עבודה זו נתמכה על ידי R &amp; ICT תוכנית D של MSIP / IITP (R0190-15-2040, פיתוח מערכת ניהול תצורה תוכן וסימולטור להדפסה 3D באמצעות חומרים חכמים).

זהירות: עיין בכל תקנות בטיחות חומר הרלוונטיות לפני השימוש. כמה כימיקלים המשמשים הרכבת שבבים הם בחריפות רעילים ומסרטנים. אנא להשתמש בכל שיטות הבטיחות המתאימות בעת ביצוע תהליכי photolithography תחריט, כולל השימוש שולט הנדסה (במנדף, פלטה חשמלית, ו aligner) וציוד מגן אישי (משקפי בטיחות, כפפות, חלוק מעבדה, מכנסיים באורך מלא, וסגר נעלי -toe). ייצור 1. של microchannel PDMS <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ייצור של עובש microchannel ידי תהליך photolithograph <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסרה מלאה חומרים זרים על פני 4 אינץ &#39;סי פרוסה עם ניקוי פיראניה (איור 1 א). מערבבים חומצה גופרתית (H 2 SO 4) ואת מי חמצן (H 2 O 2) ביחס של 3: 1 כדי להפוך את הפתרון פיראניה בצלחת. מערבבים על ידי הוספת כמויות קטנות בהדרגה של חומצה חזקה (H 2 O <sub&gt; 2) אל החומצה החלשה (H 2 SO 4); היפוך סדר זה עלול לגרום לפיצוץ בגלל החומצה החזקה מאוד תגובתי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את פרוסות בפתרון פיראניה עבור 10 דקות. לאחר מכן, לטבול את פרוסות ב deionized (DI) מים 3 דקות כדי להסיר את הפתרון פיראניה הנותרים. יש לשטוף את פרוסות עם מים זורמים DI עבור 10 s. חזור על שטיפת ההליך 3 פעמים ויבשות עם גז N 2 להסיר את נותרי DI. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח את הפרוסות על פלטה חשמלית במשך 20 דקות ב 180 מעלות צלזיוס להמשיך מייבשים את הפרוסות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים 5 מ&quot;ל של photoresist שלילית על גבי מעיל רקיק ספין עבור 45 שניות על 1500 סל&quot;ד (איור 1b); לאחר ציפוי ספין, חרוז photoresist נוצר בקצה רקיק בגלל צמיגות גבוהה יחסית של photoresist. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אזנו את פרוסות מצופה-photoresist ידי planarization על דוכן פילוס עבור 5 h. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח את הפרוסות מצופות photoresist על פלטה חשמלית במשך 12 דקות ב 65מעלות צלזיוס, 35 דקות ב 95 מעלות צלזיוס, ולאחר 12 דקות ב 65 ° C (אפייה רכה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תקן את מסכת סרט על בעל מסכה ואת הפרוסות רכות-אפוי על במת המצע של aligner. חשוף לקרינה אולטרה סגולית (UV) אור עבור 43 שניות על 650 mJ / ס&quot;מ 2 כדי לחזק את photoresist. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את פרוסות על צלחת חמה עבור 5 דקות ב 65 מעלות צלזיוס, 15 דקות ב 95 מעלות צלזיוס, ולאחר 5 דקות ב 65 מעלות צלזיוס (אפייה לאחר חשיפה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את הפרוסות ב יזם photoresist עבור 30 דקות כדי להסיר photoresist unsolidified. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את פרוסות עם אלכוהול איזופרופיל (IPA) ויבש עם גז N 2 להסיר את הנותרים IPA. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ייצור של microchannel PDMS <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פנקו את פני השטח של פרוסות סיליקון התבנית photoresist עבור 1 דקות בהספק של 200 וואט באמצעות מכונת פלזמה אטמוספרי 25; תזרים הגז של CH 4 ו הוא צריך להיות SCCM 6 ו 30, בהתאמה. בצעו טיפול הידרופובי זה בקלות לנתק את polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel מפני השטח של עובש רקיק photoresist (איור 1 ג &#39;). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את פתרון PDMS ידי ערבוב בסיס PDMS ואת סוכן ריפוי ביחס של 10: 1. מערבבים את התערובת במשך 2 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את פרוסות בתוך צלחת פטרי (150 מ&quot;מ x 15 מ&quot;מ) ולהוסיף 100 מ&quot;ל של הפתרון PDMS. הסר את הבועות שנוצרו מן הערבוב באמצעות ייבוש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את צלחת פטרי בתנור 2 שעות ב 80 ° C כדי לחזק את הפתרון PDMS (איור 1D ו- H). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים לאורך קווי המתאר של microchannel PDMS עם סכין גילוח, ותנתק אותה רקיק; microchannel PDMS המפוברק צריך את הממדים הבאים: 13 מ&quot;מ אורך, 300 מיקרומטר רחב, ו 150 מיקרומטר גבוה (איורי 1E, F, ואני). הערה: ישנם שני סוגים של חורים מיוצרים על ידי micropuncture להכניס סיבים במצב יחיד (SMF) כבל ואת הצינורות (מפרצוןnd לשקע) על microchannel PDMS (1G איור). כבל SMF משמש לפלוט את קרן הלייזר אל nanohole הסתובבו על צלחת זהב. הצינור משמש להוספה / לחלץ פתרון החלקיקים מ / אל microchannel PDMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לנקב כניסת 1.5 מ&quot;מ וחורים לשקע בכל קצה של microchannel PDMS. לנקב חור כבל SMF 0.3 מ&quot;מ במרכז של microchannel PDMS. </li></ol></li></ol> תהליך האיכול 2. פלייט הזהב <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן צלחת זהב זמינה מסחרי עם הממדים של 25 x 6.25 מ&quot;מ 2 (איור 2 א). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סור חומרים זרים על צלחת הזהב לנהלי הניקוי הבא. נקי לפי הסדר הבא ידי טבילת אצטון, מתנול, ומי DI עבור דק &#39;5 כל אחד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את צלחת זהב 3 פעמים עם מים DI עבור 10 s ולייבש את הצלחת עם גז N 2 להסיר את המים DI הנותרים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את צלחת זהב על פלטה חשמלית עבור20 דקות ב 180 מעלות צלזיוס כדי להסיר כל לחות שנותרה לגמרי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים 0.5 מ&quot;ל של hexamethyldisilazane (HMDS) על צלחת זהב מעיל ספין עבור 40 שניות על 3000 סל&quot;ד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים 0.5 מ&quot;ל של photoresist חיובי על גבי HMDS מצופים ספין מעיל ספין עבור 40 שניות על 3000 סל&quot;ד (איור 2b). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח את צלחת מצופה זהב photoresist על הפלטה החשמלית במשך 90 שניות על 110 מעלות צלזיוס (אפייה רכה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תקן את מסכת סרט על פרוסות סיליקון זכוכית במקום צלחת הזהב הרכה-אפוי על במת המצע. לחשוף לאור UV למשך 4.5 שניות על 64 mJ / ס&quot;מ 2 כדי לפזר את photoresist. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את הצלחת זהב מפתח photoresist עבור 1 דקות להסיר את photoresist המומס (איור 2 ג). יש לשטוף את צלחת זהב עם מי DI ויבש עם גז N 2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את הצלחת זהב etchant Au עבור 45 s בקצב תחריט של 28 A / S להסיר את Au חשוף (איור 2). יש לשטוף את צלחת זהב עם שתיית DIr ויבש עם גז N 2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את הצלחת זהב etchant Ti עבור 5 ימים בקצב תחריט של 25 A / S להסיר את Ti החשוף (איור 2E). יש לשטוף את צלחת זהב עם מי DI ויבש עם גז N 2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את photoresist הנותר על צלחת זהב על ידי טבילה אותו אצטון, מתנול, ומי DI עבור 3 דקות כל אחד (איור 2F); לטבול את הצלחת לפי הסדר בכתב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את צלחת זהב 3 פעמים עם מי DI עבור 10 s. ניקוי עם גז N 2 להסיר את מי DI. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את צלחת זהב על צלחת חמה עבור 3 דקות ב 120 מעלות צלזיוס כדי להסיר את הלחות לחלוטין; גוש זהב המיוצר צריך להיות 400 x 150 מיקרומטר 2 (2H איור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טחנת nanohole 400 ננומטר באמצעות אלומת יונים ממוקדת (FIB) במרכז גוש הזהב כי היה מפוברק לאחר התחריט (2G הדמוי ואני). צור תבנית המעגל 370 ננומטר להתמקד BL זהבOck עם יון מאיץ מתח של 30 קילו ב 28 PA עבור 3 s. </li></ol> 3. האסיפה של Microchip <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פנקו את שני משטחים של microchannel PDMS ואת צלחת זהב עבור 1 דק &#39;עם פלזמה O 2 לצרף אותם יחד עם מערכת פלזמה בהספק של 80 וואט בלחץ של 825 mTorr 25. הערה: זהו בעיקר קשה לצרף אותם עם דיוק בגלל גוש זהב microchannel PDMS נמצאים במפלס מיקרומטר. לפיכך, להשתמש aligner עם מצלמת שלב ידני. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תקן את פרוסות זכוכית המשמשת לצרף את מסכת סרט לבעל המסכה של (איור 3 א) aligner. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף את microchannel PDMS O 2 שטופלו -plasma למשטח הזכוכית; מכיוון PDMS הוא הידרופילי, זה יצרף זכוכית פרוסות בקלות וללא פתרון הדבקה. תקן את צלחת זהב על במת המצע של (איור 3 א) aligner. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אתר המרכזי של הגוש חור וזהב כבל e SMF, אשר מיושרים על אותו ציר, באמצעות המצלמה על aligner. הרם את הבמה באופן הידנית כדי לשלב בין שני החלקים (3B הדמוי ו- C). </li></ol> .4 שיפור של חספוס פני השטח Microchip סייד ידי PDMS ציפוי הערה: צלחת הזהב עם ממדים קבועים של 400 x 150 מיקרומטר 2 היא יחסית יותר קשה לגזור מאשר חומר PDMS. לכן, כדי לנתק את microchannel PDMS רקיק, סכין גילוח משמש לחתוך חתיכה גדולה יותר מאשר צלחת זהב. לאחר שילוב שני חלקים, החלקים העודפים של יחסי PDMS לצלחת הזהב לאחר מכן יש לחתוך כך את החלק הפנימי של הערוץ ניתן לצפות מהצד באמצעות מיקרוסקופ (איור 4 א). עם זאת, על פני שטח החתך, אשר ממשמש כחלון, יש חספוס משטח גבוה וכתוצאה מכך מפיק תמונות מעוננות של החלקיקים שזורמים באפיק (איור4b). ציפוי עם פתרון PDMS מבוצע שוב כדי לפתור בעיה זו. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את הפתרון PDMS ידי ערבוב הבסיס PDMS וריפוי סוכן בכל 10: יחס 1 ומערבבים במשך 2 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים 2 מ&quot;ל של הפתרון PDMS לתוך צלחת פטרי ולבצע את ציפוי ספין עבור 30 שניות על 1000 סל&quot;ד (איור 4C). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח את משטח השבבים כי היא הולכת להיות ממוקמת על מיקרוסקופ על צלחת פטרי (4D איור). מניחים את צלחת פטרי בתנור 1 שעות ב 80 ° C כדי לחזק את הפתרון PDMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים את הגבול של שבב אלקטרוני ו PDMS באמצעות סכין גילוח, ובהמשך לנתק אותו מצלחת פטרי (איורים 4E, F). </li></ol> 5. לייזר צימוד הכנס את כבל SMF אל Microchip הערה: מערכת פינצטה plasmonic, ליזר אירוע סיב אופטי עם אורך גל 1064 ננומטר משמש. כבל SMF משמש משום בקוטר של inciלייזר שקע (5 מ&quot;מ) הוא עצום מדי לפלוט את קרן הלייזר לעבר nanohole הסתובבו בשכונה זהב (400 x 150 מיקרומטר 2) ב שבב אלקטרוני. קוטר החיפוי של כבל SMF הוא 125 מיקרומטר. לפיכך, לייזר האירוע וכבל SMF חייבים לשלב. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר עדשה אובייקטיבי 40X אל המטרה מיקרוסקופ הר על מצמד SMF. תקן את כבל SMF על מהדק סיבים של מצמד SMF. יישר את קרן ליזר האירוע למלא את הצמצם האחורי של העדשה האובייקטיבית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> למקד את קרן הלייזר אל ליבה של כבל SMF ידי התאמת הבמה ידנית שלוש ציר מצויד על מצמד SMF. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את הקצה השני של כבל SMF לתוך חור כבל SMF של השבב האלקטרוני. מדוד את כוח הליזר לפני ההכנסה בקצה כבל הסיב, כי כבל סיב הקבוע בבית השבב האלקטרוני אינו יכול להיות מנותק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאטום את חור כבל SMF באמצעות דבק אפוקסי כדי לחסום את דליפת פתרון החלקיק זורם מן הפער בין תא SMFle חור (300 מיקרומטר) ואת החיפוי של כבל SMF (125 מיקרומטר); בסופו של כבל סיב מוכנס אסור להיכנס microchannel להימנע זרימת הנוזל. ידני ליישר את כבל הסיב באמצעות משוב חזותי כך שיהיה ניצב גוש הזהב שמארח את nanohole. </li></ol> 6. Plasmonic לכידה של יחיד חלקיקי פוליסטירן פלורסנט ב Microchip <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף את המזרק, אשר מתמלא פתרון החלקיקים, עד micropump מזרק. מניחים את הזכוכית המכסה על הבמה מדגם של מיקרוסקופ פלואורסצנטי. חבר צינורות אל חורי כניסה / היציאה של השבב האלקטרוני. מניח את משטח השבב מצופה PDMS על גבי הזכוכית המכסה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מקם את השבב האלקטרוני orthogonally אל העדשה האובייקטיבית הטבילה במי 60X ידי התבוננות פנימה של הערוץ עם המצלמה מותקנת על מיקרוסקופ פלואורסצנטי. השתמש קלטת שקופה כדי לתקן את השבב אלקטרוני במקום. חברו את צינור היניקה של שבב אלקטרוני עם המזרק needle. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כנס פתרון החלקיקים אל השבב האלקטרוני על ידי שליטה על micropump ב 20 מיקרומטר / s. ברגע זה, לאשר כי החלקיקים פלורסנט ניתן לראות היטב את הערוץ כאשר מנורת פלורסנט מופעלת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מתן עד פתרון החלקיקים יוצא המשקע של השבב האלקטרוני. קבע את מהירות 3.4 מיקרומטר / s. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את המכשיר לייזר מקור כך שהוא פולט את הלייזר לתוך nanohole; החלקיק פלורסנט יילכד על שפת nanohole. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבש את מהירות הנוזל במרווחים של 0.4 מיקרומטר / s על ידי שליטה על micropump עד בריחות החלקיקים הלכודים. מדדו את מהירות הנוזל כאשר להימלט החלקיקים הלכודים. השג את כוח הלכידה המקסימאלי עבור כל עוצמת ליזר באמצעות מהירות נוזל נמדדת זה. </li></ol>

