Name: trapping of micro particles in nanoplasmonic optical lattice
Uploaded: 2017-09-05T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 20 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice at JoVE.com

י' ט' י' רוצה לאשר מימון תמיכה מ את משרד המדע והטכנולוגיה תחת גרנט מספרי ביותר 105-2221-E-007-MY3 מהאוניברסיטה הלאומית צינג הואה תחת גרנט מספרים 105N518CE1 ו- 106N518CE1.

1-הגדרת אופטי הערה: העיקרון של ההתקנה אופטי מודגם באיור 1.
<ol><li>סט למעלה האופטי פינצטה קיט (ראה את הטבלה של חומרים) מודול קרינה פלואורסצנטית (ראה טבלה של חומרים) לפי המדריכים שלהם. חבר מקור nm כחול אור פליטת אור דיודה (LED) 470 למודול פלורסנט.</li>
	<li>להחליף את גבוהה מספרי הצמצם (NA) (NA = 1.25, ההגדלה 100 x) שמן טבילה המטרה על ידי עובד זמן מרחק אובייקטיבי מיקרוסקופ (WD) (אורך מוקד 3.6 מ מ, WD = 10.6 מ. מ., NA = 0.5).</li>
	<li>להסיר את העדשה במקטע הרחבת קרן של ערכת התאספו כדי להשיג התמקדות רופף של קרן הלייזר.</li>
	דיודה <li>התור על הזרם והזרם הלייזר של ננומטר אורך גל 980 והשתמש טעונה מצמידים התקן (CCD) המצלמה כדי לוודא קרן הלייזר מיושר כראוי. 
	הערה: אם קרן הלייזר הוא מיושר היטב, מצלמת CCD יקרא מקום לפי עקומת גאוס.</li>
</ol> 2. Nanofabrication <ol><li>סמן פבריקציה נוספת. 
	הערה: סמני יעזור למקם את המערך nanoplasmonic במהלך תהליך ייצור השמנה עוקבות הניסוי. משלים באיור 1 מודגם תהליך מפורט.
	<ol><li>הפקדה 40 ננומטר אינדיום תחמוצת בדיל (ITO) הסרט על coverslip של עובי 0.17 מ מ עם התזה. 
		הערה: הסרט איטו יעזור לשחרר אלקטרונים במהלך תהליך ליתוגרפיה e עוקבות-קרן-</li>
		<li>ספין מעיל רובד 8 מיקרומטר של photoresist חיובי עם ספין מהירות 4000 סל ד ו- s זמן 30 עם coater ספין.</li>
		<li>רך לאפות את הדגימה ב 90 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות ו ליישר את הדגימה עם photomask עבור סמן ולחשוף את הדגימה לאור אולטרא סגול 80 s ב- aligner המסכה.</li>
		<li>להשרות את הדגימה היזם photoresist 130 ס</li>
		<li>להפקיד 2 ננומטר שכבת כרום ו 40 ננומטר שכבת זהב על המדגם באמצעות אידוי תרמי. 18</li> <li>להשרות את הדגימה של אצטון ומניחים אותו בתבנית אולטרה סאונד נקי פעולה 43 kHz ו 150 W עבור 5 דקות עבור הנהגים מעלית</li>
	</ol></li> <li>מערך ייצור של Nanoplasmonic <ol><li>ספין המעיל שכבה של e-קרן להתנגד PMMA 120K עם מהירות סיבוב 5000 סל ד ל 30 s ב- coater ספין. אופים את הדגימה ב 160 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות על פלטה חמה.</li>
		<li>ספין מעיל שכבה נוספת של e-קרן להתנגד PMMA 960K עם מהירות סיבוב 5000 סל ד ל 30 s ב- coater ספין. אופים את הדגימה ב 160 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות על פלטה חמה.</li>
		<li>שימוש e-קרן סופר לחשוף את e-הקרן להתנגד עם האצת מתח 30 kV והמינון 400 ג/cm 2.</li>
		<li>להפקיד 40 ננומטר שכבת זהב ב מפזר חום.</li>
		<li>משרים את הדגימה של אצטון ומניחים אותו בתבנית אולטראסאונד 5 דקות עבור הנהגים מעלית</li>
	</ol></li></ol> 3. לדוגמה קירור מערכת, כיול טמפרטורה שלה הערה: המדגם קירור עיצוב במה מוצג משלים באיור 2.
