이 연구는 ICT의 R &amp; MSIP / IITP (R0190-15-2040, 컨텐츠 구성 관리 시스템의 개발 및 3D 인쇄 시뮬레이터 스마트 재료를 사용)의 D 프로그램에 의해 지원되었다.

주의 : 사용하기 전에 모든 관련 물질 안전 규정을 참조하십시오. 마이크로 칩 제조에 사용되는 화학 물질 중 일부는 급성 독성 및 발암 성. 공학적 관리 (흄 후드, 핫 플레이트, 및 정렬) 및 개인 보호 장비 (안전 안경, 장갑, 실험실 코트, 전체 길이 바지, 및 폐쇄의 사용을 포함, 포토 리소그래피 및 에칭 공정을 수행 할 때 모든 적절한 안전 방법을 사용하십시오 -toe 신발). PDMS의 마이크로 채널의 1. 제작 <ol><li> 포토 리소 공정에 의한 마이크로 몰드의 제조 <ol><li> 완전히 피라 세정 (도 1a)와 4 인치 Si 웨이퍼의 표면 상에 이물질을 제거한다. 접시에 피라냐 용액을 1 : 3의 비율로 황산 (H 2 SO 4), 과산화수소 (H 2 O 2)를 혼합한다. 서서히 강산 소량 첨가 (H 2 O 섞어 <suB&gt; 2) 약산 (H 2 SO 4)하는 단계; 이 순서를 반대로 이유로 인해 반응성이 강한 산의 폭발의 원인이 될 수 있습니다. </li><li> 10 분 동안 피라냐 용액에서 웨이퍼를 담근다. 이어서, 나머지 피라냐 용액을 제거하기 위해 3 분 동안 탈 이온화 (DI) 물에 웨이퍼를 몰입. 10 초 동안 DI 물 흐르는 웨이퍼 린스. 나머지 DI를 제거하는 N 2 가스로 세척 과정을 3 회와 건조를 반복합니다. </li><li> 상기 웨이퍼를 탈수 180 ℃에서 20 분 동안 핫 플레이트 상에 웨이퍼를 배치했다. </li><li> 1,500 RPM (도 1B)에서 45 초 동안 웨이퍼를 스핀 코트 위에 네가티브 포토 레지스트 5 ㎖를 붓고; 스핀 코팅 한 후, 포토 레지스트 비드 때문에 포토 레지스트의 상대적으로 높은 점도의 웨이퍼 에지에서 생성된다. </li><li> 5 시간 동안 수평 스탠드 평탄화, 포토 레지스트 - 코팅 된 웨이퍼 균형. </li><li> 65에서 12 분 동안 핫 플레이트에서 레지스트 코팅 된 웨이퍼를 놓고° C, 95 ° C에서 35 분, 65 ° C (소프트 베이킹)에 12 분. </li><li> 마스크 홀더와 노광 장치의 기판 스테이지에 소프트 베이크 웨이퍼상의 막에 마스크를 고정한다. 상기 포토 레지스트를 650 mJ의 고화 / ㎠에서 43 초 동안 자외선 (UV) 광에 노출시킨다. </li><li> 65 ° C, 95 ° C에서 15 분, 65 ° C (노광 후 베이킹)에서 5 분에서 5 분 동안 핫 플레이트에 웨이퍼를 배치. </li><li> 고화되지 않은 포토 레지스트를 제거하기 위해 30 분 동안 포토 레지스트 현상액에 웨이퍼를 담근다. </li><li> 나머지 IPA를 제거하기 위해 이소 프로필 알콜 (IPA) 및 N 2 가스로 건조와 웨이퍼를 헹군다. </li></ol></li><li> PDMS의 마이크로 채널의 제조 <ol><li> 웨이퍼 및 대기압 플라즈마 시스템 (25)을 사용하여 W (200)의 전력에서 1 분 동안의 포토 레지스트 몰드의 표면을 처리; CH 4 가스 흐름 및 그 각각 6 및 30 sccm으로해야한다. 