Name: optical trapping of nanoparticles
Uploaded: 2013-01-15T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 39 s
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Reconhecemos Thorlabs por patrocinar esta publicação e financiamento da Ciências Naturais e Pesquisa de Engenharia Council (NSERC) do Canadá Discovery Grant. Agradecemos Bryce Cyr e Douglas Rennehan para assistência de produção na confecção deste artigo vídeo.

O princípio da técnica de aprisionamento SIBA é ilustrado na Figura 1. Figura 2 é um esquema da montagem experimental. 1. Configuração captura óptica Para esta seção do procedimento, consulte o manual do kit de captura óptica 9 ou óptico medições de força manual do módulo 10 para obter detalhes sobre a configuração dos kits. Note-se que um fotodiodo de avalanche (APD) é usado em vez de um detector de posição de quadrante. Para os parafusos não estão incluídos no kit de captura óptica, use os na tampa de rosca e kit de hardware (Thorlabs, HW-KIT2). Proteção dos olhos deve ser usado em todos os momentos em que o laser está ligada. Verifique se o feixe está contido dentro de uma área segura e acessórios reflexivos, tais como jóias, devem ser evitados. Além disso, proteção contra descarga eletrostática é aconselhável ao manusear diodos de laser. <ol><li> Configure o kit de pinça óptica (Thorlabs, OTKB / M) e da medição vigorurement módulo (Thorlabs, OTKBFM) como por seus respectivos manuais. Um fotodiodo de avalanche de silício (DPA) (Thorlabs, APD110A) é usada em vez da força de medição do módulo (Thorlabs, OTKBFM) quadrante detector de posição. </li><li> Ligue a APD para um osciloscópio (Tektronics, TDS1012) através de um cabo coaxial. </li><li> Adicionar uma placa de meia onda (Thorlabs, AHWP05M-980) no interior do expansor de feixe. A placa de meia onda é fixado entre dois tubos de lente (Thorlabs, SM1L03). </li></ol> 2. Nanofabricação <ol><li> Cortar uma lâmina de ouro revestido (EMF Corp, Cr / Au) em quatro partes iguais. Como uma alternativa para as lâminas disponíveis comercialmente, também utilizado um filme de 100 nm de espessura Au com uma camada de adesão 2 nm Ti depositado por deposição de feixe e para uma lâmina de vidro de 1 polegada quadrada a uma temperatura elevada do substrato de 200 ° C para a pelo menos 1 hora. Isto produz uma película policristalina lisa. </li><li> Criar uma imagem bitmap da estrutura de dupla nanohole como a entrada parao sistema de feixe de íons focalizados (FIB) é um bitmap. A imagem é constituída por dois círculos sólidos, 160 nm de diâmetro, com um centro à distância centro de 190 nm. Este modelo cria uma separação da ponta de cerca de 15 nm. Entre os círculos, uma linha fina opcional pode ser colocada para remover qualquer resíduo de metal entre as pontas. Figura 3a mostra um exemplo de imagem de bitmap. </li><li> Fabricar a estrutura de dupla nanohole usando um FIB (Hitachi, FB-2100) sistema de moagem. Converter o bitmap em passo 2.2 em um padrão de moagem FIB (a área escura no mapa de bits fica moído pela FIB). Use uma tensão de iões de aceleração de 40 kV, um feixe de abertura máxima de 15 um de diâmetro inferior a 60 vezes de ampliação K. Moinho 80 passa por cada dupla nanohole com um tempo de dosagem de 5 mseg em cada passagem. Figura 3b mostra uma típica estrutura resultante. Repita se necessário. Nano buracos apresentaram múltiplas devem ser feitas de maneira a permitir a erros. </li><li> Adicionar os marcadores de registo, quer utilizando o FIB e / ou por he para indicar a localização aproximada do duplo nanohole (s). </li><li> Opcionalmente, dar uma imagem SEM dos buracos para avaliar com precisão a qualidade e estrutura de ponta separação. </li></ol> 3. Microfluídicos Câmara Um diagrama de fluxo do processo para a fabricação da câmara de microfluidos é mostrado na Figura 4. <ol><li> Deitar 10 g de polidimetilsiloxano (PDMS) base (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Base de Silicone Elastomer) e um adicional de 1 g de agente de cura (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Silicone Agente de Cura Elastomer) em um copo descartável. Mistura-se durante alguns minutos. </li><li> Evacuar mistura na câmara de vácuo até que todas as bolhas se foram. </li><li> Despeje 1,5 g de PDMS em um prato centímetros de diâmetro 9 Petri. Spin-coat PDMS na parte inferior da placa de Petri de 950 rpm por 65 segundos Figura. 