<ol><li>שהופך את המעגל הנהג עבור מדגם קירור <ol><li>מקום על נגדים, צומת דו-קוטבי טרנזיסטורים, וכן כוח תחמוצת מתכת שדה אפקט טרנזיסטורים על המעגל מותאם אישית על ידי ביצוע של דיאגרמת מעגל משלים באיור 3 . כל המרכיבים הללו עם המלחם הלחמה.</li>
		<li>חיבור חוטים בין יציאת בקרה של המעגל הלוח בקרה אלקטרונית. לחבר את החוטים בין יציאת פלט של המעגל, thermoelectrical קירור (TEC). למקם את הרכיב טק על הבמה מדגם עם שוקע חום. 
		&#8203; הערה: טק רכיב יש חור במרכז כדי לאפשר קרן הלייזר לעבור.</li>
		ספק כוח <li>חיבור חוטי החשמל היוצאים המעגל ל- 5 V. להשתמש במצלמה אינפרא-אדום שפניה לעקוב אחר הטמפרטורה כדי לבדוק אם הקירור thermoelectrical הוא כמו שצריך לצנן.</li>
	</ol></li> <li>כיול של הטמפרטורה שנמדדה שפניה לעתיד המצלמה עמידות בטמפרטורה גלאי (RTD) מד חום אינפרא אדום.
	<ol><li>למקם את המדחום RTD coverslip ריקה ולהחיל כמות קטנה של תרמית העיסה לתוך זה כדי להבטיח נאות תרמי קשר בין מד חום RTD coverslip.</li>
		<li>שינוי ההגדרה של כוח פלט של מעגל בקרה אלקטרונית טק רכיב על-ידי שינוי של מחזור חיים של הגדרת אפנון רוחב פולס ולחכות 3 דקות לוודא שהטמפרטורה מצב יציב מתמלאת. לקרוא את הטמפרטורה בעזרת את המדחום RTD.</li>
		<li>התור על מצלמת אינפרא-אדום להסתכל קדימה, הצג הטמפרטורה. חזור על זה ב הגדרות צריכת חשמל פלט שונים כדי להשיג את עקומת כיול טמפרטורה. עקומת כיול טמפרטורה נציג מוצג משלים באיור 4. 
		הערה: חשוב מאוד לעשות כיול בין מד חום RTD מצלמה אינפרא אדום לפנים מראה כי. קריאת הטמפרטורות של מצלמה אינפרא אדום שפניה לעתיד חייב להיות מדויק כדי להבטיח בטמפרטורה הנכונה מתמלאת.</li>
	</ol></li></ol> 4. השמנה של Microparticles <ol><li>Dilute מיקרו פוליסטירן חלקיקי בקוטר 2 מיקרומטר במים יונים ב microcentrifugetube עם יחס נפח תקין. 
	הערה: ניתן להתאים את הריכוז של חלקיקי מיקרו על פי מטרת הניסוי. תוך ריכוז נמוך יותר מאפשר מרווח זמן הדגימה בין אירועים השמנה חלקיק יחיד, ריכוז גבוה יותר לקצר את הזמן להשמנה חלקיקים מרובים. עבור חלקיק יחיד השמנה, ריכוז טיפוסי הוא ~0.05% (w/v).</li>
	<li>שים המדגם עם מערך nanoplasmonic על הבמה ולפנות של 470 nm הוביל כמקור אור זריחה ו להגדיר באופן ידני את הכוח כדי 5 מגוואט עבור שדה בהיר הדמיה.</li>
	<li>להשתמש בסמן כדי לאתר את מערך nanoplasmonic, ליישר את הדגימה ולהשתמש את מצלמת CCD כדי לוודא המערך הוא במרכז האזור של ריבית על מסך המחשב.</li>
	<li>10 לוותר על µL של חלקיקי מיקרו מדוללת של קוטר 2 מיקרומטר על הדגימה עם פיפטה מיקרו-</li>
	<li>להפעיל את ספק הנוכחי דיודת לייזר של ננומטר אורך גל 980 לגרות את התהודה plasmonic של המערך עם כוח ב- mW טווח ~ 1 עד 10 mW.</li>
	<li>להפעיל באופן ידני את ספק הזרם ללוח בקרה אלקטרונית להתקרר המדגם מצב יציב טמפרטורה ~ 4 ° C.</li>
	<li>התוכנה viewer, לחץ על &#34; להקליט וידאו &#34; רצף כדי לפתוח את תיבת הדו-שיח הקלטת. לחץ &#34; שיא &#34; כפתור כדי להתחיל את ההקלטה 1.5 של התנועה של חלקיקי מיקרו-קצב מסגרות לשנייה 10 על הדגימה תחת ההשפעה של קרן לייזר באמצעות מצלמת ה-CCD. לחץ &#34; להפסיק &#34; כפתור כדי לעצור את ההקלטה. ראה וידאו 1-</li>
</ol>

