JP4148340B2 - Method and apparatus for producing nano-sized structure - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶液中の単一極微粒子を捕捉し、基板に固定するナノサイズ構造体の製造方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
マイクロエレクトロニクス、マイクロマシン、マイクロファブリケーション、マイクロケミストリー等の分野において、微小物体を捕捉、制御、分析、加工する研究が盛んであり、その微小物体の大きさはマイクロサイズからナノサイズへと進んでいる。ナノサイズの微小物体としては、金属微粒子、高分子、細胞内小器官、DNA等がある。
【0003】
また、微小物体の捕捉方法として、レーザー光を微小物体に照射し、発生する光の放射圧を利用して微粒子を捕捉する方法が知られている。特に、本願発明者等により、微粒子を捕捉、操作する光マニピュレータ装置が開発されている〔例えば、文献1:マイクロ化学 増原極微変換プロジェクト(1993)、文献2:生産と技術 第51巻 第4号 pp59−62(1999)、文献3:東レリサーチセンター THE TRC NEWS No.62(1998)に開示されている〕。
【0004】
この光の放射圧により微粒子を捕捉する方法においては、光を消すと粒子は元のランダム運動になるため、粒子を分析、加工するためには粒子を固定する必要がある。
【0005】
また、本願発明者等によって、高分子基板上に、数ミクロンサイズの高分子を接着固定する方法が提案されている〔例えば、特開平11−277269号に開示されている〕。
【0006】
さらに、本願発明者等による、複数個のナノ粒子の配列・固定方法の発表がある〔例えば、文献4:第61回応用物理学会学術講演会(2000.9.3)〕。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の微粒子の捕捉・固定方法においては、捕捉できる微粒子の大きさの下限はせいぜい数百nmまでであり、それ以下の大きさの微粒子を単一で捕捉固定した例はない。これは、このサイズの微粒子が顕微鏡で観察できず、見えないため、捕捉・固定されたことの実証ができないからである。
【0008】
本発明は、上記状況に鑑みて、数nmから数百nmオーダーの微粒子を単一で捕捉してさらに固定する、ナノサイズ構造体の製造方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕ナノサイズ構造体の製造方法において、基板及び微粒子には吸収されない波長を有する第1のレーザー光を、溶液中に分散された数ナノメートルから数百ナノメートルのサイズである金微粒子に集光照射してこの微粒子を捕捉し、前記捕捉された金微粒子を顕微鏡の3次元ステージを動かすことによりガラス基板表面の所定位置に移動させ、前記微粒子に吸収される、355nmの波長を有する第3のレーザー光を、前記捕捉された金微粒子にパルスフルエンスが約32mJ/cm 2 〜60mJ/cm 2 で集光照射し、該金微粒子を溶解して前記ガラス基板に接着固定し、He−Neレーザーからなる第2のレーザー光を照射し散乱光を生じさせ前記金微粒子が捕捉され、前記ガラス基板に接着固定されていることを確認することを特徴とする。
【0010】
〕上記〔1〕記載のナノサイズ構造体の製造方法において、前記微粒子として80nmの金微粒子を水に2.2×109 個/ml程度に分散させ、散乱光で確認し、1064nmのYAGレーザーで捕捉・配列させることを特徴とする。
【0011】
〔3〕ナノサイズ構造体の製造装置において、連続波−Nd3+:YAGレーザーからなる第1のレーザーと、He−Neレーザーからなる第2のレーザーと、Qスイッチ−Nd3+:YAGレーザーからなる355nmの波長を有する第3のレーザーと、ハロゲンランプからなる照明用光源と、数ナノメートルから数百ナノメートルのサイズである金微粒子を分散させた液体試料と、この液体試料が搭載されるガラス基板と、このガラス基板を所定位置に移動させる顕微鏡の3次元ステージと、CCDカメラとを備え、前記第1のレーザー光を、溶液中に分散された前記微粒子に集光照射して該微粒子を捕捉する手段と、前記第3のレーザー光を前記捕捉された微粒子にパルスフルエンスが約32mJ/cm2 〜60mJ/cm2 で集光照射して、該微粒子を溶解し前記ガラス基板に接着固定する手段と、前記第2のレーザー光を照射し散乱光を生じさせ前記金微粒子が捕捉され、前記ガラス基板に接着固定されていることを確認する前記CCDカメラとを具備することを特徴とする。
【0012】
このように本発明によれば、光重合剤を用いずに、金属微粒子を捕捉し、金属微粒子と基板の境界面に第のレーザー光を照射し、を溶解して基板に接着固定する。80nmの金粒子を水に109 個/ml程度に分散させ、第2のレーザー光を照射し散乱光を生じさせこの散乱光で金微粒子が捕捉されていることを確認し1064nmのYAGレーザーで捕捉・配列させ、第3のレーザー光である第3高調波の355nmの短パルス光で固定する。超微粒子単一での分析による物質解明のみならず、超微粒子の配列・組立による新規な構造体作製が期待できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明の実施例を示す光マニピュレーションおよび光固定化システムの模式図である。