쉽게 polyd를 분리하는 소수성 처리를 수행웨이퍼 및 포토 리지 스트 몰드 (도 1C)의 표면으로부터 imethylsiloxane (PDMS) 마이크로. </li><li> PDMS의베이스 (10)의 혼합 비율 경화제하여 PDMS 용액을 제조 하였다 : 1. 2 분 동안 혼합물을 교반한다. </li><li> 페트리 접시 안에 웨이퍼 (150mm X 15mm)을 놓고 PDMS 용액 100 ㎖를 추가한다. 데시 케이 터를 사용하여 교반로부터 생성 된 기포를 제거한다. </li><li> PDMS의 용액 (도 1D 및 H)를 고화 80 ° C에서 2 시간 동안 오븐에서 페트리 접시를 배치했다. </li><li> 면도날과 PDMS 마이크로 채널의 윤곽을 따라 절단 한 웨이퍼에서 분리; 13mm 길이 300 ㎛ 폭, 150 ㎛의 높이 (도 1E, F, 및 I) : 제조 된 PDMS 마이크로 채널은 다음의 치수를 가져야한다. 주 : 정공 두 종류의 단일 모드 광섬유 (SMF) 케이블 및 튜브를 삽입 할 micropuncture 의해 생성되는 (a 유입구PDMS의 마이크로 채널 (도 1g에 ND 출구)). 모드 광섬유 케이블은 금 접시에 나노 홀 가공에 레이저 빔을 방출하기 위해 사용된다. 관을 삽입 / PDMS 마이크로 채널 행 / 입자 용액을 추출하기 위해 사용된다. </li><li> PDMS의 마이크로 채널의 양쪽 끝 부분에 1.5 mm의 입구 및 출구 구멍을 천공. PDMS의 마이크로 채널의 중심에서 0.3 mm SMF 케이블 구멍 천공. </li></ol></li></ol> 골드 플레이트 2 에칭 프로세스 <ol><li> 25 X 6.25 mm (2) (도 2a)의 치수 시판 금 판을 준비한다. </li><li> 다음 청소 절차와 골드 플레이트에 이물질을 제거합니다. 5 분마다 아세톤, 메탄올, 및 DI 물에 담근 다음 순서 면도. </li><li> 10 초 동안 금 판을 탈 이온수로 3 회 세척하여 잔류 DI 물을 제거하기 위해 N 2 가스에 의해 상기 플레이트를 건조. </li><li> 대한 핫 플레이트에 골드 플레이트를 놓습니다180 ° C에서 20 분간 완전히 남아있는 수분을 제거한다. </li><li> 3,000 rpm에서 40 초 동안 금 접시에 스핀 코트에 헥사 메틸 디 실라 잔 (HMDS) 0.5ml를 붓는다. </li><li> 3,000 rpm에서 40 초간 스핀 코팅 위에 HMDS 스핀 코트에 포지티브 레지스트를 0.5 mL로 붓는다 (도 2B). </li><li> 110 ° C (소프트 베이킹)에 90 초 동안 핫 플레이트에서 레지스트 코팅 된 금 판을 놓는다. </li><li> 유리 웨이퍼상의 막에 마스크를 고정하고, 기판 스테이지에 소프트 베이크 금 판을 놓는다. 포토 레지스트 (64)를 용해 엠제이 / ㎠로 4.5 초간 UV 광에 노출시킨다. </li><li> 1 분은 용해 된 포토 레지스트 (도 2C)을 제거하는 포토 레지스트 현상액에 금판을 담근다. DI 물 금판을 씻어 N 2 가스로 건조. </li><li> 노출 금 (도 2D)를 제거하기 위해 28 Å / s의 에칭 속도로 45 초 동안 금 에칭액 금판을 담근다. DI의 물 공급과 골드 플레이트를 씻어R 및 N 2 가스로 건조. </li><li> 노출 티 (도 2E)를 제거하기 