<ol>
	<li>Crane, N. B., Onen, O., Carballo, J., Ni, Q., Guldiken, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluidic+assembly+at+the+microscale:+progress+and+prospects.">Fluidic assembly at the microscale: progress and prospects.</a> Microfluid. Nanofluid. 14 (3), 383-419 (2013).</li><li>Yao, B., Luo, G. A., Feng, X., Wang, W., Chen, L. X., Wang, Y. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfluidic+device+based+on+gravity+and+electric+force+driving+for+flow+cytometry+and+fluorescence+activated+cell+sorting.">A microfluidic device based on gravity and electric force driving for flow cytometry and fluorescence activated cell sorting.</a> Lab Chip. 4 (6), 603-607 (2004).</li><li>Zhang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+manipulation+of+continuous+picoliter-volume+superparamagnetic+droplets+using+a+magnetic+force.">On-chip manipulation of continuous picoliter-volume superparamagnetic droplets using a magnetic force.</a> Lab Chip. 9 (20), 2992-2999 (2009).</li><li>Park, I. Y., Sung, S. Y., Lee, J. H., Lee, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manufacturing+micro-scale+structures+by+an+optical+tweezers+system+controlled+by+five+finger+tips.">Manufacturing micro-scale structures by an optical tweezers system controlled by five finger tips.</a> J. Micromech. Microeng. 17, N82-N89 (2007).</li><li>Kim, J. D., Hwang, S. U., Lee, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Traceable+assembly+of+microparts+using+optical+tweezers.">Traceable assembly of microparts using optical tweezers.</a> J. Micromech. Microeng. 22, 105003 (2012).</li><li>Kim, J. D., Lee, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+and+actuation+of+a+microscopic+gear+assembly+formed+using+optical+tweezers.">Construction and actuation of a microscopic gear assembly formed using optical tweezers.</a> J. Micromech. Microeng. 23, 065010 (2013).</li><li>Kim, J. D., Choi, J. H., Lee, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+measurement+of+the+maximal+forces+in+plasmonic+tweezers.">A measurement of the maximal forces in plasmonic tweezers.</a> Nanotechnology. 26 (42), 425203 (2015).</li><li>Kim, J. D., Lee, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+of+a+single+DNA+molecule+using+nanoplasmonic+structures+for+biosensor+applications.">Trapping of a single DNA molecule using nanoplasmonic structures for biosensor applications.</a> Biomed. Opt. Express. 5 (8), 2471-2480 (2014).</li><li>Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmonic+tweezers+-+the+strength+of+surface+plasmons.">Plasmonic tweezers - the strength of surface plasmons.</a> MRS Bull. 37 (8), 739-744 (2012).</li><li>Juan, M. L., Gordon, R., Pang, Y., Eftekhari, F., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-induced+back-action+optical+trapping+of+dielectric+nanoparticles.">Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles.</a> Nat. Phys. 5, 915-919 (2009).</li><li>Pang, Y., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+of+12+nm+dielectric+spheres+using+double-nanoholes+in+a+gold+film.">Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film.</a> Nano Lett. 11 (9), 3763-3767 (2011).</li><li>Tanaka, Y., Kaneda, S., Sasaki, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanostructured+potential+of+optical+trapping+using+a+plasmonic+nanoblock+pair.">Nanostructured potential of optical trapping using a plasmonic nanoblock pair.</a> Nano Lett. 13 (5), 2146-2150 (2013).</li><li>Kang, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-power+nano-optical+vortex+trapping+via+plasmonic+diabolo+nanoantennas.">Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas.</a> Nat. Commun. 2, 582 (2011).</li><li>Roxworthy, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+plasmonic+bowtie+nanoantenna+arrays+for+optical+trapping,+stacking,+and+sorting.">Application of plasmonic bowtie nanoantenna arrays for optical trapping, stacking, and sorting.</a> Nano Lett. 12 (2), 796-801 (2012).</li><li>Shoji, T., Tsuboi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmonic+optical+tweezers+toward+molecular+manipulation:+tailoring+plasmonic+nanostructure,+light+source,+and+resonant+trapping.">Plasmonic optical tweezers toward molecular manipulation: tailoring plasmonic nanostructure, light source, and resonant trapping.</a> J. Phys. Chem. Lett. 5 (17), 2957-2967 (2014).</li><li>Pang, Y., Gordon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+of+a+single+protein.">Optical trapping of a single protein.</a> Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).</li><li>Tsuboi, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+of+quantum+dots+based+on+gap-mode-excitation+of+localized+surface+plasmon.">Optical trapping of quantum dots based on gap-mode-excitation of localized surface plasmon.</a> J. Phys. Chem. Lett. 1, 2327-2333 (2010).</li><li>Shoji, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Permanent+fixing+or+reversible+trapping+and+release+of+DNA+micropatterns+on+a+gold+nanostructure+using+continuous-wave+or+femtosecond-pulsed+near-infrared+laser+light.">Permanent fixing or reversible trapping and release of DNA micropatterns on a gold nanostructure using continuous-wave or femtosecond-pulsed near-infrared laser light.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (17), 6643-6648 (2013).</li><li>Grigrenko, A. N., Roberts, N. W., Dickson, M. R., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanometric+optical+tweezers+based+on+nanostructured+substrates.">Nanometric optical tweezers based on nanostructured substrates.</a> Nat. Photonics. 2, 365-370 (2008).</li><li>Righini, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-optical+trapping+of+rayleigh+particles+and+escherichia+coli+bacteria+with+resonant+optical+antennas.">Nano-optical trapping of rayleigh particles and escherichia coli bacteria with resonant optical antennas.</a> Nano Lett. 9 (10), 3387-3391 (2009).</li><li>Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+and+trapping+in+two-dimensional+nanoscale+plasmonic+optical+lattice.">Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice.</a> Nano Lett. 13 (9), 4118-4122 (2013).</li><li>Berthelot, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+manipulation+with+scanning+near-field+optical+nanotweezers.">Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers.</a> Nat. Nanotechnol. 9 (4), 295-299 (2014).</li><li>Chen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+optical+trapping+and+arrangement+of+nano-objects+in+a+plasmonic+nanocavity.">Enhanced optical trapping and arrangement of nano-objects in a plasmonic nanocavity.</a> Nano Lett. 12 (1), 125-132 (2011).</li><li>Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+rotating+nanoparticles+using+a+plasmonic+nano-tweezer+with+an+integrated+heat+sink.">Trapping and rotating nanoparticles using a plasmonic nano-tweezer with an integrated heat sink.</a> Nat. Commun. 2, 469 (2011).</li><li>Byun, D., Cho, S. J., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+a+flexible+penetrating+microelectrode+array+for+use+on+curved+surfaces+of+neural+tissues.">Fabrication of a flexible penetrating microelectrode array for use on curved surfaces of neural tissues.</a> J. Micromech. Microeng. 23, 125010 (2013).</li></ol>