【0015】
この実施例では集光レーザービームによる溶液中の金微粒子のマニピュレーションと固定化について説明する。つまり、金微粒子を常温、溶液中で、ガラス基板上に固定する方法を説明する。
【0016】
この図において、1はCW(連続発振)−Nd3+:YAGレーザー(第1のレーザー:波長1064nm、Spectron Laser Systems,SL−902T)、2,8,18はミラー、3はHe−Neレーザー(第2のレーザー)、4,9,11はダイクロイックミラー、5,7,10,12はレンズ、6はQスイッチ−Nd3+:YAGレーザー(第3のレーザー:波長355nm、Nd3+:YAGレーザー(Spectron Laser Systems,SL−282G、パルス幅は約6ns、繰り返しは約5Hz)、13は金属微粒子が分散した液体試料(サンプル)、14はガラス基板、15は顕微鏡の3次元ステージ、16はCCDカメラ、17は照明用ハロゲンランプである。
【0017】
この実施例では、80nm径の単一金微粒子が存在するサンプル13を第1のレーザー1からの波長1064nmのレーザービームAで捕捉し、ガラス基板14表面に移動させる。次に、第3のレーザー6からの波長355nmのパルス光Cを金微粒子に照射した結果、パルス強度が約45mJ/cm2 で、金微粒子を以前と同じ大きさでガラス基板14上に固定することができた。パルスエネルギーが約160mJ/cm2 のときは、分解(fragmentation)が起こり、金微粒子は、約10〜40nmサイズの数個の小粒子に粉砕される。固定化のメカニズムを、過渡的温度上昇の観点から説明する。
【0018】
ナノ微粒子は、単一原子と、バルクとの中間に位置し、そのサイズ由来の様々な興味深い特徴を示す。例えば、数十ナノメートルの金微粒子は、表面プラズモン共鳴の結果、可視領域において顕著な吸収帯を持つ。多くの場合、研究の対象は、多数のナノ微粒子の集合である。しかしながら、各ナノ微粒子はそれぞれ、異なる大きさ、欠陥、形状を有しており、ナノ微粒子の集合を測定するだけでは平均化された情報しか得ることができない。
【0019】
従って、現在、個々のナノメートルサイズの物質の特性を調べることは、物理学、化学、生物学の分野で最も重要であり、また難しい分野である。特に、室温で、溶液中の個々のナノ微粒子を認識し、操作、固定化することは、将来の科学技術にとって非常に有用であると期待される。
【0020】
小さな領域で小物体を扱うには、レーザーマニピュレーションは非常に有効な方法である。レーザーマニピュレーションは、室温で、光学的顕微鏡を用いることにより、溶液中の微細粒子を捕捉、操作(マニピュレーション)し、認識し、加工し、組み立てることを可能にする。
【0021】
これまで多くの研究の焦点は、ポリマーラテックス、クリスタル、生体細胞といったマイクロメートルサイズの対象物であり、ナノメートルサイズの対象物はほとんど研究されていなかった。ナノメートルサイズの対象物は原理的に光学顕微鏡で見ることができず、確認することが難しいからである。しかし実際にはレーザーマニピュレーションは、ナノメートルサイズの粒子の操作も可能である。
【0022】
まず、最初の試みとして、光重合により、ガラス基板上に光学的に集められパターン化されたナノ微粒子を固定する方法をすでに提案している。
【0023】
本発明は、室温においてガラス基板上に単一金微粒子を固定する方法である。
【0024】
(1)まず、単一の80nm径のナノ金微粒子をガラス基板14上に捕捉、マニピュレートする。
【0025】
(2)次に、パルス化したレーザー光をナノ微粒子に照射し、ガラス基板14上に固定化する。この方法の利点は、金属微粒子を接着剤を用いずに固定できるところにある。
【0026】
以下、図1を参照しながら、詳細に説明する。
【0027】
試料として、金微粒子(British BioCell,EM.GC80,〜80nm径)をエチレングリコールに分散させる。捕捉には、第1のレーザー1からの波長1064nmのガウシアンビームAを用い、光学顕微鏡(Nikon,Optiphoto 2)の対物レンズ〔×100、開口数(NA)=1.30〕12を通してサンプル(試料溶液)13中に集光させた。
【0028】
次に、第3のレーザー6の第3高調波(波長:355nm)を用いて金微粒子を固定した。捕捉用レーザー光強度及び固定化用レーザー光強度であるP1064、P355 は、すでに発表した方法で決定した。金属微粒子が分散した液体試料13中のマニピュレーション、固定化の手順は、顕微鏡に取り付けた電荷結合素子(CCD)カメラ16でモニターした。
【0029】