위해 25 Å / s의 에칭 속도에서 5 초 동안 및 Ti 부식액에 금판을 담근다. DI 물 금판을 씻어 N 2 가스로 건조. </li><li> 3 분마다 (도 2F), 아세톤, 메탄올, 및 DI 물에 침지하여 금 플레이트에 남아있는 포토 레지스트를 제거; 필기 순서 판을 담가. </li><li> 10 초 동안 골드 플레이트를 탈 이온수로 3 회 씻어. N 2 가스로 건조는 DI 물을 제거합니다. </li><li> 완전히 수분을 제거하고 120 ℃에서 3 분간 핫 플레이트에 금판 장소; 제조 된 금 블록은 400 × 150 ㎛의 2 (도 2H) 여야한다. </li><li> 밀 에칭 (도 2G 및 I) 이후에 제조 된 금 블록의 중앙에 집속 이온 빔 (FIB)을 사용하여 400 나노 나노 홀. 금 BL에 초점을 370 나노 미터 원형 패턴 만들기3 초 동안 28 펜실베니아 30 kV의 가속 전압과 이온 옥토퍼스. </li></ol> 마이크로 칩 3. 조립 <ol><li> 80 W의 전력 및 825 mTorr로 (25)의 압력에서 플라즈마 시스템과 함께 첨부하는 O 2 플라즈마로 1 분 동안 PDMS 마이크로 채널 플레이트와 금의 두 표면을 처리한다. 참고 : 금 블록과 PDMS 마이크로 채널은 마이크로 미터 수준에 있기 때문에 정밀 이러한 사항을 추가하는 특히 어렵다. 따라서, 카메라와 수동 단계가있는 정렬을 사용합니다. </li><li> 노광 장치 (도 3a)의 마스크 홀더에 마스크 필름을 부착하기 위해 사용되는 유리 웨이퍼를 고정. </li><li> 유리 웨이퍼에 대한 O 2 -plasma 처리 PDMS 마이크로 채널을 연결; PDMS의 친수성이기 때문에, 그것은 쉽게 접착 용액없이 유리 웨이퍼에 부착한다. 노광 장치 (도 3a)의 기판 스테이지에 금판 수정. </li><li> 일의 중심을 찾습니다노광 장치에서 카메라를 사용하여, 동일 축 상에 배열 된 전자 SMF 케이블 구멍 금 블록. 두 부분 (그림의 (b)와 c)를 결합하는 수동 단계를 들어 올립니다. </li></ol> PDMS 코팅에 의해 마이크로 칩 사이드 표면 조도 4. 개선 주 : 400 × 150 ㎛의 2 고정 치수를 금 플레이트는 PDMS 재료보다 잘라 상대적으로 더 어렵다. 따라서, 웨이퍼에서 PDMS 마이크로 채널을 분리, 면도날은 금판보다 큰 조각을 절단하는 데 사용된다. 채널의 내부를 현미경 (도 4a)를 사용하여 측면으로부터 관찰 될 수 있도록 두 개의 부분을 조합 한 후, 금 접시에 PDMS 상대적인 과량 부분은 그때 절단한다. 그러나, 윈도우로서 사용되는 절단면은, 높은 표면 거칠기를 가지며, 따라서 (도를 채널에 흐르는 입자의 흐린 이미지를 생성4B). PDMS의 솔루션을 코팅이 문제를 해결하기 위해 다시 수행된다. <ol><li> 10에서 에이전트를 PDMS 염기를 혼합하고, 경화하여 PDMS 용액을 제조 하였다 : 1의 비율로 2 분 동안 교반 하였다. </li><li> 페트리 접시에 PDMS 용액 2 mL를 부어 1,000 RPM (도 4c)에서 30 초간 스핀 코팅을 수행한다. </li><li> 페트리 접시 (그림 4D)에 현미경에 위치 할 것입니다 마이크로 칩의 표면을 놓습니다. PDMS의 용액을 고화 80 ° C에서 1 시간 동안 오븐에서 페트리 접시를 배치했다. </li><li> 마이크로 칩 및 면도날을 이용하여 PDMS의 테두리를 절단하고이어서이 페트리 접시에서 분리 (도 4E, F). </li></ol> 5. 