4b mostra o resultado. A espessura não é crítica, desde que ele esteja sob 80 um, a película de ouro está dentro da parte inferior do microscópio objetividadedistância de trabalho e de. </li><li> Suavemente lugar 3-5 # 1.5 lamelas (Fisher Scientific, 12-541-B) sobre o PDMS tal que não se sobreponham e evacuar durante 30 min, como mostrado na Figura 4c. </li><li> Se lamelas movido e empilhados uns em cima dos outros durante a evacuação, gentilmente movê-los um do outro. O cuidado deve ser tomado como manter PDMS sob lamínulas fina e uniforme. </li><li> Se a manipulação de lamelas era necessário, evacuar placa de Petri de novo durante 30 min. </li><li> Remover placa de Petri de câmara de vácuo e cozinhar em placa quente durante 20 minutos a 85 ° C. </li><li> Usando uma lâmina de barbear, cortar um da tampa desliza suavemente, em seguida levante o slide usando uma pinça de ponta fina. Uma fina camada de PDMS permanecerá na lamela como PDMS é mais adesivo à lamela de vidro do que a placa de Petri PMMA como na Figura 4e. </li><li> Cortar uma janela 3 x 3 mm na PDMS com uma lâmina de barbear, como no Figura 4F. Esta janela irá formar a câmara onde o nsolução anoparticle serão mantidos. </li></ol> 4. Preparação da Amostra <ol><li> Fabricar uma lâmina de microscópio com um orifício com diâmetro de ¾ &quot;no centro utilizando acrílico. Isto pode ser conseguido com um cortador a laser. Outros materiais podem ser usados ​​também. A amostra de ouro será colocado no interior do furo. </li><li> Circunferência fita do furo com fita dupla face. Use uma lâmina de barbear para cortar a fita em excesso. </li><li> Colocar a lâmina do microscópio para a lamela, PDMS enfrentar. </li><li> Dilui-se a solução de nanoesferas de poliestireno (Thermo Scientific, 3020A) de 1% w / v e 0,05% w / v usando água desionizada. A micropipeta pode ser usado. </li><li> Adicionar algumas gotas de solução na janela de PDMS. Adicionar uma gota sobre a amostra de ouro onde os nano buracos apresentaram estão localizados. </li><li> Lugar amostra de ouro sobre lamelas de tal modo que os nano buracos apresentaram estão dentro da janela de PDMS. Fazer bolhas certeza não estão presentes no interior da câmara. Pressione amostra de ouro contra lamela e dab qualquer excesso de solução. </li><li> Se, utilizando uma objectiva de imersão em óleo (como é o caso aqui, mas não necessária), adicionar uma gota de óleo de imersão sobre o lado oposto da lamela, por baixo da janela de PDMS. Tome nota da localização das nano buracos apresentaram. </li><li> Insira lâmina de microscópio em suporte de slides, o óleo para baixo, e depois titular inferior slide até óleo de imersão faz contato com a objetiva do microscópio. </li><li> Cerca de alinhar fase de slides de tal forma que marcas indicador estão sob o objetivo. </li><li> Siga linhas indicadoras que antecederam os nano buracos apresentaram. Slides posição tal que marcas indicadoras e outras áreas abertas são apuradas a partir do centro da tela. Transmissão de luz em excesso pode prejudicar a APD. </li><li> Ligue laser. À medida que o espelho dicróico não é perfeito, um ponto perto do centro da tela a partir do feixe de laser deve ser exibida. </li><li> Usando o software de controle de fase piezo, refinar ainda mais o alinhamento em todos os três eixos. </li></ol> 5. Aquisição de Dados <ol><li> Com o help das marcas indicadoras de posição, o local próximo de uma localização nanohole conhecido. Os nano buracos apresentaram será pequeno demais para ser resolvido e deve aparecer somente como manchas. </li><li> A transmissão de luz através da amostra é indicado pelo nível de sinal no osciloscópio. Prosseguir o alinhamento da amostra, tal como para maximizar a transmissão de luz. Tenha cuidado com marcas indicadoras e arranhões visíveis e não-visíveis como a transmissão de luz será elevado nessas áreas. Nano buracos apresentaram mostrará mudanças súbitas da transmissão de luz enquanto arranhões apresentam mudanças mais graduais. </li><li> Usando o waveplate, ajustar a polarização da luz para a maior transmissão de luz como a estrutura de dupla nanohole é polarizada. </li><li> Para minimizar o ruído, construir um filtro RC com a breadboard, 200 e 100 kW resistor capacitor pF e conectá-lo após a APD através de um cabo coaxial. Estes valores podem ser ajustados para obter o melhor desempenho, considerando a largura de banda de aquisição de dados necessária. </li><li> Ligue osciloscópio e dados acervoition módulo (Omega, USB-4711A) para o filtro RC com cabos coaxiais e adaptador T. </li><li> Amostrar a voltagem de APD, utilizando o módulo de aquisição de dados para o tempo desejado. Tempos de aquisição são geralmente na ordem das centenas de segundos. Neste caso, um pacote de software personalizado foi utilizado para a aquisição de dados. A tensão é amostrado a 2000 vezes por segundo. </li><li> Matlab, filtrar os dados adquiridos utilizando um filtro Savitzky-Golay e traçar-lo em função do tempo em um gráfico. </li></ol>