上記した方法により、単一の80nm径の金微粒子を、3次元的に、P1064は約36mWで安定して捕捉することができる。屈折率があまりにも大きいために、照明光を照射すると、微粒子により光が散乱され、光学顕微鏡では、図2に示すように、影のように観察され、微粒子が捕捉されていることが確認できる。
【0030】
また、前記微粒子に別途、第2のレーザー光Bを照射し散乱光を生じさせることによっても、微粒子の存在が確認できる。
【0031】
捕捉した金微粒子は、顕微鏡の3次元ステージ15を動かすことにより、ガラス基板14表面の所定位置に移動させる。この顕微鏡の3次元ステージ15は手動で動作させるが、その最小ステップは約1μmである。
【0032】
さらに、捕捉レーザー光と同じポイントに集光させた、第3のレーザー6からの355nmパルス光Cを照射し、捕捉したナノ微粒子をガラス基板14上に固定化する。
【0033】
次に、ガラス基板14を蒸留水で洗浄し、金属微粒子が分散した液体試料13を分離し、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡(AFM)で観察した。金微粒子の濃度は、固定化の過程で2つ以上のナノ微粒子が捕捉されないように調節した。本実験では、約2.2×109 粒子/mlが最適条件であった。
【0034】
次に、固定化用レーザー強度の依存性を調べるために、一連の固定化実験を行った。実験を通して、固定化レーザーパルスの照射時間を約5sに保持した。355nmレーザーパルスは目に見えず、顕微鏡の3次元ステージ15の機械振動により基板位置が縦方向に変動するために、ガラス基板14上の固定化レーザーパルスのスポットサイズ(すなわちビーム強度)を決定することは大変難しいが、スポットサイズはガラス基板に蛍光インクを塗布し、その基板からの発光を観測することで、約2μmと見積もられた。
【0035】
図3はパルスフルエンスが約16mJ/cm2 、32mJ/cm2 、60mJ/cm2 でそれぞれ固定化し、金属微粒子が分散した試料溶液13を洗い流した後の、蒸留水中のガラス基板14に残留した金微粒子を示している。
【0036】
固定化は、各パルス出力に対して5回ずつ繰り返した。その結果、
フルエンスが約16mJ/cm2 〔図3(a)参照〕の場合、ガラス基板上に金微粒子は固定できなかった。一方、フルエンスが約32mJ/cm2 および60mJ/cm2 では、3つおよび5つの金粒子が基板上に残った〔図3(b)、図3(c)参照〕。固定化した粒子は、流水に耐え得るぐらいに強力にガラス基板上に接着されていた。
【0037】
図3は、本実験条件において、金粒子を固定するための閾値が約32〜60mJ/cm2 であることを明確に示している。フルエンスが約16mJ/cm2 では、固定化手順を何度繰り返しても金粒子を固定できなかった。
【0038】
また、異なる固定化レーザー出力(フルエンスが約46mJ/cm2 、80mJ/cm2 、160mJ/cm2 )で、金微粒子を固定化した時の、原子間力顕微鏡(AFM)画像を図4に示す。
【0039】
図4(a)に示すように、フルエンスが約46mJ/cm2 では金微粒子の分裂は生じなかった。図4(d)は、分裂がフルエンスが約160mJ/cm2 で生じ、分裂後のサイズが約10から40nmであることを示している。分裂片(fragments)は200×200nmの領域に固定された。フルエンスが約80mJ/cm2 の場合、金微粒子はフルエンスが約46mJ/cm2 の場合のように、そのサイズを保ち固定されたが〔図4(b)〕、時々、パルスエネルギーおよび粒子サイズのゆらぎのために分裂を生じた〔図4(c)〕。
【0040】
こうした結果から、固定化レーザー出力を制御することにより、単一金微粒子をガラス基板上に固定するだけでなく、より小さな微粒子に分解してガラス基板上に固定することもできる。
【0041】
この結果は、金微粒子の温度上昇により説明することができる。貴金属微粒子が、レーザーパルス照射によりサイズが縮小することは、Takami et al.、Kamat et al.らによって、すでに報告されている。彼らはその文献のなかで、金微粒子にレーザーパルスが照射されると、溶解するか(低いパルスエネルギーの場合)、または数〜20nmサイズのいくつかの小さい粒子に粉砕される(高いパルスエネルギーの場合)ことを述べている。
【0042】
この実験条件では、フルエンスのオーダーは、Takami et al.のものと同等である。レーザー誘起された接着は、過渡的溶解に起因すると考えられるが、その詳細なメカニズムはまだ十分には解明されていない。しかしながら、レーザー誘起による固定法は新規であり、金属微粒子を溶液中の基板に固定させるために、大変有効な方法である。
【0043】
なお、同じマニピュレーションおよび固定化の手順を繰り返すことにより、単一のナノ微粒子をガラス基板上に配列することも可能である。
【0044】
図5は80nmの単一金微粒子を、連続して空間的に配列したAFM画像である。8つの金微粒子を、固定化用レーザーフルエンスが約45mJ/cm2 で、ガラス基板上に、約2.5μmの大きさで“I”の字形に配列した。
【0045】