<ol>
	<li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles.">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).</li><li>Grier, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+revolution+in+optical+manipulation.">A revolution in optical manipulation.</a> Nature. 424, 21-27 (2003).</li><li>Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiation+on+trapping+forces+with+optical+tweezers.">Radiation on trapping forces with optical tweezers.</a> Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).</li><li>Kawata, S., Tani, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optically+driven+Mie+particles+in+an+evanescent+field+along+a+channel+waveguide.">Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide.</a> Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).</li><li>Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Manipulation+of+nanoparticles+and+biomolecules+in+sub-wavelength+slot+waveguides.">Optical Manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides.</a> Nature. 457, 71-75 (2009).</li><li>Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+manipulation+with+planar+silicon+microring+resonators.">Optical manipulation with planar silicon microring resonators.</a> Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).</li><li>Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanomanipulation+using+silicon+photonic+crystal+resonators.">Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators.</a> Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).</li><li>Lin, S., Crozier, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Planar+silicon+microrings+as+wavelength-+multiplexed+optical+traps+for+storing+and+sensing+particles.">Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles.</a> Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).</li><li>Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., 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+nano+optical+tweezers.">Plasmonic nano optical tweezers.</a> Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).</li><li>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=The+origin+and+future+of+plasmonic+optical+tweezer.">The origin and future of plasmonic optical tweezer.</a> Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).</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+single+protein.">Optical trapping of single protein.</a> Nano Lett. 12, 402-406 (2012).</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, 4118-4122 (2013).</li><li>Cuche, A., Stein, B., Canguier-Durand, A., Devaux, E., Genet, C., Ebbesen, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brownian+motion+in+a+designer+force+field:+Dynamical+effects+of+negative+refraction+on+nanoparticles.">Brownian motion in a designer force field: Dynamical effects of negative refraction on nanoparticles.</a> Nano Lett. 12, 4329-4332 (2012).</li><li>Baffou, G., Berto, P., Urena, E. B., Quidant, R., Monnert, S. J., Polleux, J., Righeault, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoinduced+heating+of+nanoparticle+arrays.">Photoinduced heating of nanoparticle arrays.</a> ACS Nano. 8, 6478-6488 (2013).</li><li>Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+and+controlling+plasmon-induced+convection.">Understanding and controlling plasmon-induced convection.</a> Nat. Commun. 5, (2014).</li><li>Yang, T. P., Yossifon, G., 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=Characterization+of+the+near-field+and+convectional+transport+behavior+of+micro+and+nano+particles+in+nanoscale+plasmonic+optical+lattice.">Characterization of the near-field and convectional transport behavior of micro and nano particles in nanoscale plasmonic optical lattice.</a> Biomicrofluidics. 10, 034102 (2016).</li><li>Chen, Y. -. C., Yossifon, G., 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=Supression+of+phtothermal+convection+of+micro+particles+in+two+dimensional+nanoplamonic+optical+lattice.">Supression of phtothermal convection of micro particles in two dimensional nanoplamonic optical lattice.</a> Appl. Phys. Lett. 109, 201111 (2016).</li><li>Smith, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Thin film deposition: principles and practice. , (1995).</li><li>Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., 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=Flow-dependent+double-nanohole+optical+trapping+of+20+nm+polystyrene+nanospheres.">Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres.</a> Sci. Rep. 2, 966 (2012).</li><li>Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. <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+sensing+10+nm+metal+nanoparticles+using+plasmonic+dipole+antennas.">Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas.</a> Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).</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. 2011 (11), 3763-3767 (2011).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