레이저 커플 링 마이크로 칩에 SMF 케이블을 삽입 주 : 플라즈몬 집게 시스템 들어, 1,064 나노 미터 파장의 광 파이버에 입사 된 레이저가 사용된다. SMF 케이블은 INCI의 직경 때문에 사용오목 레이저 (5mm)는 마이크로 칩의 금 블록 (400 × 150 ㎛의 2)에 나노 홀 가공에 레이저 광을 방출하도록 너무 막대한 것이다. 모드 광섬유 케이블의 클래드 직경 125 μm의 것이다. 따라서, 입사 레이저와 SMF 케이블을 연결해야합니다. <ol><li> 현미경 목표에 40X 대물 렌즈는 SMF 커플러 마운트에 연결합니다. 모드 광섬유 커플러의 섬유 클램프에 SMF 케이블을 고정합니다. 대물 렌즈의 후방 구멍을 채우기 위해, 입사 레이저 광을 맞추고. </li><li> 모드 광섬유 커플러에 장착 된 3 축 수동 단계를 조정함으로써 SMF 케이블의 코어에 레이저 빔을 집중. </li><li> 마이크로 칩의 SMF 케이블 구멍에 SMF 케이블의 반대쪽을 삽입합니다. 마이크로 칩의 고정 화이버가 분리 될 수 없기 때문에, 광케이블의 가장자리에 삽입하기 전에, 레이저 파워를 측정한다. </li><li> 모드 광섬유 캡의 간극으로부터 흐르는 입자 용액의 누출을 차단하는 에폭시 접착제를 사용하는 SMF 케이블 구멍을 봉쇄제작 구멍 (300 μm의)와 SMF 케이블 (125 μm의)의 클래딩; 삽입 된 광섬유 케이블의 단부는 유체 흐름을 방지하기 위해 상기 마이크로 입력 안된다. 수동은 나노 홀을 호스팅 금 블록에 수직이되도록 시각적 피드백을 이용하여 광섬유 케이블 정렬. </li></ol> 마이크로 칩 6. 플라즈몬 트래핑 단일의 형광 폴리스티렌 입자 <ol><li> 마이크로 시린지로, 입자 용액으로 채워진 주사기를 첨부. 형광 현미경의 샘플 무대에 커버 유리를 놓습니다. 마이크로 칩의 유입 / 유출 구멍에 튜브를 연결한다. 커버 글라스 위에 PDMS 코팅 된 마이크로 칩의 표면에 놓는다. </li><li> 형광 현미경에 설치된 카메라 채널의 내부를 관찰함으로써 침수 60X 대물 렌즈에 직교하는 마이크로 칩을 배치. 장소에 마이크로 칩을 해결하기 위해 투명 테이프를 사용합니다. 주사기 네브라스카와 마이크로 칩의 입구 관 연결edle. </li><li> 20 μm의 / 초에서 마이크로 제어하여 마이크로 칩에 입자 용액을 삽입한다. 이 때, 형광 램프가 켜질 때 형광체 입자가 채널에서 잘 관찰 될 수 있음을 확인한다. </li><li> 입자 솔루션은 마이크로 칩의 콘센트에서 종료 될 때까지 기다립니다. 3.4 μm의 / s의 속도를 설정합니다. </li><li> 는 나노 홀에 레이저를 방출되도록 레이저 소스 장치를 켜십시오; 형광 입자는 나노 홀의 가장자리에 갇혀됩니다. </li><li> 포획 된 입자 탈출까지 마이크로 펌프를 제어함으로써, 0.4 ㎛의 / s의 단위의 유체 속도 램프. 포집 된 입자가 탈출 할 때 유체 속도를 측정합니다. 이 측정 유체 속도를 이용하여 각각의 레이저 강도에 대한 최대 포집 력을 구하는. </li></ol>