このように、単一金微粒子をガラス基板上に捕捉し、マニピュレートし、固定化し、空間的に配列することができた。この技術が非常に重要であるのは、溶液中の微小物質を、常温でマニピュレートし、固定化できるということである。
【0046】
本発明のこの微小マニピュレーション−固定化技術は、将来のナノサイエンス、ナノテクノロジーにおける研究、応用両面で有用な技術となると期待される。
【0047】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0048】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、数nmから数百nmオーダーの金属微粒子を単一で捕捉し、さらに固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す光マニピュレーションおよび光固定化システムの模式図である。
【図2】 本発明の実施例のエチレングリコール中で光学的に捕捉した80nm径の単一金微粒子の光学顕微鏡像図である。
【図3】 本発明の実施例のレーザーフルエンスが、約16mJ/cm2 、32mJ/cm2 、60mJ/cm2 で固定化を行った後、蒸留水中のガラス基板上に固定化した金微粒子の光学顕微鏡像図である。
【図4】 本発明の実施例のレーザーフルエンスが、約45mJ/cm2 、80mJ/cm2 、160mJ/cm2 で固定化を行った後、空気中でガラス基板上に金微粒子を固定化したAFM像図である。
【図5】 本発明の実施例の固定化を行い、“I”字形に配列させた金微粒子のAFM像図である。
【符号の説明】
1 CW(連続波)−Nd3+:YAGレーザー(第1のレーザー:1064nmレーザービーム)
2,8,18 ミラー
3 He−Neレーザー(第2のレーザー)
4,9,11 ダイクロイックミラー
5,7,10,12 レンズ
6 Qスイッチ−Nd3+:YAGレーザー(第3のレーザー)
13 金属微粒子が分散した液体試料(サンプル)
14 ガラス基板
15 顕微鏡の3次元ステージ
16 CCDカメラ
17 照明用ハロゲンランプ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for producing a nano-sized structure that captures single ultrafine particles in a solution and fixes them to a substrate.
[0002]
[Prior art]
In the fields of microelectronics, micromachines, microfabrication, microchemistry, etc., research on capturing, controlling, analyzing, and processing minute objects has been active, and the size of these minute objects has progressed from micro to nano size. . Examples of nano-sized micro objects include fine metal particles, polymers, intracellular organelles, and DNA.
[0003]
As a method for capturing a minute object, a method is known in which a minute object is irradiated with a laser beam and fine particles are captured by using the radiation pressure of the generated light. In particular, the inventors of the present application have developed an optical manipulator device that captures and manipulates microparticles [for example, Document 1: Microchemical Intensive Microtransformation Project (1993), Document 2: Production and Technology, Vol. 51, No. 4 pp 59-62 (1999), Reference 3: Toray Research Center THE TRC NEWS No. 62 (1998)].
[0004]
In this method of capturing fine particles by the radiation pressure of light, when the light is extinguished, the particles become the original random motion. Therefore, in order to analyze and process the particles, it is necessary to fix the particles.