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Produção e livre acesso a este artigo é patrocinado pela Thorlabs.

A actual configuração tem capacidades de armadilhagem eficazes devido à estrutura do nanohole. Este armadilhas nanohole ~ 10 nm escala partículas dielétricas em baixas intensidades ópticas. Armadilhas outros novos ópticos incluem ópticos antenas dipolo 11, sussurrando-gallery mode-ressonadores ópticos 12,13 e 14 guias de onda, no entanto, que normalmente operam no regime perturbativo, que é limitado pela escala ordem inversa quarto da energia necessária óptico contra partículas tamanho, ao contrário do SIBA e duplo nanohole armadilha. Formas de abertura alternativos também têm sido apresentados para a captura, tal como um nanopore plasmonic rectangular 15. Outras qualidades favoráveis ​​apresentadas pela armadilha de duplo nanohole incluem o comportamento de tamanho de partícula selectivo 7, um local de retenção único (para limitar multi-partículas trapping) e facilidade de fabricação 16. Como uma alternativa ao uso de um FIB, double-nano buracos apresentaram pode ser fabricada usando uma litografia coloidaly 6. Aprisionamento de materiais biológicos de polarizabilidade grande tamanho e incluiu bactérias 3, células vivas, 17,2,18, o vírus do mosaico do tabaco 3 e manipulação e alongamento de cadeias de ADN nas extremidades amarradas com grandes partículas dieléctricas 19, no entanto captura directa de menor amostras biológicas sem tethering permanece desafiador. Esta configuração trapping é capaz de prender pequenas partículas dielétricas em intensidades mais baixas de luz do que uma pinça de luz convencionais e nanohole circular, permitindo que pequenas partículas biológicas a ser realizada por longos períodos de tempo sem danos ou tethering. Além disso, os eventos de armadilhagem exibem uma relação sinal-para-ruído de alto permitindo esta configurado para trabalhar como um sensor sensível e detectar as menores partículas biológicas, tais como vírus e proteínas. De facto, 20 esferas de poliestireno nm tem um índice de refracção de 1,59, que é comparável com as menores partículas biológicascomo vírus. Este método poderia tornar-se uma técnica confiável e maduro para a imobilização e manipulação de nanopartículas, incluindo partículas biológicas. Aplicações desta técnica incluem a integração em um ambiente de microfluídica. Em vez de uma única câmara de microfluidos, um canal seriam usados ​​para controlar dinamicamente o ambiente ideal para a detecção de índice de refracção. Tal configuração seria definido em um único chip microfluídico levando a uma configuração mais estável e robusto e mais rápido de análise de solutos. Outra opção é o desenvolvimento de um sistema de detecção de fluorescência para a caracterização de um único fluorescente etiquetados vírus, pontos quânticos de semicondutores e verde proteínas fluorescentes. Esta configuração também tem potencial para a modificação em um biossensor para um único vírus ou proteína, permitindo amostras muito pequenas para serem analisados. A descoberta da droga 21 e a detecção de doenças e infecções 22 beneficiariam de um detector de proteína única. Raman SPEctroscopy podem ser incorporados para a detecção de sinais de Raman de partículas individuais e eventos de ligação. A estrutura em dupla-nanohole permite fortes melhorias de campo locais nas pontas, apropriadas para a ponta melhorada, espectroscopia Raman 23. Um método altamente específico etiqueta livre de caracterização dos materiais também seria possível utilizando espectroscopia de Raman 24.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome </td><td> Fabricante </td><td> Número de série </td><td> Comentários </td></tr><tr><td> Óleo de imersão </td><td> Cargille Labs </td><td> 16484 </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Sylgard 184 Kit de elastômero de silicone </td><td> Dow Corning Canadá </td><td></td><td> Quantidade: 1 Contém tanto a base eo agente de cura PDMS </td></tr><tr><td> Ouro revestidas lâminas </td><td> EMF Corp </td><td> Cr / Au </td><td> Quantidade: 1 Uma camada de adesão Ti pode ser usado como bem </td></tr><tr><td> Não 1,5 Lamelas </td><td> Fisher Scientific </td><td> 12-541 B- </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Focada-Ion Sistema Boca </td><td> Hitachi </td><td> FB-2100 </td><td></td></tr><tr><td> Módulo de Aquisição de Dados Portátil </td><td> Omega Engineering </td><td> USB-4711A </td><td> Quantity: 1 </td></tr><tr><td> Estágio linear </td><td> Parker </td><td> 4034M </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Cabeça laser de diodo e Controlador </td><td> Sacher Lasertechnik Grupo </td><td> TEC 120 </td><td> Quantidade: 1 Manual de Tunable Littrow Laser System </td></tr><tr><td> Osciloscópio Digital </td><td> Tektronics </td><td> TDS1012 </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Padrões de tamanho de 20 nm Nanosphere </td><td> Thermo Scientific </td><td> 3020A </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> 1 &quot;Montagem de Lente </td><td> Thorlabs </td><td> LMR1 </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> 0,3 metro Lens &quot; </td><td> Thorlabs </td><td> <a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=SM1L03" target="_blank">SM1L03</a> </td><td> Quantidade: 2 </td></tr><tr><td> Absorção ND 4,0 Filtro </td><td> Thorlabs </td><td> NE40A </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Alumínio Breadboard </td><td> Thorlabs </td><td> MB1824 </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Avalanche Photodiode </td><td> Thorlabs </td><td> APD110A </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Medidor de energia digital óptica </td><td> Thorlabs </td><td> PM100 </td><td> Quantidade: 1 Obsoletos, outros farão </td></tr><tr><td> Força Módulo de Medição </td><td> Thorlabs </td><td> OTKBFM </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Cinemática Espelho Monte </td><td> Thorlabs </td><td> KM200-E03 </td><td> Quantidade: 1 Com quase espelho da qualidade IR Laser </td></tr><tr><td> Diode Laser driver de corrente constante </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255R </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> LD1255 Placa Tabela Optical Montagem </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255P </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Montado placa de meia onda acromática </td><td> Thorlabs </td><td> AHWP05M-980 </td><td> Quantidade: 1 690 - 1200 nm </td></tr><tr><td> Kit pinça óptica </td><td> Thorlabs </td><td> OTKB / M </td><td> Quantidade: 1 Métrica ou Imperial </td></tr><tr><td> Publicar Base de Suporte </td><td> Thorlabs </td><td> BA2 </td><td> Quantidade: 2 </td></tr><tr><td> Fonte de Alimentação </td><td> Thorlabs </td><td> PS-12DC-EUA </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Cabo de Alimentação </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255-CAB </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Placa de ângulo direito </td><td> Thorlabs </td><td> AP90 </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Grampo Mensagem ângulo direito </td><td> Thorlabs </td><td> RA90 </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Mensagem de aço inoxidável óptico </td><td> Thorlabs </td><td> TR3 </td><td> Quantidade: 1 </td></tr><tr><td> Grampo tabela </td><td> Thorlabs </td><td> CL1 </td><td> Quantidade: 2 Obsoletos, outros farão </td></tr><tr><td> Sensor térmico </td><td> Thorlabs </td><td> PM210 </td><td> Quantidade: 1 Para medidor de potência óptica digital </td></tr><tr><td> 100 Capacitor pF </td><td></td><td></td><td> Quantidade: 1 Qualquer marca, não crítica </td></tr><tr><td> 200 Resistor KOhm </td><td></td><td></td><td> Quantidade: 1 Qualquer marca, não crítica </td></tr><tr><td> Chapa acrílica </td><td></td><td></td><td> Quantidade: 3 &quot;x 1&quot; Qualquer marca, não crítica </td></tr><tr><td> Variedade de cabos coaxiais, fios e conectores </td><td></td><td></td><td> Conforme necessário </td></tr><tr><td> Breadboard </td><td></td><td></td><td> Quantidade: 1 Qualquer marca, não crítica </td></tr><tr><td> Lente côncava </td><td></td><td></td><td> Quantidade: 1 Qualquer marca, não crítica </td></tr><tr><td> Lapidador </td><td></td><td></td><td> Quantidade: 1 Qualquer marca, não crítica </td></tr><tr><td> Fita dupla face </td><td></td><td></td><td> Qualquer marca, não crítica </td></tr><tr><td> Gilete </td><td></td><td></td><td> Quantidade: 1 Qualquer marca, não crítica </td></tr><tr><td> Pinça </td><td></td><td></td><td> Quantidade: 1 Qualquer marca, de ponta fina </td></tr></tbody></table>

