Y. t. Y. は資金援助科学技術 [許可番号最も 105-2221-E-007-MY3 省許可番号 105N518CE1 と 106N518CE1 の下、国立清華大学から認めたいと思います。

1 です光セットアップ 注: 光のセットアップの原理は 図 1 に示す。。
<ol><li>セットを光学ピンセット キット (材料の表 を参照) と蛍光モジュール (材料の表 を参照してください)、マニュアルに従って。470 nm の青色光発光ダイオード (LED) ソースを蛍光モジュールに接続します</li>。
	<li>高開口数 (NA) を交換 (NA = 1.25、倍率 100 倍) 長い作業で油浸対物レンズの距離 (WD) 対物レンズ (焦点距離 3.6 mm、WD = 10.6 mm、NA = 0.5).</li>
	<li>レーザビームの緩やかな焦点を達成するために組み立てられたキットのビーム拡張セクションでレンズを削除します</li>。
	波長 980 nm の使用、充電電源と現在のレーザーのための <li>ターン ダイオード結合素子 (CCD) カメラ レーザー ビームが正しくを確認します 。
	注: レーザー光が整列の場合 CCD カメラが読み取るガウス スポット</li>。
</ol> 2。ナノ加工 <ol><li>マーカー作製 。
	注: マーカーは、nanoplasmonic 配列の作製プロセスとその後トラッピング実験中に配置するのに役立ちます。補足図 1 に詳細なプロセスを示します。
	<ol><li>預金 40 nm インジウム錫酸化物 (ITO) フィルム厚さ 0.17 mm スパッタリングの観察にします 。
		注: ITO フィルムは、その後電子ビーム露光プロセス中に電子を放電するのにが</li>。
		<li>スピン コート スピンとポジ型フォトレジストの 8 μ m 層速度 4000 rpm およびスピン コーターと時間 30 s</li>。
		<li>ソフト 90 ° C、5 分でサンプルを焼くとマーカーのフォトマスクにサンプルを合わせ、紫外線 80 のためにサンプルを公開マスクア ライナー、s.</li>
		<li>130 の現像でサンプルを浸す s.</li>
		<li>は、クロムの 2 nm 層と熱蒸発を使用してサンプルの上に金の 40 nm 層を預金します。 18</li> <li>アセトンでサンプルを浸漬し 43 kHz、リフト オフの 150 W 5 分間超音波クリーナー営業の配置</li>
	</ol></li> <li>Nanoplasmonic アレイの作製 <ol><li>スピン コート e ビームの層レジスト スピン速度を含んだ pmma 材 120 K 30 5000 rpm スピン コーター s。ホット プレート上で 3 分間 160 ° C でサンプルを焼く</li>。
		<li>スピン コート電子ビーム用レジスト スピン速度を 960 K を含んだ pmma 材の別の層 30 の 5000 rpm スピン コーター s。ホット プレート上で 3 分間 160 ° C でサンプルを焼く</li>。
		<li>電子ビームを公開する使用電子ビーム ライターは加速電圧 30 kV と投与量 400 C/cm 2 と抵抗します</li>。
		<li>熱蒸発器に金の 40 nm 層を預金します</li>。
		<li>アセトンでサンプルを浸漬しそれリフト オフの 5 分間の超音波洗浄機を置く</li>
	</ol></li></ol> 3。冷却システムおよびその温度校正サンプル 注: 冷却ステージ設計例を 補足図 2 に示します。
<ol><li>試料冷却 <ol><li>場所抵抗器、バイポーラ接合トランジスタ、パワー金属酸化物電界効果トランジスタ 補足図 3 の回路図に従うことによってカスタム基板に駆動回路を作る.はんだごてでこれらのすべてのコンポーネントをはんだ</li>。
		<li>回路基板の制御ポートと電子制御基板に配線します。回路基板と熱電効果による冷却 (TEC) 要素の出力ポート間のワイヤを接続します。ヒートシンクとサンプル ステージにテック要素を配置します 。
		&#8203; 注: ザ テック要素を通過するレーザ光を許可するようにセンターに穴がある</li>。
		<li>5 V 回路基板からの接続ワイヤ電源。前向きな赤外線カメラを使用してかどうか熱電効果による冷却がきちんと冷却して温度を監視します</li>。
	</ol></li> <li>将来赤外線カメラと抵抗温度検知器 (RTD) 温度計で測定した温度の校正。
	<ol><li>空白 coverslip の測温抵抗体温度計を置き、少量の測温抵抗体温度計、coverslip の適切な熱的接触をようにそれの上にサーマル ペーストを適用します</li>。
		<li>は、テック要素にパルス幅変調設定のデューティ サイクルを変更することによって電子制御回路の出力の電源設定を変更し、定常温度に達することを確認する 3 分待ちます。測温抵抗体温度計を使用して温度を読み取ます</li>。
		前方見て赤外線カメラとモニター温度の <li>ターン。温度校正曲線を取得するさまざまな出力電力設定でこの手順を繰り返します。代表温度較正曲線を 補足図 4 に示します 。
		注: それは前向きな赤外線カメラの温度の読書は正確、適切な温度に達することを確認する必要があるために、測温抵抗体温度計と楽しみの赤外線カメラのキャリブレーションを行うことが重要です</li>。
	</ol></li></ol> 4。微粒子のトラップ 適切な容積比と microcentrifugetube の脱イオン水で直径 2 μ m のポリスチレン粒子のマイクロ <ol><li>Dilute 。
	注: マイクロ粒子の濃度は、実験の目的に応じて調整できます。低濃度可能単一粒子トラップ イベント間隔のサンプルですが、濃度が高いほど複数粒子トラップの時間が短くなります。一般的な濃度は、単一粒子トラップ ~0.05% (w/v).</li>
	<li>ステージに nanoplasmonic 配列を持つサンプルを置いて、オンに、470 nm 蛍光光源として LED し、手動で電源を 5 に設定明視野イメージングのための mW</li>。
	<li>マーカーを使用して、サンプルを合わせ、nanoplasmonic 配列を検索し、CCD カメラを使用して、配列はコンピューター画面上に関心領域の中心部でかどうかを確認します</li>。
	<li>直径 2 μ m マイクロ ピペットでサンプルの希釈マイクロ粒子の分注 10 μ L.</li>
	<li>10 に範囲 ~ 1 mW の電力を使用して配列のプラズモン共鳴励起する波長 980 nm のレーザー ダイオードに電流供給をオンに mW</li>。
	<li>定常状態温度 ~ 4 ° C にサンプルを冷却する電子制御基板に電源を手動でオンに</li>
	<li>ビューアー ソフトウェアでクリックして、&#34; ビデオを記録 &#34; シーケンス録音] ダイアログを開きます。クリックして、&#34; 記録 &#34; CCD カメラを用いたレーザー光の影響の下でサンプル上 1.5 10 フレーム/秒のフレーム レートでマイクロ粒子の運動の録画を開始するボタン。クリックして、&#34; 停止 &#34;] ボタンをクリックすると、録音を停止します。ビデオ 1 を参照してください</li>。
</ol>