[0005]
Further, the inventors of the present application have proposed a method of bonding and fixing a polymer having a size of several microns on a polymer substrate [for example, disclosed in JP-A-11-277269].
[0006]
Furthermore, the inventors of the present application have published a method for arranging and fixing a plurality of nanoparticles [for example, Document 4: The 61st Japan Society of Applied Physics (2000.9.3)].
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional method for capturing and fixing fine particles, the lower limit of the size of fine particles that can be captured is at most several hundred nm, and there is no example in which fine particles having a size smaller than that are captured and fixed alone. This is because the microparticles of this size cannot be observed with a microscope and cannot be seen, so that it cannot be proved that they have been captured and fixed.
[0008]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a method for producing a nano-sized structure and an apparatus for the same that capture and further fix gold fine particles on the order of several nm to several hundred nm.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In the method for producing a nano-sized structure, gold fine particles having a size of several nanometers to several hundred nanometers dispersed in a solution with a first laser beam having a wavelength that is not absorbed by the substrate and the gold fine particles The gold fine particles are captured by being focused and irradiated, and the captured gold fine particles are moved to a predetermined position on the surface of the glass substrate by moving a three-dimensional stage of a microscope, and are absorbed by the gold fine particles at a wavelength of 355 nm. a third laser beam having, the captured gold particles to the pulse fluence is condensed and irradiated at about 32mJ / cm 2 ~60mJ / cm 2 , the adhesive is fixed to the glass substrate by dissolving the gold fine particles, He-Ne second the gold particles caused by irradiating light scattered laser light comprising laser is captured, it confirmed that it is bonded to the glass substrate child The features.
