figura 7 muestra imágenes consecutivas donde una partícula de poliestireno fluorescente 100-nm que fluía en el microcanal fue atrapado y liberados en el nanohole en la intensidad de 0,42 mW / m 2. Las partículas fluían a una velocidad constante de 3,4 m / s en la dirección de fluido, como se muestra en la Figura 7a. Después de que el láser se enciende, una de las partículas fue atrapado en la nanohole, como se muestra en la Figura 7b. Por el contrario, otra partícula fluyó en la corriente, como se muestra en la Figura 7c. Entonces, la velocidad de flujo se incrementó hasta que la partícula atrapada escapó. La figura 7d muestra la paArtículo escapar de la trampa. En este momento, se puede estimar la fuerza atrapando con la observación directa mediante la medición de la velocidad del fluido cuando la partícula se escapó. También se trabajó en la dirección opuesta. En lugar de aumentar la velocidad del fluido, se disminuyó gradualmente la potencia del láser en decrementos de 1 mW y registró la intensidad cuando la partícula se escapó. Esta intensidad del láser se define como la intensidad mínima de láser de captura y se midió que era 0,24 mW / m 2. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig1.jpg" /> Figura 1. La fabricación del microcanal PDMS. (A) Preparación de la oblea de Si. (B) recubrimiento Fotorresina giro de la oblea. (C) fabricada molde microcanal por el proceso de fotolitografía. (D) la solidificación PDMS usando un horno después de verter la solución de PDMS en la oblea. (e) PDMS de corte microcanal. (F) PDMS microcanal desprendimiento de la oblea. (G) de entrada / salida y los orificios de cable SMF pinchados en el microcanal PDMS. (H) Actual solidificó PDMS en la oblea. (I) reales PDMS unifamiliares microcanal. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig2.jpg" /> Figura 2. La fabricación de la nanohole en la placa de oro después del proceso de grabado. (A) deposición de Au y Ti en el cristal. Recubrimiento por centrifugación (b) Fotorresina de la placa de oro. (C) disuelto eliminación fotorresistente después de exposición a la luz UV. (D) Au grabado. De grabado (e) Ti. (F) restante fotorresistente re<html> moval. (G) Nanohole fresado por un haz iónico concentrado en el bloque de oro. (H) Actual bloque de oro fabricada. (I) nanohole molido real en el bloque de oro. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="figura 3" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig3.jpg" /> Figura 3. Proceso de montaje del microchip. (A) fijar el microcanal PDMS y placa de oro sobre el soporte de la máscara y la etapa de sustrato, respectivamente, equipado en el alineador. (B) Combinación de la parte microcanal PDMS y la placa de oro después de tratamiento de la superficie con plasma de O2. (C, d) microchip montado después de la combinación. (E) eliminación del exceso de cantidad del microcanal PDMS.ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg&quot; target = &#39;_ blank&#39;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig4.jpg" /> Figura 4. Proceso de la superficie mejora la rugosidad por recubrimiento PDMS. (A) Eliminar el exceso de cantidad utilizando una hoja de afeitar después de combinar las dos partes. (B) la rugosidad de alta superficie del microchip después del corte. (C) PDMS solución de revestimiento por rotación en una placa de Petri. (D) inmersión de la superficie de la ventana del microchip en la solución de PDMS spin-revestido. (E) PDMS recubierto microchip desprendimiento de la placa de Petri. (F) Mejora de la rugosidad de la superficie mediante recubrimiento PDMS. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Figura 5. Ensamblado microchip y la observación de partículas de poliestireno 5-m en la microcanal antes y después de recubrimiento PDMS. (A, b) Microchip antes del recubrimiento PDMS y la vista ampliada. (C, d) Microchip después del recubrimiento PDMS y la vista ampliada. (E, f) Observación de partículas en el microcanal antes y después de recubrimiento PDMS. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig6.jpg" /> Figura 6. El sistema de pinzas plasmónica Diseñado. (A) Representación esquemática del sistema de pinzas plasmónica. (b </strong&gt;) Trapping de una partícula de poliestireno fluorescente 100-nm en el borde de la nanohole en el microchip. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig7.jpg" /> Figura 7. El atrapar y liberar de una partícula de poliestireno fluorescente 100-nm en el microcanal. (A) El microcanal con una partícula que fluye en la corriente. (B, c) de partículas atrapado en la nanohole en comparación con otra partícula. (D) de partículas que se escapó de la trampa debido a la mayor fuerza del fluido. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig7large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Un proceso de fabricación de microchip que incorpora pinzas plasmónica se presenta aquí. El microchip permite la obtención de imágenes de una partícula atrapada para medir fuerzas de captura máximas.

Plasmónica la captura y liberación de nanopartículas en un entorno de monitorización

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

7.6K vistas.  Korea Basic Science Institute (KBSI).  Un proceso de fabricación de microchip que incorpora pinzas plasmónica se presenta aquí. El microchip permite la obtención de imágenes de una partícula atrapada para medir fuerzas de captura máximas. 

Video: 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.

De silicio policristalino película delgada de células solares con plasmónica mejorada luz que atrapa

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

Investigación

Ingeniería

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.

Trampas ópticas de las nanopartículas

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.

Construcción de un microscopio de alta resolución con capacidades de captura óptica convencional y holográfica

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.

Utilización de nanoestructuras fotónicas de cristal plasmónicos y para la manipulación mejorada de Micro y nanopartículas

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

Bioingeniería

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.

Analizando el movimiento de la Nauplio &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Por Optical Tracking de plasmónicas nanopartículas

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.

Fabricación y operación de una banda transportadora nano-óptica

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.

Construcción y operación de un sistema del Motor rotatorio de Nanorod oro impulsado por la luz

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.

Captura de partículas Micro en enrejado óptico Nanoplasmonic

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.

Monitorización de la dinámica conformacional de proteínas individuales no modificadas mediante nanopinzas plasmónicas

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.

Captura óptica de nanopartículas plasmónicas para caracterizaciones de espectroscopía Raman mejorada en superficie in situ

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