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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>

저자가 공개하는 게 없다.

도 6a의 사각형 도트에 도시 된 바와 같이, SMF 케이블, 마이크로 칩의 SMF 케이블 구멍에 삽입 하였다. 모드 광섬유 케이블 구멍이 케이블의 직경보다 크기 때문에, 에폭시 접착제가 흐르는 입자 용액의 누출을 차단하는 간극을 밀봉하기 위해 사용되었다. 에폭시 접착제의 적용 전에, 금 블록과 케이블 단부는 동축 현미경을 사용하여 손으로 정렬되어야한다. 이 동축으로 정렬되도록 삽입 된 케이블 단부 및 나노 홀 이상적이지만, 약간의 오정렬은 그것이 0.14 NA SMF 케이블 가장자리의 단부로부터 방출되면, 레이저 빔이 발산하기 때문에 허용하고, 빔이 매우 큰 영향을 될 수있는 부위. 마이크로 칩이 현미경의 광축에 수직하게 구성 이었으므로 직접 나노 홀의 위치를 ​​관찰 할 수 없었다. 나노 홀의 위치 간접적 나노 홀에 plasmonically 포획 입자의 위치를 ​​관찰함으로써 결정할 수있다. 에이해결책은 광섬유 케이블에 카메라를 설치하고 금을 모니터링 블록을 이용하여 제공 될 수있다. 마이크로 칩의 독특한 기능은 실시간으로 플라즈몬 나노 홀 근처 입자의 움직임을 감시하는 기능입니다. 입자의 움직임을 설명하는 시나리오를 따른다. 유체 전달 입자를 스트리밍 할 때, 일부의 입자는 금 블록을 향해 이동한다. 어떤 경우에는, 입자 인해 나노 홀에 매력에 나노 홀의 가장자리에 특히 가까이 가져 결국 고정된다. 입자가 유체에 힘을 초과 이때, 광 힘이 가해. 이어서, 고정 된 입자는 나노 홀 테두리 유속 증가 달아나; 따라서, 유체의 힘 광학 힘보다 강해진다. 최대 포집 력이 단자 유속에서 측정 할 수있다. 입자는 g과 물리적으로 접촉되어 있기 때문에, 종래의 항력 식을 사용할 수 없습니다나노 홀에서 오래 된 벽입니다. 금 벽면 효과를 고려하기 위해 표면 근처의 유체 운동을 고려한 유한 요소 방법을 이용하여 유체의 힘을 얻어. 우리는 레이저 빔의 축을 따라 입자 역학의 모니터링을 가능하게하는 새로운 플라즈몬 트위터 설정을 도입했습니다. 대조적으로, 이전의 연구는 단지 예 nanoblock 12 nanodisk 13, 14, 19, 21, 20 nanostick 및 nanopyramid (18)와 레이저 빔 축에 수직 인 평면에서 입자의 움직임을 소개했다. 또한, 나노 홀 형태의 경우, 트래핑 아니라 단지 23 시각적 모니터링 (10) (11)에 의해 산란 된 신호를 모니터링하여 목격 할 수있다. 하나,우리는 정확하게 때문에 현재의 영상 기술의 제한된 기능의 입자의 위치를 ​​측정 할 수 없었다. 이미징 품질이 더 정확한 전위 측정을 확인하기 위해 개선되어야한다. 이 기술은 단일 분자의 특성 및 바이오 센싱에 적용 할 수 있습니다.