החוקרים אין לחשוף.

כבל SMF הוכנס לתוך חור כבל SMF על השבב האלקטרוני, כפי שמוצגת נקודה מלבני של איור 6 א. בגלל חור כבל SMF הוא גדול יותר מאשר קוטר הכבל, דבק אפוקסי שמש לאטום את הפער לחסום את דליפת פתרון החלקיק זורם. לפני היישום של דבק אפוקסי, גוש זהב קצה הכבל צריך להיות מתואם coaxially ביד באמצעות מיקרוסקופ. למרות זאת הוא אידיאלי עבור קצה הכבל מוכנס ואת nanohole להיות מתואם coaxially, A ישורת קלה ניתן לסבול בגלל קרן לייזר סוטה לאחר שהוא נפלט בסופו של קצה הכבל 0.14 NA SMF, ואת קרן משפיעה הרבה יותר גדול אזור. מכיוון השבב האלקטרוני הוגדר להיות בניצב לציר האופטי של המיקרוסקופ, לא יכולנו לראות את המיקום ישירות של nanohole. מיקומו של nanohole ניתן לקבוע באופן עקיף רק על ידי התבוננות מיקומו של חלקיק לכודים plasmonically בבית nanohole. אפתרון יכול להיות מסופק על ידי התקנת מצלמה בבית כבל סיב ולהשתמש בו כדי לפקח על גוש זהב. המאפיין הייחודי של השבב האלקטרוני הוא יכולתה לפקח תנועת חלקיקים ליד nanohole plasmonic בזמן אמת. ההצעה של החלקיק כדלקמן התרחיש המתואר להלן. כאשר נוזל זרמי החלקיקים קדימה, כמה חלקיקים לנוע לכיוון גוש הזהב. במקרים מסוימים, חלקיק מתקרב בעיקר אל השוליים של nanohole עקב משיכה אל nanohole ובסופו של דבר נעשה משותק. ברגע זה, הכח האופטי המופעל על החלקיק עולה על כוח הנוזל. לאחר מכן, החלקיק המשותק נמלט מן שפת nanohole כאשר העליות מהירות נוזל; ובכך, כוח הנוזל הופך חזק יותר הכח האופטי. כוח לכידת מירבית ניתן למדוד מן מהירות נוזל הטרמינל הזה. עם זאת, משוואת כוח הגרר הקונבנציונלית לא ניתן להשתמש כי החלקיק נמצא בקשר פיזי עם gקיר ישן בבית nanohole. כדי לבחון את ההשפעה של משטח קיר הזהב, השתמשנו בשיטה הסופי, האלמנט, הרואה והתנועה זורמת קרוב לפני השטח, והשגתי כוח הנוזל. יש לנו הצגתי התקנת פינצטה plasmonic חדשה המאפשרת הניטור של חלקיקי דינמיקה לאורך ציר קרן ליזר. לעומת זאת, מחקרים קודמים הציגו תנועת החלקיקים רק במישור הניצב לציר קרן לייזר, כגון עם nanoblock 12, nanodisk 13, 14, 19, 21, 20 nanostick, ו nanopyramid 18. יתר על כן, במקרה של סוגי nanohole, לכידה ניתן עדים רק על ידי ניטור אות פיזור, ולא על ידי ניטור ויזואלי 10, 11, 23. למרות זאת,אנו לא יכולים למדוד את עמדת החלקיקים דווקא בגלל היכולות המוגבלות טכניקות הדמיה נוכחיות. איכות ההדמיה צריכה להשתפר עוד יותר כדי לאשר את מדידות נקע המדויקות. טכניקה זו יכולה להיות מיושמת באפיון biosensing של מולקולה יחידה.