<ol><li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).</li>
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</ol>

著者が明らかに何もありません。

ここで説明する手順日常的にトラップを確実に再現することができます。使用可能な光の格子をデザインする一般的な実証的ガイドライン プラズモニック nanoarray、interdisc の距離に匹敵するサイズを使用して粒を捕捉します。単一プラズモニック ナノ構造と比較して、ここで大幅に使用される ~ 4 ° C にサンプルを冷却によって与えられる高い光出力と組み合わせて光学格子デザインはトラップ確率を向上させます。トラップ サイトとしても分離、プラズモニック ナノ構造体を使用している場合 1 つは微粒子のプラズモニック ナノ構造近く有効なトラップ ボリュームへの移行のための長い時間を待つ必要があります。また、批判的にディスク間距離の増加粒子蓄積の確率が減少します。注、1 つは、部屋の温度が、使用可能な光の力でプラズモニック光格子を用いたトラップ実験を実行することもは非常に制限されます。また、低光パワーで 1 つは長い時間を待つ必要が (~ 1 h) 微粒子のトラップ イベント。通常、我々 は粒子の運動を記録し、数分内でトラップ イベントを拾うに CCD カメラをオンに。適用レーザ電源は 10 mW です。高い光出力で微粒子の大量の集計を観察できます。
重要なステップこの仕事での成功は、クールなプラズモニック壊れやすいカバー スリップをダウンし、同時に試料温度を監視します。私たちは、そのような非接触測定は大きくサンプル破損のチャンスを減らすので、温度を測定する楽しみの赤外線カメラを選択しました。また、小型温度計、リアルタイムで温度を測定するために使用するを選択できます。非接触温度測定とともに冷却システムは一般的に低温光学顕微鏡の適用されます。
ここでのデモンストレーションは、ミクロン サイズの粒子で行いますが、両方のサイズの縮小と金の nanodiscs の間隔によってナノ粒子をトラップできる 1 つ。これまでのところ、100 ほどの直径を持つナノ粒子の捕捉 nm が示された19をされています。これは、ただし、ありませんプラズモニック光格子の終局限界です。また、私たちは長いを使用しているサンプル段階の機械設計を容易にするための作業距離対物レンズ。良い分解能イメージングでは、油浸対物レンズに置き換えることによって実現できます。プラズモニック構造体の寸法を縮小、さらに小さいナノ粒子の捕捉も可能なはずです。20,21