마이크로 객체를 조작하는 능력은 다수의 마이크로 / 나노 실험 필수적인 기능이다. 직접 접촉 조작은 조작 된 개체가 손상 될 수 있습니다. 이전에 보유 개체를 해제하면 때문에 정지 마찰 문제의 도전이다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 1 유체, 전기 2, 3, 자기 또는 광 힘 4, 5, 6, 7을 사용하여 여러 간접 방법은 (8)이 제안되어있다. 광자의 힘을 사용 플라즈몬 핀셋는 입사 강도 9보다 큰 특별한 필드 강화 몇 배의 물리학을 기반으로합니다. 이것은 매우 강전 향상은 매우 작은 나노 입자를 포획 할 수있다. 예를 들면, 고정 및 나노 크기를 조작하는 것으로 나타났다폴리스티렌 입자 7, 10, 11, 12, 13, 14, 고분자 쇄 (15), (16) 단백질, 양자 점 (17) 및 DNA 분자 (8), (18) 등의 개체. 그들이 효율적으로 조사하기 전에 빨리 사라지거나 때문에이 레이저의 높은 강도로 인해 손상되기 때문에 플라즈몬 핀셋없이, 트랩 나노 입자 어렵다. 많은 플라즈몬 연구는 다양한 나노 골드 구조를 사용했다. 우리는 19 nanodisk 타입 12, 13, 14, 15로 돌출 금 구조를 분류 할 <s업&gt; 20, 21 또는 억제 나노 홀 형태 7, 8, 10, 11, 22, 23. 후자에 대해, 금 기판을 관찰보기를 방해 할 수 있기 때문에 촬상 편의의 관점에서, nanodisk 유형 나노 홀 유형보다 더 적합하다. 또한, 플라즈몬 트래핑 플라즈몬 구조 근처 발생 관찰 더욱 도전한다. 우리가 아는 한, 나노 홀 유형에 대한 플라즈몬 트래핑은 간접 산란 신호를 사용하여 확인 하였다. 그러나, 현미경 이미지와 같은 더 성공적으로 직접 관찰,보고되지 않았다. 연구는 거의 갇혀 입자의 위치를 ​​설명했다. 하나 개의 이러한 결과는 왕 동부 등에 의해 발표되었다. 그들은 금 기판 상에 금 기둥을 생성하고 페이지를 관찰형광 현미경 (24)를 사용하여 문서 모션. 그러나,이 빔 축에 평행 한 방향으로하지 측면 움직임을 모니터링 만 유효하다. 본 논문에서는 새로운 유체 마이크로 칩 디자인 및 제조 과정을 소개합니다. 이 칩을 사용하여, 우리는 플라즈몬 나노 평행 및 수직 방향 모두에서 plasmonically 포획 입자의 모니터링을 보여준다. 또한, 우리는 마이크로 칩의 팁 속도를 찾기 위해 유체 속도를 증가시켜 고정 된 입자의 최대 힘을 ​​측정한다. 플라즈몬 핀셋에 대한 대부분의 연구는 정량적으로 자신의 실험 설정에서 사용되는 최대 트래핑 힘을 보여줄 수 없기 때문에이 연구는 유일하다.

<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

플라즈몬 핀셋 극성 나노 크기의 물체를 한정하는 표면 플라즈몬 폴라를 사용합니다. 플라즈몬 핀셋의 다양한 디자인 중 몇은 고정화 된 입자를 관찰 할 수있다. 또한, 연구 제한된 수의 실험적 입자에 exertable 힘을 측정 하였다. 디자인은 nanodisk 돌출 형 또는 억제 나노 홀 유형으로 분류 될 수있다. 후자의 경우, 현미경 관찰은 매우 도전이다. 본 연구에서, 새로운 플라즈몬 집게 시스템 플라즈몬 나노 홀 구조의 대칭 축에 평행 및 수직 방향 모두에서 입자를 모니터링하기 위해 도입된다. 이 기능은 나노 홀의 가장자리 근처에 각 입자의 움직임을 관찰하기 위해 우리가 할 수 있습니다. 또한, 우리는 정량적으로 새로운 유체 채널을 사용하여 최대 트래핑 힘을 추정 할 수있다.