היכולת לטפל באובייקטים microscale היא תכונה הכרחית עבור ניסויים מיקרו / ננו רבים. מניפולציות במגע ישיר יכול לגרום נזק חפצים מניפולציות. שחרור האובייקטים שנערכו בעבר הוא גם מאתגר בגלל בעיות stiction. כדי להתגבר על בעיות אלה, מספר שיטות עקיפות באמצעות נוזליים 1, 2 חשמליים, מגנטיים 3, או כוחות פוטוניים 4, 5, 6, 7, 8 הוצעו. פינצטה Plasmonic המשתמשות כוחות פוטוניים מבוססת על הפיזיקה של ציווי כמה שיפור שדה יוצא דופן גדולה יותר עוצמת האירוע 9. שיפור שדה חזק מאוד זה מאפשר לכידה של חלקיקים קטנים מאוד. לדוגמה, הוכח שזה לשתק ולטפל ננומטרייםחפצים, כגון חלקיקי פוליסטירן 7, 10, 11, 12, 13, 14, שרשראות הפולימר 15, חלבונים 16, נקודות קוונטיות 17, ומולקולות DNA 8, 18. בלי פינצטה plasmonic, קשה חלקיקים מלכודת כי הם נעלמים מהר לפני שהם נבחנים באופן יעיל או בגלל שהם פגומים בשל האינטנסיביות הגבוהה של לייזר. מחקרי plasmonic רבים השתמשו מבני זהב ננומטריים שונים. אנחנו יכולים לסווג את מבני זהב כמו בולטות סוגי nanodisk 12, 13, 14, 15, 19 <sעד&gt;, 20, 21 או מודחק סוגי nanohole 7, 8, 10, 11, 22, 23. מבחינת נוחות הדמיה, סוגי nanodisk מתאימים יותר מאשר סוגי nanohole כי, עבור אלה האחרונים, מצעי הזהב יכולים להסתיר את שדה ראיית התצפית. יתר על כן, השמנת plasmonic מתרחשת ליד מבנה plasmonic ועושה תצפית אפילו יותר מאתגר. למיטב ידיעתנו, לכידת plasmonic על סוגי nanohole אומתה רק באמצעות אותות פיזור עקיפים. עם זאת, אין תצפיות ישירות מוצלחות, כגון תמונות מיקרוסקופיות, דווחו. מחקרים מעטים תיארו את עמדת החלקיקים הלכודים. תוצאה כזו הוצגה על ידי וואנג ואח &#39;. הם יצרו עמוד זהב על מצע זהב וצפה pתנועה במאמר באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי 24. עם זאת, זהו רק יעילים עבור ניטור תנועות לרוחב לא בכיוון המקביל לציר הקורה. במאמר זה, אנו מציגים הליכי תכנון הרכבת שבבים נוזליים חדשים. באמצעות השבב הזה, אנחנו מדגימים את ניטור של חלקיקים לכודים plasmonically, הן בכיוונים מקבילים מאונך ו ל ננו-מבנה plasmonic. יתר על כן, אנו מודדים את הכח המרבי של החלקיק משותק על ידי הגדלת מהירות הנוזל כדי למצוא את המהירות מפנה את השבב האלקטרוני. מחקר זה הוא ייחודי מאחר ורוב המחקרים על פינצטה plasmonic לא יכול להראות את כוחות הלכידה המקסימאליים כמותית בשימוש setups ניסיוני שלהם.