optical trapping of nanoparticles

Captura óptica é uma técnica de imobilização e manipular pequenos objetos de uma maneira suave utilizando a luz, e que tem sido amplamente aplicado na captura e manipulação de pequenas partículas biológicas. Ashkin e colegas de trabalho demonstrou pela primeira vez pinças ópticas usando um único feixe focalizado 1. A armadilha único feixe pode ser descrito com precisão usando a formulação força perturbativa gradiente no caso de pequenas partículas de regime de Rayleigh 1. No regime perturbativa, a potência óptica requerida para capturar uma balança de partículas como a potência inversa quarto do tamanho de partícula. Altas potências ópticas podem danificar as partículas dielétricas e causar aquecimento. Por exemplo, esferas de látex de 109 presos nm de diâmetro foram destruídos por um feixe mW 15 em 25 seg 1, que tem sérias implicações para a matéria biológica 2,3. A auto-indução de volta a ação-trapping (SIBA) óptico foi proposto para prender 50 esferas de poliestireno nm nonão-perturbativa regime 4. Em um regime não-perturbativa, mesmo uma partícula pequena com pouco contraste permissividade para o fundo pode influenciar significativamente o campo eletromagnético do ambiente e induzir uma grande força óptica. Como uma partícula entra uma abertura iluminada, a transmissão de luz aumenta drasticamente devido à carga de dielétrico. Se a partícula tenta sair da abertura, a transmissão diminuída provoca uma alteração na dinâmica para o exterior a partir do furo e, por Terceira Lei de Newton, resulta em uma força sobre as partículas para o interior no orifício, prendendo a partícula. A transmissão da luz pode ser monitorada, daí, a armadilha pode ser um sensor. A técnica de captura SIBA pode ser ainda mais melhorado através da utilização de uma estrutura de duplo nanohole. A estrutura de dupla nanohole foi mostrado para dar um aumento do campo local forte 5,6. Entre as duas pontas afiadas da dupla nanohole, uma partícula pequena pode causar uma grande alteração na óptica transmission, induzindo assim uma grande força óptico. Como resultado, as nanopartículas podem ser interceptados mais pequenos, tais como esferas de silicato de 12 nm 3,4 nm 7 e hidrodinâmicos raio proteínas de albumina de soro bovino 8. Neste trabalho, a configuração experimental utilizado para a captura de nanopartículas é delineada. Em primeiro lugar, nós detalhe da montagem da instalação aprisionamento que se baseia em um Kit Pinça Thorlabs óptico. Em seguida, explicar o procedimento nanofabricação da dupla nanohole em um filme de metal, a fabricação da câmara de micro e a preparação da amostra. Por fim, detalhe o procedimento de aquisição de dados e fornecer os resultados típicos para capturar 20 nanoesferas de poliestireno nm.