ההליך המתואר כאן מאפשרת לקורא להתרבות בצורה אמינה השמנה על בסיס יומי. קו מנחה כללי אמפיריים לעצב סריג אופטי שמיש היא להשתמש בגודל דומה עבור nanoarray plasmonic, מרחק interdisc, וכלא גודל החלקיקים. העיצוב סריג אופטי בשיתוף עם הכוח האופטי גבוהה המוענקת על ידי קירור לדוגמה כדי ~ 4 ° C משמש כאן באופן משמעותי בהשוואה של יחיד, מבודד plasmonic ננו-מבנה, מגבירה את ההסתברות השמנה. אם nanostructures אז נפרדנו, plasmonic משמשים כאתרי השמנה, אחד צריך לחכות זמן רב ההעברה של microparticles אמצעי האחסון השמנה יעיל ליד nanostructures plasmonic. כמו כן, הגדלת המרחק בין דיסק אנושות פוחתת ההסתברות של הצטברות של חלקיקים. הערה שזה ניתן גם לבצע את הניסוי השמנה עם השבכה אופטי plasmonic בטמפרטורת החדר אבל את הכוח האופטי שמיש תהיה מוגבלת מאוד. כמו כן, על צריכת חשמל נמוכה אופטי, אחד צריך לחכות זמן רב (~ 1 h) עבור האירוע השמנה microparticle. בדרך כלל, אנו להפעיל את מצלמת CCD להקליט את חלקיק ולאסוף את האירוע השמנה בתוך דקות ספורות. עוצמת הלייזר הישימים הוא כגובה 10 mW. -כוח אופטית גבוהה, יכול להיות שנצפו צבירה גדולים של microparticles.
השלב הקריטי עבור הצלחה בעבודה זו הוא להתקרר למטה plasmonic על החלקה שער שביר ונטר בו-זמנית הטמפרטורה הדגימה. בחרנו את מצלמת אינפרא-אדום מחפש קדימה כדי למדוד את טמפרטורת כי מדידה ללא מגע כזה מקטינה באופן משמעותי את הסיכוי של מדגם שבירה. לחלופין, ניתן לבחור דבק על גודל קטן מד חום ולהשתמש בו כדי למדוד את הטמפרטורה בזמן אמת. מערכת הקירור יחד עם מדידת טמפרטורה ללא מגע ישימה כלל מיקרוסקופ אופטי בטמפרטורות נמוכות.
למרות ההפגנה כאן מתבצעת באמצעות חלקיקים בגודל מיקרון, אחד יכול ללכוד חלקיקים מאת להצטמצם הן את הגודל ומרווחים של nanodiscs זהב. עד כה, השמנה של חלקיקים עם קטרים קטן כמו 100 ננומטר כבר הפגינו19. זו אינה, עם זאת, המגבלה האולטימטיבי של השבכה אופטי plasmonic. כמו כן, השתמשנו הרבה זמן לעבוד מרחק אובייקטיבי מיקרוסקופ כדי להקל על תכנון מכאני של השלב מדגם. רזולוציה טובה יותר בתחום ההדמיה יכולה להיות מושגת על-ידי החלפתו אובייקטיבית מיקרוסקופ טבילה שמן. מאת להצטמצם הממדים של nanostructures plasmonic, ההשמנה של חלקיקים קטנים אפילו צריך גם להיות ריאלי. 20 , 21