<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

פינצטה Plasmonic להשתמש פולריטון plasmon השטח כדי להגביל עצמים ננומטריים polarizable. בין העיצובים השונים של פינצטה plasmonic, רק מעטים יכולים לצפות בחלקיקים נייחים. יתר על כן, מספר מצומצם של מחקרים בניסוי מדד את כוחות exertable על החלקיקים. העיצובים ניתן לסווג כסוג nanodisk הבולט או סוג nanohole המודחק. לעניין האחרון זה, תצפית מיקרוסקופית היא מאוד מאתגרת. במאמר זה, מערכת פינצטה plasmonic חדשה הציגה לפקח חלקיקים, הוא בכיוונים מקבילים מאונכים לצייר הסימטרי של מבנה nanohole plasmonic. תכונה זו מאפשרת לנו לבחון את התנועה של כל חלקיקים ליד שפת nanohole. יתר על כן, אנחנו יכולים להעריך את כוחות הלכידה המקסימאליים כמותית באמצעות ערוץ נוזלי חדש.

תהליך הייצור של צלחת זהב microchannel ו nanohole PDMS מוצג דמויות 1 ו 2. השיטה לשלב את שני חלקים והשבב בפועל מוצג באיור 3. את PDMS נחתך לחשוף את החלק הפנימי של הערוץ מהצד של השבב האלקטרוני. עם זאת, קשה היה לצפות חלקיקים הזורמים באפיק בגלל המשטח המחוספס של מטוס החיתוך. לכן, הצגנו את שיטת הציפוי PDMS כדי לפתור בעיה זו, כפי שמוצג באיור 4. הבחנו 5 מיקרומטר, זורם חלקיקי פוליסטירן ב השבב האלקטרוני כדי לאשר את ההשפעה של ציפוי PDMS. איור 5 מראה את השבב אלקטרוני וחלקיקים מפוברקים בפועל שנצפה השבב האלקטרוני באמצעות מיקרוסקופ. ציור 5a ו- c הם לפני ואחרי appearances של השבב האלקטרוני. 5b האיור ו ד הם המשטחים המוגדלים של כל אחד. 5e האיור מראה חלקיקים מטושטשים זורמים, בעוד איור 5F מראה כי הקצוות של החלקיקים הם בעיקר ברורים וכי ניתן לנטר תנועות. כנ&quot;ל, ציפוי PDMS של משטח השבב הוא חיוני כדי הניטור של חלקיקים לכודים. איור 6 מראה את חלקיקי פוליסטירן 100 ננומטר עוברים השמנה אופטית plasmonic ידי מערכת פינצטה plasmonic. כבל SMF עם צמצם 0.14 מספרית (NA) שימש. צינור הוכנס על חורי כניסה / יציאה של ערוץ השבב האלקטרוני. Micropump שמש להכניס ולאסוף את פתרון חלקיקי פוליסטירן פלורסנט 100 ננומטר. כדי להדגיש את מראה הפנים של חלקיק לכוד על ידי תופעת plasmonic, החלקים המקווקוים של איור 6 א שהוגדלו כמו הבלעה, <strong&gt; 6b איור. הליזר מועבר על ידי כבל SMF הוכנס השבב האלקטרוני נפלט אל nanohole של גוש הזהב, ואת החלקיקים זרמו משמאל לימין. תנועה זוהתה על שפת nanohole, שבו שיפור השדה היה חזק. איור 7 מציג תמונות רצופות שבו חלקיק פוליסטירן פלורסנט 100 ננומטר ששטף את microchannel נלכד ושוחרר על nanohole מעוצמת 0.42 mW / מיקרומטר 2. החלקיקים זרמו במהירות קבועה של 3.4 מיקרומטר / s בכיוון נוזל, כפי שמוצג באיור א 7. לאחר לייזר הופעל, אחד החלקיקים היה לכוד בבית nanohole, כפי שמוצג באיור 7b. נהפוך הוא, חלקיק אחר זרמו לתוך הנחל, כפי שמוצג באיור 7c. ואז, מהירות הזרימה הוגדלה עד חלקיק הלכודים בורח. 7d האיור מראה את particle לברוח מהמלכודת. ברגע זה, אנחנו יכולים להעריך את הכח הלכיד עם תצפית ישירה על ידי מדידת מהירות הנוזל כאשר החלקיקים נמלטו. גם עבדנו בכיוון ההפוך. במקום להגדיל את מהירות הנוזל, אנחנו בהדרגה ירד כוחה לייזר decrements של 1 mW והקליט את עוצמת כאשר החלקיקים נמלט. עוצמת הלייזר זו מוגדרת עוצמת הלייזר לכידה המינימום נמדדה להיות 0.24 mW / מיקרומטר 2. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig1.jpg" /> איור 1. ייצור של microchannel PDMS. (א) הכנת רקיק Si. (ב) ציפוי ספין photoresist של פרוסות. (ג) עובש microchannel מפוברק על ידי תהליך photolithography. (ד) מיצוק PDMS באמצעות תנור לאחר לשפוך את הפתרון PDMS על פרוסות סיליקון. (ה) PDMS חיתוך microchannel. (ו) ריחוק microchannel PDMS רקיק. (ז) כניסה / יציאה וחורה כבל SMF נקבו על microchannel PDMS. (ח) בפועל הקרושה PDMS על פרוסות סיליקון. (I) microchannel PDMS מנותק בפועל. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig2.jpg" /> איור 2. ייצור של nanohole על צלחת הזהב לאחר תהליך האיכול. (א) הפקדה של Au ו- TI על הזכוכית. (ב) photoresist ספין ציפוי של צלחת זהב. (ג) הסרת photoresist מומס לאחר חשיפה לאור UV. (ד) תחריט Au. (ה) תחריט טי. (ו) הנותר photoresist מחדש<html> moval. (ז) טחינת Nanohole ידי אלומת יונים ממוקדת על גוש הזהב. (ח) בלוק זהב מפוברק בפועל. (I) nanohole הסתובב בפועל על גוש הזהב. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig3.jpg" /> תהליך הרכבת איור 3. של השבב האלקטרוני. (א) תקן את microchannel PDMS ואת צלחת זהב על בעל מסכת במת מצע, בהתאמה, מצויד על aligner. (ב) שילוב של חלק microchannel PDMS ואת צלחת זהב לאחר טיפול פני השטח עם פלזמה O 2. (ג, ד) מורכב שבב אלקטרוני לאחר שילוב. (ה) הסרת סכום עודף של microchannel PDMS.<html> ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg&quot; target = &#39;_ blank&#39;&gt; אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig4.jpg" /> איור 4. תהליך של שיפור חספוס פני השטח על ידי ציפוי PDMS. (א) סר סכום עודף באמצעות סכין גילוח לאחר שילוב שני החלקים. (ב) חספוס פני שטח העליון של השבב האלקטרוני לאחר החיתוך. (ג) PDMS פתרון ציפוי ספין בצלחת פטרי. (ד) טובל את פני החלון של השבב האלקטרוני לתוך פתרון PDMS מצופה ספין. (ה) ניתוק שבב אלקטרוני PDMS מצופה מצלחת פטרי. (ו) שיפור של חספוס פני השטח על ידי ציפוי PDMS. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> ss = &quot;jove_content&quot; FO: keep-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig5.jpg" /> איור 5. מורכבים שבב אלקטרוני ותצפית של חלקיקי פוליסטירן 5-מיקרומטר microchannel לפני ואחרי ציפוי PDMS. (א, ב) Microchip לפני ציפוי PDMS ו תצוגה מוגדלת. (ג, ד) Microchip לאחר ציפוי PDMS ו תצוגה מוגדלת. (ה, ו) תצפית של חלקיקים בתוך microchannel לפני ואחרי ציפוי PDMS. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig6.jpg" /> איור 6. מערכת פינצטה plasmonic מעוצבת. (א) סכמטי של מערכת פינצטה plasmonic. (ב </sטרונג&gt;) לכידה של חלקיק פוליסטירן פלורסנט 100 ננומטר על שפת nanohole בתוך השבב האלקטרוני. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 7" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig7.jpg" /> איור 7. השמנה ושחרור של חלקיק פוליסטירן פלורסנט 100 ננומטר ב microchannel. (א) microchannel עם חלקיק זורם לתוך הנחל. (ב, ג) חלקיקים לכודים nanohole לעומת חלקיק אחר. (ד) חלקיקים כי נמלטו מהמלכודת בשל כוח הנוזלים המוגבר. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment at JoVE.com