微小粒子の光学トラップはもともと、1970 年代初頭にアーサー Askin によって開発されました。その発明以来、技術をマイクロ ・ ナノマニピュレーション1,2のための多目的なツールとして開発しました。従来光トラップ、遠方に基づく原理本質的にによって制限されます前記捕捉力が大幅に低下、その空間的閉じ込めで回折 (以下、〜半径の粒子の3法)3このような回折限界を克服するために研究者は、プラズモニック金属ナノ構造を用いたエバネッ セント光フィールドに基づいて近接場光学トラップ技術を開発したと、さらに、ナノスケールのトラップ オブジェクトをダウン。単一タンパク質分子は、実証4,をされている5,6,7,8,9,10,11。また、プラズモニック光格子は、マイクロとナノ粒子と複数粒子積層11,12の長距離輸送を授与する周期プラズモン ナノ構造の配列から作成されます。光格子中のトラップを破壊する 1 つの主要な障害は光熱対流といくつかグループ14,15,16,17によってその効果を明らかにする努力を行った。グリーン関数を用いたと Baffouらポイント ヒーターとして各プラズモニック ナノ構造をモデル化した温度分布を計算して、実験的検証、モデル14。・ トゥーサンのグループはまた粒子流速計15プラズモン誘起対流を測定しています。著者のグループも近距離と対流輸送を特徴とし、光熱対流16,17を抑制するエンジニア リング戦略を示した。
ここプラズモニック光格子を用いた光学セットアップとトラップ実験の具体的には詳細な手順の設計を提案します。光学ポテンシャルは緩く集束ガウスビームのゴールドの nanodiscs の配列を照明によって作成されました。低温 (~ 4 ° C) にサンプルを冷却することにより最適なトラップを光熱対流を抑制する方式はここ17について述べる。ブジネスク近似の下で自然対流速度uの一桁の見積もりは u によって与えられる 〜L2 gβΔT / v、 Lが熱源と Δ の長さスケールTは、加熱による基準温度上昇です。 g及びβは、それぞれ重力加速度と熱膨張係数。4 ° C の近くの温度で水媒体の密度を表わす異常温度依存性とゼロに近い熱膨張係数と、それゆえ、非常に小さな光熱対流につながります。