<html> Um rastreio de aquisição típico é mostrado na Figura 5a. Um evento de captura é caracteristicamente brusca, com uma borda afiada, mostrando uma mudança clara entre dois níveis de potência de transmissão. Como as partículas estão sujeitas ao movimento browniano, os eventos de aprisionamento irá ocorrer aleatoriamente. Para 20 partículas nm, mudanças de transmissão de armadilhas eram normalmente em torno de 5-10% e tempos de armadilhas, em torno de 10-300 seg. O tempo típico para realizar um evento de aprisionamento para a alimentação e concentração acima apresentado é da ordem de um minuto. Devido ao impedimento estérico é incomum ver captura de partículas múltiplas simultaneamente, embora uma vez uma partícula é liberada, é tipicamente seguido por um evento posterior captura. Consoante a qualidade dos resultados obtidos, pode haver algum aumento do ruído de sinal no estado de presa. Este aumento do ruído vem do movimento browniano das partículas aprisionado. Sem a partícula presa, esta fonte de ruído não está presente. <html> _content &quot;&gt; Alguns artefactos podem apresentar-se nos resultados que não são indicativos de eventos de armadilhagem. Resultados deriva, que mostram mudanças lentas na transmissão ao longo de um período de minutos, como mostrado na figura 5b, deve ser descartada. Outros artefactos podem também estar presentes, tais como mudanças de transmissão inconsistentes, barulho excessivo ou nenhuma retenção de todo. Por exemplo, pode fazer com que as bolhas de intensidade saltos descontínuos, se não for tomado cuidado para assegurar que a câmara seja livre de bolhas. Estas bolhas respondem de forma diferente aos acontecimentos de armadilhagem em termos de dinâmica mudança de comportamento e intensidade, e por isso eles são facilmente identificáveis. Tais sintomas podem ser causados ​​por uma estrutura de dupla nanohole pobres, contaminantes ou vibrações mecânicas. num ambiente calmo, de baixa atividade é altamente recomendado para colocar esta configuração. Além disso, permitindo a laser e fase para resolver alguns minutos após o alinhamento pode ajudar também. s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg &quot;/&gt; Figura 1 transmissão subwavelength abertura óptica: a) Sem partículas, b) transmissão aumentada, devido à partícula dieléctrico; c) Se as tentativas para deixar de partículas, a diminuição do impulso de luz (AT) fará com que uma força (F) sobre a partícula como a. puxá-lo para trás para dentro do buraco, d) Red-deslocamento da curva de transmissão causados ​​pela partícula, conduzindo à alteração do AT transmissão. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig2.jpg" /> . Figura 2 uma representação esquemática) Total de aprisionamento de configuração, o alargamento do círculo vermelho é mostrado em b), b) mostra o alargamento duplo nanohole, e as nanoesferas dentro da câmara de PDMS, c) imagem SEM da estrutura de dupla nanohole. Siglas utilizadas: LD = diodo laser; ODF = densidade óptica filtro; HWP = placa de meia onda; BE = expansor de feixe; MR = espelho; MO = objetiva do microscópio; OI MO = óleo immerobjetivo Sion microscópio; DH = duplo nanohole, APD = avalanche fotodetector. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig3.jpg" /> Figura 3 a) Exemplo figura bitmap usado na fabricação FIB;. B) Uma imagem SEM de uma dupla nanohole. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig4.jpg" /> Figura 4. Diagrama de processo para a fabricação da câmara de microfluidos. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig5.jpg" /> Figura 5. (A) aquisição típica de prender eventos com 20 esferas de poliestireno nm. (B) A aquisição pobre mostrando deriva aguda.