לכידה אופטית של חלקיקי מיקרו-סולם פותחה במקור על ידי ארתור Askin בשנות השבעים המוקדמות. מאז ההמצאה שלו, הטכניקה פותחה ככלי רב תכליתי עבור מיקרו - ו nanomanipulation1,2. קונבנציונלי אופטי השמנה בהתבסס על השדה הרחוק התמקדות עיקרון מטבעו מוגבל על ידי עקיפה בבידוד המרחבי שלה, שבו הכוח השמנה מפחיתה באופן דרמטי (הבאים ~חוק3 עבור חלקיק של רדיוס ) 3. כדי להתגבר על מגבלות דיפרקציה כזו, חוקרים פיתחו טכניקות לכידה אופטית ליד שדה בהתבסס על השדה אופטי evanescent באמצעות plasmonic nanostructures מתכתי ואובייקטים, יתר על כן, לכידה של ננו. מולקולות חלבון יחיד כבר הפגינו4,5,6,7,8,9,10,11. יתר על כן, השבכה אופטי plasmonic נוצר מתוך מערכים של nanostructures plasmonic תקופתי שוחח ארוכות טווח הובלה של מיקרו - חלקיקים ואת מספר החלקיקים הערימה11,12. מכשול רציני כדי לשבש את ההשמנה בסריג אופטי הסעת חום photothermal, המאמצים נעשו התירי את השפעותיו על ידי מספר קבוצות14,15,16,17. באמצעות פונקציית גרין, Baffou. ואח שמחשבת פרופיל הטמפרטורה מידול כל ננו-מבנה plasmonic כמו תנור נקודה, ואז השפעול לאמת שלהם דגם14. הקבוצה של Toussant יש גם מדדו את הסעת חום פלזמון-induced עם חלקיקים velocimetry15. הקבוצה של המחבר גם מאופיין תחבורה שדה- והן convectional, הפגינו אסטרטגיית הנדסה לדכא את photothermal הסעת חום16,17.
כאן אנו מציגים את העיצוב של התקנה אופטי והליך מפורט במיוחד עבור ניסויים השמנה עם סריג אופטי plasmonic. פוטנציאל אופטי נוצר על-ידי הארת מערך של זהב nanodiscs עם קרן גאוסיאנית ממוקד באופן רופף. ערכת לדכא את הסעת חום photothermal על ידי לצנן את הדגימה לטמפרטורה נמוכה (~ 4 ° C) להשמנה האופטימלי הוא גם לתאר כאן17. תחת קירוב בוסינסק, סדר גודל להעריך מהירות הסעת חום טבעי u ניתנת על ידי u ~L-2 - gβ-ΔT / v, איפה L אורך קנה המידה של מקור החום, Δ T היא העלייה בטמפרטורה יחסית ההפניה בשל החימום.  g וβ הן תאוצת הכובד ואת מקדם הרחבה תרמי, בהתאמה. בטמפרטורות ליד 4 ° C, הצפיפות של המדיום מים תערוכות התלות טמפרטורה חריגה, זה מיתרגם מקדם הרחבה תרמי כמעט אפסי ולכן הסעת חום photothermal vanishingly קטן.

<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

פינצטה אופטית plasmonic פותחה כדי להתגבר על גבולות עקיפה של פינצטה אופטית השדה הרחוק קונבנציונלי. סריג אופטי plasmonic מורכב מערך של nanostructures, אשר מוצג מגוון של השמנה והתנהגויות תחבורה. מדווחים את ההליכים ניסיוני ללכוד מיקרו-חלקיקים בתוך סריג אופטי פשוטה nanoplasmonic מרובע. אנחנו מתארים גם את ההתקנה אופטי את nanofabrication של מערך nanoplasmonic. פוטנציאל אופטי נוצר על-ידי הארת מערך של זהב nanodiscs עם קרן גאוסיאנית 980 באורך גל של nm, תהודה פלזמון מרגש. התנועה של חלקיקים מנוטרת על ידי קרינה פלואורסצנטית הדמיה. ערכת לדכא את הסעת חום photothermal מתואר גם להגדיל הכוח האופטי שמיש להשמנה אופטימלית. דיכוי של הסעת חום מושגת על ידי קירור הדגימה לטמפרטורה נמוכה, תוך ניצול המקדם הרחבה תרמי כמעט אפסי של מדיום מים. תחבורה חלקיק יחיד והן מרובות חלקיקים השמנה מדווחים כאן.