PDMS의 마이크로 채널 및 나노 홀 금판의 제조 공정은도 1 및도 2에 도시된다. 본 방법은 두 부분을 결합하여 실제 마이크로 칩은도 3에 도시되어있다. PDMS의 마이크로 칩의 측면으로부터 상기 채널의 내부를 나타 내기 위해 절단 하였다. 그러나,이 때문에 절단면의 표면 거칠기의 채널에 흐르는 입자를 관찰하기 어려웠다. 따라서도 4에 도시 된 바와 같이, 이러한 문제를 해결하기 위해 PDMS 코팅 방법을 소개했다. 우리는 PDMS 코팅의 효과를 확인하기 위해 마이크로 칩의 폴리스티렌 입자를 흐르는, 5 μm의를 관찰했다. 도 5는 현미경을 이용하여 마이크로 칩에서 관찰 된 실제 제조 마이크로 칩과 입자를 나타낸다. 도 5a 및 C 전과 후에 appeara이다마이크로 칩의 NCES. 도 5b 및 D는 각각의 확대 된 표면이다. 도 5F는 입자의 가장자리가 특히 명확하고 움직임을 모니터링 할 수 있다는 것을 알 수있는 반면,도 5E는, 흐르는 흐리게 입자를 나타낸다. 이와 같이, 마이크로 칩 표면의 PDMS 코팅 포획 입자의 모니터링에 필수적이다. 도 6은 플라즈몬 집게 시스템 플라즈몬 광 포획을받은 100 nm의 폴리스티렌 입자를 나타낸다. 0.14의 개구 수 (NA)와 SMF 케이블이 사용되었다. 튜브는 마이크로 칩 채널의 입구 / 출구 구멍에 삽입 하였다. 마이크로 펌프를 삽입하고, 100 nm의 형광 폴리스티렌 입자 용액을 수집 하였다. 플라즈몬 현상에 의해 포획 된 입자의 내부 모습을 강조하기 위해, 그림 (6a)의 점선 부분은 삽입으로 확대되었습니다 <stroNG&gt;도 6b. 마이크로 칩 내에 삽입 SMF 케이블에 의해 전달되는 레이저는 금 블록의 나노 홀을 방출하고, 입자는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 이동은 필드 향상이 강했다 나노 홀 테두리에서 검출되었다. 도 7은 마이크로 채널에서 흘러 100 nm의 형광 폴리스티렌 입자를 포획하고 0.42 mW의 / μm의 (2)의 강도 나노 홀이 방출 된 연속적인 이미지를 도시한다. 도 7a에 도시 된 바와 같이, 입자는 유체 방향 3.4 μm의 / s의 일정한 속도로 흐른다. 레이저가 턴온 된 후, 입자들 중 하나는도 7b에 도시 된 바와 같이, 나노 홀에서 포획 하였다. 도 7c에 도시 된 바와 같이 반대로, 다른 입자의 스트림으로 흘렀다. 포집 된 입자가 탈출 때까지, 흐름 속도가 증가 하였다. 도 7D는 PA를 도시rticle는 함정에서 탈출. 지금이 순간, 우리는 입자가 탈출 할 때 유체 속도를 측정하여 직접 관찰과 트래핑 힘을 추정 할 수있다. 우리는 또한 반대 방향으로 일했다. 대신에, 유속을 증가시키는, 점차에서 1mW의 감소율에서 레이저 출력이 감소하고, 입자가 탈출 할 때 강도를 기록 하였다. 이 레이저 강도는 최소 트래핑 레이저 강도로 정의되고, 0.24 mW의 / 2 ㎛로 측정되었다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig1.jpg" /> 그림 PDMS 마이크로 채널의 1. 제작. (a)는 실리콘 웨이퍼의 제조. 웨이퍼 (b) 포토 레지스트를 스핀 코팅. (c) 포토 리소그래피 공정에 의해 제조 마이크로 몰드. (d) 상기 웨이퍼의 PDMS 용액을 주입 한 후, 오븐을 이용하여 PDMS 응고한다. (예를)는 마이크로 절단 PDMS. (f) 상기 웨이퍼로부터 PDMS 마이크로 채널의 분리. (g) 입구 / 출구와 SMF 케이블 구멍이 PDMS 마이크로 채널에 천공. 실제 (H)는 웨이퍼 상에 PDMS를 고화. (I) 실제 떼어 PDMS 마이크로 채널. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig2.jpg" /> 에칭 처리 후의 금 접시에 나노 홀 (2)의 제조를도. 유리에서의 Au 및 Ti의 (a) 증착. 금판의 (b) 포토 레지스트를 스핀 코팅. UV 광에 노출 된 후 (C)에 용해 된 포토 레지스트 제거. (d)의 Au 에칭. (E) 티 에칭. (F) 레지스트 재 남은<html> moval. (g) 금 블록에 집속 이온 빔 밀링 나노 홀. (H) 실제 제조 금 블록. (I) 금 블록의 실제 가공 된 나노 홀. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig3.jpg" /> 마이크로 칩의 그림 3. 조립 과정. (a), 마스크 홀더와 기판 스테이지에 PDMS 마이크로 채널 플레이트 및 금을 고정 각각 얼 라이너에 장착. (b) 상기 PDMS 마이크로 채널 부와 O 2 플라즈마로 표면 처리 한 후 금 판의 조합. (c, d) 조합으로 조립 된 마이크로 칩. PDMS의 마이크로 채널 과량의 (E)를 제거.ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg &quot;target =&quot;_ blank &quot;&gt; 검색이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig4.jpg" /> PDMS 코팅에 의해 표면 거칠기의 개선 4. 공정도. (a) 두 부분을 결합 후 면도날을 사용하여 과량의 제거. (b) 절단 후의 마이크로 칩의 높은 표면 조도. 페트리 접시 (c)에서 PDMS 솔루션 스핀 코팅. 스핀 - 코팅 된 PDMS 용액에 마이크로 칩의 창 표면을 찍기 (d). 페트리 접시에서 (E) PDMS 코팅 된 마이크로 칩의 분리. (F) PDMS 코팅에 의해 표면 거칠기의 개선. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 도 5는 전 PDMS 코팅 후 마이크로에 마이크로 칩과 5 ㎛의 폴리스티렌 입자의 관찰을 조립. PDMS 코팅 전에 확대도 (a, b) 마이크로 칩. PDMS 코팅 후의 확대도 (c, d) 마이크로 칩. (E, F)의 전후 PDMS 코팅 후의 미세 입자 관찰. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig6.jpg" /> 6. 설계 플라즈몬 트위터 시스템을 그림. (a) 플라즈몬 집게 시스템의 개략도. (b </strong&gt;) 마이크로 칩에서 나노 홀의 가장자리에서 100 nm의 형광 폴리스티렌 입자 트래핑. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/55258/55258fig7.jpg" /> 도 7 트래핑 및 마이크로에 100 nm의 형광 폴리스티렌 입자의 방출. (a) 입자의 스트림으로 흐르는 마이크로 채널. 다른 입자에 비해 나노 홀에 (b, c) 입자 포획. 증가로 인한 유체 힘 트랩 탈출 (d) 입자. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55258/55258fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