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Optical Trapping of Nanoparticles

Os detalhes de instalação a seguir abordagem armadilhas de baixa potência óptica do dielétrico nanopartículas usando um duplo-nanohole no filme de metal.

Captura óptica de nanopartículas

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

22.3K visualizações.  University of Victoria. Os detalhes de instalação a seguir abordagem armadilhas de baixa potência óptica do dielétrico nanopartículas usando um duplo-nanohole no filme de metal.

Vídeo: Optical Trapping of Nanoparticles

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.

Silício policristalino de película fina de células solares com plasmonic avançada Luz-caça com armadilhas

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

Engenharia

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.

Construção de um microscópio de alta resolução com recursos de captura óptica convencional e holográfico

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.

Utilização de Nanoestruturas Cristal plasmônicos e Fotônica para Manipulação de Micro-e Nanopartículas melhorada

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

Bioengenharia

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.

Analisando o movimento da Nauplius &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Por Optical Rastreamento de plasmônicos Nanopartículas

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica

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

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.

Armadilha óptica carregamento de dielétrico micropartículas no ar

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.

Plasmonic captura e liberação de nanopartículas em um ambiente de Monitoramento

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.

Construção e operação de um sistema de Motor controlado por luz ouro Nanorod Rotary

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

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical lattice consists of an array of nanostructures, which exhibit a variety of trapping and transport behaviors. We report the experimental procedures to trap micro-particles in a simple square nanoplasmonic optical lattice. We also describe the optical setup and the nanofabrication of a nanoplasmonic array. The optical potential is created by illuminating an array of gold nanodiscs with a Gaussian beam of 980 nm wavelength, and exciting plasmon resonance. The motion of particles is monitored by fluorescence imaging. A scheme to suppress photothermal convection is also described to increase usable optical power for optimal trapping. Suppression of convection is achieved by cooling the sample to a low temperature, and utilizing the near-zero thermal expansion coefficient of a water medium. Both single particle transport and multiple particle trapping are reported here.

We describe a procedure to optically trap micro-particles in nanoplasmonic optical lattice.

Captura de Micro partículas em Lattice ótico Nanoplasmonic

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

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric field of metallic nanostructures. Salt-induced silver nanoparticle aggregation is the most popular method for generating SERS-active substrates; however, it is limited by poor reproducibility, stability, and biocompatibility. The present protocol integrates optical manipulation and SERS detection to develop an efficient analytical platform to address this. A 1064 nm trapping laser and a 532 nm Raman probe laser are combined in a microscope to assemble silver nanoparticles, which generate plasmonic hotspots for in situ SERS measurements in aqueous environments. Without aggregating agents, this dynamic plasmonic silver nanoparticle assembly enables an approximately 50-fold enhancement of the analyte molecule signal. Moreover, it provides spatial and temporal control to form the SERS-active assembly in as low as 0.05 nM analyte-coated silver nanoparticle solution, which minimizes the potential perturbation for in vivo analysis. Hence, this optical trapping-integrated SERS platform holds great potential for efficient, reproducible, and stable molecular analyses in liquids, especially in aqueous physiological environments.

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

The present protocol describes a convenient approach to integrating optical trapping and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to manipulate plasmonic nanoparticles for sensitive molecular detection. Without aggregating agents, the trapping laser assembles plasmonic nanoparticles to enhance the SERS signals of target analytes for in situ spectroscopic measurements.

Captura óptica de nanopartículas plasmônicas para caracterizações de espectroscopia raman aprimoradas na superfície de Situ

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