[0010]
[ 2 ] In the method for producing a nano-sized structure according to [1], gold fine particles of 80 nm are dispersed in water at about 2.2 × 10 9 particles / ml as the gold fine particles, and confirmed with scattered light to obtain 1064 nm. It is characterized by being captured and arranged with a YAG laser.
[0011]
[3] In a nano-sized structure manufacturing apparatus, a first laser composed of a continuous wave-Nd 3+ : YAG laser, a second laser composed of a He—Ne laser, and a Q switch—Nd 3+ : YAG laser A third laser having a wavelength of 355 nm, an illumination light source including a halogen lamp, a liquid sample in which gold fine particles having a size of several nanometers to several hundred nanometers are dispersed, and the liquid sample are mounted. A glass substrate, a three-dimensional stage of a microscope that moves the glass substrate to a predetermined position, and a CCD camera, and the first laser beam is focused and applied to the gold fine particles dispersed in the solution. means for capturing the gold fine particles, the pulse fluence of the third laser light to the captured gold particles condensing from about 32mJ / cm 2 ~60mJ / cm 2 And irradiating, and means for fixedly bonded to the glass substrate by dissolving the gold particles, the gold particles cause scattered light irradiating the second laser light is captured, and is bonded to the glass substrate And the CCD camera for confirming this.
[0012]
According to the present invention, the adhesive without using a photopolymerization agent, the metallic fine particles captured, the third laser beam is irradiated to the boundary surface of the fine metal particles and the substrate, by dissolving the gold substrate Fix it. Disperse 80 nm gold particles in water at about 10 9 particles / ml , irradiate a second laser beam to generate scattered light, confirm that the gold fine particles are captured by this scattered light, and use a 1064 nm YAG laser. The laser beam is captured and arranged, and fixed with a third pulse of 355 nm short pulse light that is the third laser light . In addition to the elucidation of substances by analysis with a single ultrafine particle, it is expected to produce a new structure by arranging and assembling ultrafine particles.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0014]
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical manipulation and optical immobilization system showing an embodiment of the present invention.
[0015]
In this embodiment, the manipulation and fixation of gold fine particles in a solution by a focused laser beam will be described. That is, a method for fixing gold fine particles on a glass substrate at room temperature and in a solution will be described.
[0016]
In this figure, 1 is a CW (continuous oscillation) -Nd 3+ : YAG laser (first laser: wavelength 1064 nm, Spectron Laser Systems, SL-902T), 2, 8 and 18 are mirrors, and 3 is a He-Ne laser. (Second laser), 4, 9 and 11 are dichroic mirrors, 5, 7, 10 and 12 are lenses, 6 is a Q switch-Nd 3+ : YAG laser (third laser: wavelength 355 nm, Nd 3+ : YAG laser (Spectron Laser Systems, SL-282G, pulse width is about 6 ns, repetition is about 5 Hz), 13 is a liquid sample (sample) in which fine metal particles are dispersed, 14 is a glass substrate, 15 is a three-dimensional stage of a microscope, 16 Is a CCD camera, and 17 is a halogen lamp for illumination.
[0017]
In this embodiment, the sample 13 in which single gold fine particles having a diameter of 80 nm are captured by the laser beam A having a wavelength of 1064 nm from the first laser 1 and moved to the surface of the glass substrate 14. Next, as a result of irradiating the gold fine particles with pulsed light C having a wavelength of 355 nm from the third laser 6, the pulse intensity is about 45 mJ / cm 2 and the gold fine particles are fixed on the glass substrate 14 with the same size as before. I was able to. When the pulse energy is about 160 mJ / cm 2 , fragmentation occurs, and the gold fine particles are pulverized into several small particles having a size of about 10 to 40 nm. The immobilization mechanism will be explained from the viewpoint of transient temperature rise.