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

תהליך ייצור השבבים כי משלבת פינצטה plasmonic מוצג כאן. השבב מאפשר הדמיה של חלקיק לכודים למדוד כוחות לכידה מירבית.

השמנת Plasmonic ושחרור של חלקיקים בסביבת ניטור

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 Views.  Korea Basic Science Institute (KBSI).  תהליך ייצור השבבים כי משלבת פינצטה plasmonic מוצג כאן. השבב מאפשר הדמיה של חלקיק לכודים למדוד כוחות לכידה מירבית. 

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.

סיליקון polycrystalline תאים סולאריים סרט דק עם plasmonic משופרת אור השמנה

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

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.

לכידה אופטית של חלקיקים

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.

בנייה של מיקרוסקופ ברזולוציה גבוה עם יכולות קונבנציונליות והשמנה אופטיות הולוגרפי

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.

ניצול של ננו גבישים פוטוניים Plasmonic ו מניפולציה מיקרו ו Nanoparticle משופרת

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

Bioengineering

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.

ניתוח התנועה של Nauplius &#39;<em&gt; סלינה הארטמיה</em&gt; &quot;על ידי מנגנון עקיבה האופטי של Plasmonic חלקיקים

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.

ייצור ותפעול של מסוע ננו-אופטי

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.

הקמה ותפעול של מערכת מנוע מונחה אור רוטרי Nanorod זהב

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.

השמנה של חלקיקי מיקרו סריג אופטי 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.

ניטור דינמיקת קונפורמציה של חלבונים בודדים לא מותאמים באמצעות פינצטה פלזמונית

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.

השמנה אופטית של ננו-חלקיקים פלסמוניים עבור אפיונים של ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת בפני השטח באתרו

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