플라즈몬 핀셋을 통합 마이크로 칩 제조 공정은 여기에 표시됩니다. 마이크로 칩은 최대 트래핑 힘을 측정하기 위해 갇힌 입자의 영상을 가능하게한다.

모니터링 환경에서 플라즈몬 트랩 및 나노 입자의 릴리스

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

plasmonic-trapping-release-nanoparticles-monitoring

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

7.5K 조회수.  Korea Basic Science Institute (KBSI).  플라즈몬 핀셋을 통합 마이크로 칩 제조 공정은 여기에 표시됩니다. 마이크로 칩은 최대 트래핑 힘을 측정하기 위해 갇힌 입자의 영상을 가능하게한다. 

비디오: 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.

Plasmonic 강화된 라이트 - 트래핑과 다결정 실리콘 박막 태양 전지

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

연구

공학

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.

나노 입자의 광학 트래핑

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.

기존 및 홀로 그래픽 광학 트래핑 기능과 고해상도 현미경의 구조

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.

향상된 마이크로 및 Nanoparticle 조작에 대한 Plasmonic 및 광자 크리스탈 Nanostructures 활용

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

생체공학

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.

&#39;Nauplius의 움직임을 분석<em&gt; 아테 살리나</em&gt; &#39;플라즈몬 나노 입자의 광학 추적하여

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.

나노 광학 컨베이어 벨트의 제작 및 운영

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.

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.

Nanoplasmonic 광학 격자에 마이크로 입자의 트래핑

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.

플라즈모닉 나노핀셋을 사용한 단일 비변형 단백질의 구조적 역학 모니터링

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 표면 강화 라만 분광법 특성화를 위한 플라즈몬 나노입자의 광학 트래핑

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