[0018]
Nanoparticles are located between single atoms and bulk and exhibit various interesting features derived from their size. For example, fine gold particles of several tens of nanometers have a remarkable absorption band in the visible region as a result of surface plasmon resonance. In many cases, the object of research is an assembly of a large number of nanoparticles. However, each nanoparticle has a different size, defect, and shape, and only averaged information can be obtained simply by measuring a set of nanoparticles.
[0019]
Therefore, investigating the properties of individual nanometer-sized materials is currently the most important and difficult field in the fields of physics, chemistry and biology. In particular, it is expected that recognizing, manipulating, and immobilizing individual nanoparticles in a solution at room temperature will be very useful for future science and technology.
[0020]
Laser manipulation is a very effective way to handle small objects in a small area. Laser manipulation makes it possible to capture, manipulate, recognize, process and assemble fine particles in solution by using an optical microscope at room temperature.
[0021]
Until now, much research has focused on micrometer-sized objects such as polymer latex, crystals, and living cells, and nanometer-sized objects have rarely been studied. This is because nanometer-sized objects cannot be viewed with an optical microscope in principle and are difficult to confirm. In practice, however, laser manipulation can handle nanometer-sized particles.
[0022]
First, as a first attempt, a method for fixing optically collected and patterned nanoparticles on a glass substrate by photopolymerization has already been proposed.
[0023]
The present invention is a method for fixing single gold fine particles on a glass substrate at room temperature.
[0024]
(1) First, single 80 nm diameter nano gold fine particles are captured and manipulated on the glass substrate 14.
[0025]
(2) Next, the pulsed laser beam is irradiated onto the nano-particles and fixed on the glass substrate 14. The advantage of this method is that the metal fine particles can be fixed without using an adhesive.
[0026]
Hereinafter, it will be described in detail with reference to FIG.
[0027]
As a sample, gold fine particles (British BioCell, EM.GC80, diameter of 80 nm) are dispersed in ethylene glycol. For capturing, a Gaussian beam A having a wavelength of 1064 nm from the first laser 1 is used, and a sample (sample 100) is passed through an objective lens [× 100, numerical aperture (NA) = 1.30] 12 of an optical microscope (Nikon, Optiphoto 2). The solution was condensed in 13).
[0028]
Next, the gold fine particles were fixed using the third harmonic (wavelength: 355 nm) of the third laser 6. P 1064 and P 355 , which are the intensity of the capturing laser beam and the intensity of the fixing laser beam, were determined by the methods already announced. The manipulation and immobilization procedures in the liquid sample 13 in which the metal fine particles were dispersed were monitored by a charge coupled device (CCD) camera 16 attached to the microscope.
[0029]
By the above-described method, single 80 nm diameter gold fine particles can be stably captured three-dimensionally with P 1064 of about 36 mW. Since the refractive index is too large, when illuminated with illumination light, the light is scattered by the fine particles, and as shown in FIG. 2, it is observed as a shadow in the optical microscope, and it can be confirmed that the fine particles are captured. .
[0030]
The presence of fine particles can also be confirmed by separately irradiating the fine particles with a second laser beam B to generate scattered light.
[0031]
The captured gold fine particles are moved to a predetermined position on the surface of the glass substrate 14 by moving the three-dimensional stage 15 of the microscope. The three-dimensional stage 15 of this microscope is manually operated, and its minimum step is about 1 μm.
[0032]
Further, the 355 nm pulsed light C from the third laser 6 condensed at the same point as the captured laser beam is irradiated, and the captured nanoparticles are immobilized on the glass substrate 14.
[0033]
Next, the glass substrate 14 was washed with distilled water, and the liquid sample 13 in which the metal fine particles were dispersed was separated and observed with an optical microscope and an atomic force microscope (AFM). The concentration of the gold fine particles was adjusted so that two or more nanoparticles were not captured during the immobilization process. In this experiment, about 2.2 × 10 9 particles / ml was the optimum condition.