<table><tbody><tr><td>Thermoelectric cooling element</td><td>Thorlabs</td><td>TEC 1.4-6</td><td>TEC element for sample cooling</td></tr><tr><td>RTD thermometer</td><td>Omega Engineering</td><td>RTD Thermometer 969C</td><td></td></tr><tr><td>Forward looking infrared camera</td><td>FLIR&amp;nbsp;</td><td>FLIR One</td><td>IR camera for temperature monitoring</td></tr><tr><td>light emitting diode light source</td><td>Touchbright</td><td></td><td>Light source for illumination for fluorescent imaging</td></tr><tr><td>Long working distance objective</td><td>Olympus</td><td>LMPLFLN</td><td>For illuminating the sample and imaging</td></tr><tr><td>Optical trap kit</td><td>Thorlabs</td><td>OTKB/M</td><td></td></tr><tr><td>Cover slip</td><td></td><td></td><td>thickness 0.17 mm</td></tr><tr><td>Scanning electron microscope</td><td>Hitachi</td><td>SEM-Hitachi S3400N</td><td></td></tr><tr><td>Electron beam blanker</td><td>DEBEN</td><td>PCD beam blanker</td><td>the blanker is added to the scanning electron microscope&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Thermal evaporator</td><td>SYSKEY Technology</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mask aligner</td><td>Karl Suss</td><td>MJB 3</td><td>For marker fabrication</td></tr><tr><td>Electron beam resist</td><td>Sigma Alrich</td><td>PMMA 120K</td><td>For e-beam lithography</td></tr><tr><td>Electron beam resist</td><td>Sigma Alrich</td><td>PMMA 960K</td><td>For e-beam lithography</td></tr><tr><td>Fluoresent labeled polystyrene microspheres</td><td>Polyscience</td><td></td><td>2 um diameter</td></tr><tr><td>Bipolar transistor</td><td>Mouser</td><td>2N3904</td><td>quantity 2 for TEC driver circuit</td></tr><tr><td>Bipolar transistor</td><td>Mouser</td><td>2N3906</td><td>quantity 2 for TEC driver circuit</td></tr><tr><td>MOSFET power transistor</td><td>Mouser</td><td>IRF5305</td><td>quantity 2 for TEC driver circuit</td></tr><tr><td>MOSFET power transistor</td><td>Mouser</td><td>IRF131ON</td><td>quantity 2 for TEC driver circuit</td></tr><tr><td>10 kOhm resistor</td><td>Mouser</td><td></td><td>quantity 6 for TEC driver circuit</td></tr><tr><td>910 Ohm resistor</td><td>Mouser</td><td></td><td>quantity 2 for TEC driver circuit</td></tr><tr><td>Photoresist</td><td>Microchemicals</td><td>AZ4620</td><td>For marker fabrication</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Sigma Alrich</td><td></td><td>For marker fabrication</td></tr><tr><td>Fluorescence Module for the OTKB/M, Metric Threads</td><td>Thorlabs</td><td>OTKB-FL/M</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescent filter set</td><td>Thorlabs</td><td>MDF-FITC</td><td>For Fluorescein Isothiocyanate (FITC)</td></tr><tr><td>Ultrasonic cleaner</td><td>Delta</td><td>DC150H</td><td>For the lift off step</td></tr></tbody></table>

trapping of micro particles in nanoplasmonic optical lattice

プラズモニック光ピンセットは、従来遠方の光ピンセットの回折限界を克服するために開発しました。プラズモニック光格子は、様々 なトラップやトランスポートの動作を表わすナノ構造体の配列で構成されています。単純な正方形 nanoplasmonic 光格子中の微小粒子をトラップする実験の手順を報告する.光のセットアップでは、nanoplasmonic 配列のナノ加工について述べる。光学ポテンシャルが 980 nm の波長とエキサイティングなプラズモン共鳴のガウスビームによる金 nanodiscs の配列の照明によって作成されます。粒子の運動は、蛍光イメージングによって監視されます。最適なトラップに使用可能な光学力を高める光熱対流を抑制する方式を述べる.対流の抑制は低温冷却水媒体のゼロに近い熱膨張係数を利用して実現されます。単一粒子輸送と複数の粒子の捕集は、ここで報告されます。