חלקיקים בודדים נרשמו על ידי מצלמת CCD בניסוי שלנו, התמונות עובדו ואז עם תוכנית מותאמת אישית כדי לחלץ של החלקיק בכל מסלול16. התוצאות נציג מוצגים באיור 3 ו 1 וידאו ספירות-מיקרו עם קטרים של 2 מיקרומטר. הסממנים מרובות חלקיקים בתוך השבכה אופטי נצפו. תמונות רצופים המופק וידאו נציג התנועה של החלקיק מוצגות באיור4. עבור microparticles של קוטר 2 מיקרומטר, ניתן לראות קיבוץ באשכולות של microparticles שהוקמה על משושה קרוב ארוז (hcp) מבנה. המדגם יכולים גם להיות מחוממים על-ידי ביטול רכיב טק; האשכול לכוד שנצפה לפזר עקב הסעת חום photothermal.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig1.jpg"> 
איור 1 . מפרטים טכניים של ההתקנה אופטי. קרן גאוסיאנית עם אורך גל של 980 nm משמש כדי לעורר את הדגימה plasmonic סריג אופטי כדי ליצור השמנה פוטנציאלית. דיודת לייזר מצמידים סיבים של ננומטר אורך גל 980 עובר דרך מראה (M1), מקבל באופן רופף ממוקד בטווח הארוך עובד מרחק אובייקטיבי מיקרוסקופ, והפך מדגם plasmonic. התמונה פלורסנט נלקח עם אותה מטרה בשיתוף עם מראה ודיקרואיק זוהר (DM), מסנן פליטה (EF) תחת עירור פלורסנט-470 nm של מקור האור דיודות פולטות אור. עירור אור 980 ננומטר על התהודה plasmonic הוא צבע מקודד "ורוד", עירור של פליטת אור עבור הדמיה פלורסנט הם צבע מקודד 'כחול', ו 'ירוק', בהתאמה. ההצעה נרשם עם מצלמת CCD. Thermoelectrical קירור (TEC) משמש כדי לקרר את הדגימה. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/56151fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig2.jpg"> 
איור 2 . מערך Plasmonic ננו מפוברק על ידי E-קרן ליתוגרפיה. () סמן עיצוב להשתמש כדי לאתר וליישר את הדגימה של הסופר e-קרן. הממדים של הריבוע הלבן החיצוניים הם 22 מ מ x 22 מ מ, ויש דה מרקר טבעתי ב שיבוץ של הקוטר החיצוני של 150 מיקרומטר, הקוטר הפנימי של 50 מיקרומטר (b) A לסרוק בעזרת מיקרוסקופ אלקטרון (SEM) תמונת של מערך nanoplasmonic. מערך ריבוע פשוט 22 פרק 22 nanodiscs משמש ומכיל כל תא יחידה אחת nanodisc של עובי 40 ננומטר, קוטר 550 ננומטר עם מרחק הבין-הדיסק 750 ננומטר. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/56151fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig3.jpg"> 
איור 3 . יחיד חלקיקים. מסלולים של microparticles חילוץ באמצעות עיבוד תמונה נאספים באמצעות אלגוריתם centroid ה16 , המוצג כאן. הכוח אופטי המשמש plasmonic תהודה עירור 980 ננומטר הוא 5 מגה-וואט. בר בהיקף של 2 מיקרומטר מוצג. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/56151fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56151/56151fig4.jpg"> 
איור 4 . תמונות מקבץ של Microparticles לכוד בתוך Plasmonic סריג אופטי והצטברות של זמן Microparticles-כוח אופטי 5 מגוואט. () זריחה רצופים תמונות מציג את הצטברות microparticles לכוד להרכיב אשכולות. בר לבן מידה של 4 מיקרומטר מוצג. (b) מספר microparticles לכוד נגד הזמן, מופק (). <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/56151fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Movie" src="/files/ftp_upload/56151/56151video.jpg"> 
וידאו 1. השמנה אופטי והצטברות של חלקיקים של 2 מיקרומטר חלקיקים. הכוח אופטי המשמש plasmonic תהודה עירור 980 ננומטר הוא 5 מגה-וואט. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/2uM_5_mW.avi" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון. (לחיצה ימנית כדי להוריד.)</a>
<img alt="Supplementary Figure 1" src="/files/ftp_upload/56151/56151supfig1.jpg"> 
משלים איור 1. תהליך זרימת Nanofabrication מערך Nanoplasmonic. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/56151supfig1large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Supplementary Figure 2" src="/files/ftp_upload/56151/56151supfig2.jpg"> 
2 איור משלים. . דגימת קירור עיצוב במה <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/56151supfig2large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Supplementary Figure 3" src="/files/ftp_upload/56151/56151supfig3.jpg"> 
משלים איור 3. מעגל הנהג לקירור הדגימה. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/56151supfig3large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Supplementary Figure 4" src="/files/ftp_upload/56151/56151supfig4.jpg"> 
4 איור משלים. כיול טמפרטורה בין rtd מדחום מצלמת אינפרא-אדום Forward-Looking. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56151/56151supfig4large.jpg" style="font-size: 14px;" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice at JoVE.com

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

אנו מתארים הליך ללכוד שטיחות מיקרו-חלקיקים בתוך סריג אופטי nanoplasmonic.

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 ...

trapping-of-micro-particles-in-nanoplasmonic-optical-lattice

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

6.5K Views.  National Tsing Hua University. אנו מתארים הליך ללכוד שטיחות מיקרו-חלקיקים בתוך סריג אופטי nanoplasmonic.

Video: 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.

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 ...

Engineering

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.

תלת ממדית ברזולוציה אופטית photoacoustic מיקרוסקופית

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

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 ...

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 ...

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.

טוען מלכודת אופטית של דיאלקטרי microparticles באוויר

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.

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 ...

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 ...

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 ...