実験では CCD カメラで記録された単一粒子軌道と各粒子の軌跡16を抽出するカスタム プログラムで処理された画像。代表的な結果は、図 3 とビデオ 1直径 2 μ m. 光格子中の複数の粒子虚飾が観察された微小球の表示されます。粒子の代表的な動画から抽出した連続した画像は、図 4に表示されます。直径 2 μ m の微粒子な充填構造 (hcp) をすぐに六角形微粒子のクラスター形成を見ることが 1 つ。テック要素をオフにするサンプルすることができますを暖めても観測された閉じ込められたクラスターは、光熱対流による分散でしょう。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig1.jpg"> 
図 1.光のセットアップの模式図。 ガウスビーム波長 980 nm 潜在的なトラップを作成するプラズモニック光格子サンプルを励起するために使用します。ミラー (M1) を通過する波長 980 nm の半導体レーザの光ファイバー結合長いによってフォーカスが移動した緩く距離対物レンズを作業とプラズモニック試料を励起します。蛍光イメージは、ダイクロイック ミラー (DM) および 470 の蛍光励起下での発光フィルター (EF) と共に同じ目的で撮影した発光ダイオード光源から nm。980 で光励起格子プラズモニック共鳴の nm は色分け 'ピンク' と励起と放射光を蛍光イメージングの色分けされた 'blue' と 'green'、それぞれ。運動は、CCD カメラで記録されます。熱電効果による冷却 (TEC) を使用して、サンプルを冷却します。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/56151fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig2.jpg"> 
図 2.電子ビーム露光により作製したナノ プラズモニック アレイ。(する) マーカーのデザインを見つけて、電子ビーム ライターでサンプルを配置使用します。外側の白い正方形の大きさは、22 mm × 22 mm とはめ込みで環状のマーカーには、150 μ m の外径と内径 50 μ m (b) は走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像 nanoplasmonic 配列の。22 x 22 nanodiscs の単純な正方形配列を使用し、ユニットの各セルには、厚さ 40 nm の間ディスク距離 750 nm 直径 550 nm 1 つナノディスク。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/56151fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig3.jpg"> 
図 3.単一の粒子軌道。抽出画像処理を用いた微粒子の軌道は、重心アルゴリズム16を使用して、ここに表示されるコンパイルされます。980 でプラズモニック共鳴励起用光パワー nm は 5 mW。2 μ m のスケール バーが表示されます。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/56151fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig4.jpg"> 
図 4.プラズモニック光格子と微粒子 5 の光パワーで時間の蓄積トラップの微粒子クラスターのイメージ mW 。(は) 連続蛍光画像トラップされた微粒子クラスターの形成の蓄積を示します。4 μ m の白いスケール バーが表示されます。(b) (、) から抽出した対時間、トラップされた微粒子の数。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/56151fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Movie" src="/files/ftp_upload/56151/56151video.jpg"> 
ビデオ 1。光学トラップと 2 の粒子蓄積 μ m の粒子.980 でプラズモニック共鳴励起用光パワー nm は 5 mW。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/2uM_5_mW.avi" target="_blank">してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)</a>
<img alt="Supplementary Figure 1" src="/files/ftp_upload/56151/56151supfig1.jpg"> 
補足図 1。Nanoplasmonic 配列の微細加工のプロセスの流れです。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/56151supfig1large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Supplementary Figure 2" src="/files/ftp_upload/56151/56151supfig2.jpg"> 
補足図 2。冷却ステージ デザインのサンプルです。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/56151supfig2large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Supplementary Figure 3" src="/files/ftp_upload/56151/56151supfig3.jpg"> 
補足図 3。サンプルを冷却するためのドライバー回路。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/56151supfig3large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Supplementary Figure 4" src="/files/ftp_upload/56151/56151supfig4.jpg"> 
補足図 4。測温抵抗体温度計と将来赤外線カメラの温度校正。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56151/56151supfig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

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Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

我々 は光 nanoplasmonic 光格子中の微小粒子をトラップするための手順について説明します。

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

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

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

6.5K ビュー.  National Tsing Hua University. 我々 は光 nanoplasmonic 光格子中の微小粒子をトラップするための手順について説明します。

ビデオ: Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

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.

ナノ粒子の光トラッピング

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 ...

工学

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

三次元光学分解能光音響顕微鏡

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

生物工学

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.

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

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

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.

「ノープリウスの動きを分析する<em&gt;アルテミア·サリナ</em&gt; &#39;プラズモニックナノ粒子の光学追跡することによって、

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.

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

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

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.

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

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

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.

プラズモニックナノピンセットを用いた単一非修飾タンパク質のコンフォメーションダイナミクスのモニタリング

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.

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

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

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

要約

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ナノ粒子の光トラッピング

三次元光学分解能光音響顕微鏡

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

「ノープリウスの動きを分析する

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

プラズモニックナノピンセットを用いた単一非修飾タンパク質のコンフォメーションダイナミクスのモニタリング

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

要約

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ナノ粒子の光トラッピング

三次元光学分解能光音響顕微鏡

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

「ノープリウスの動きを分析する

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プラズモニックナノピンセットを用いた単一非修飾タンパク質のコンフォメーションダイナミクスのモニタリング

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

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