[0034]
Next, a series of immobilization experiments were conducted in order to examine the dependency of the immobilization laser intensity. Throughout the experiment, the irradiation time of the immobilized laser pulse was maintained at about 5 s. Since the 355 nm laser pulse is not visible and the substrate position fluctuates in the vertical direction due to the mechanical vibration of the three-dimensional stage 15 of the microscope, the spot size (ie, beam intensity) of the immobilized laser pulse on the glass substrate 14 is determined. Although it is very difficult, the spot size was estimated to be about 2 μm by applying fluorescent ink to a glass substrate and observing light emission from the substrate.
[0035]
FIG. 3 shows that the gold remaining on the glass substrate 14 in distilled water after the sample solution 13 in which the metal fine particles were dispersed was washed out by immobilizing the pulse fluence at about 16 mJ / cm 2 , 32 mJ / cm 2 , and 60 mJ / cm 2. Fine particles are shown.
[0036]
Immobilization was repeated 5 times for each pulse output. as a result,
When the fluence was about 16 mJ / cm 2 [see FIG. 3A], the gold fine particles could not be fixed on the glass substrate. On the other hand, when the fluence was about 32 mJ / cm 2 and 60 mJ / cm 2 , 3 and 5 gold particles remained on the substrate (see FIGS. 3B and 3C). The immobilized particles were strongly adhered to the glass substrate to withstand running water.
[0037]
FIG. 3 clearly shows that the threshold for fixing gold particles is about 32 to 60 mJ / cm 2 under the experimental conditions. When the fluence was about 16 mJ / cm 2 , the gold particles could not be fixed no matter how many times the immobilization procedure was repeated.
[0038]
Further, indicated by different immobilization laser power (fluence of about 46mJ / cm 2, 80mJ / cm 2, 160mJ / cm 2), when immobilized gold particles, atomic force microscope (AFM) image in Figure 4 .
[0039]
As shown in FIG. 4A, when the fluence was about 46 mJ / cm 2 , the gold fine particles were not split. FIG. 4 (d) shows that the splitting occurs at a fluence of about 160 mJ / cm 2 and the post-split size is about 10 to 40 nm. Fragments were fixed in the 200 × 200 nm region. When the fluence was about 80 mJ / cm 2 , the gold fine particles were fixed while maintaining their size as in the case where the fluence was about 46 mJ / cm 2 [FIG. 4 (b)]. Splitting occurred due to fluctuations (FIG. 4 (c)).
[0040]
From these results, by controlling the immobilization laser output, not only the single gold fine particles are fixed on the glass substrate but also decomposed into smaller fine particles and fixed on the glass substrate.
[0041]
This result can be explained by the temperature increase of the gold fine particles. The fact that noble metal fine particles are reduced in size by laser pulse irradiation is described in Takami et al. Kamat et al. Have already been reported. In their literature, when gold particles are irradiated with a laser pulse, they dissolve (in the case of low pulse energy) or are pulverized into several small particles of several to 20 nm size (with high pulse energy). If) states that.
[0042]
Under these experimental conditions, the order of fluence is Takami et al. Is equivalent to Laser-induced adhesion is thought to be due to transient dissolution, but the detailed mechanism has not been fully elucidated. However, the laser-induced fixing method is novel and is a very effective method for fixing metal fine particles to a substrate in a solution.
[0043]
In addition, it is also possible to arrange a single nanoparticle on a glass substrate by repeating the same manipulation and immobilization procedure.
[0044]
FIG. 5 is an AFM image in which single gold fine particles of 80 nm are continuously and spatially arranged. Eight gold fine particles were arranged in an “I” shape with a size of about 2.5 μm on a glass substrate with an immobilizing laser fluence of about 45 mJ / cm 2 .
[0045]
Thus, single gold particles could be captured on a glass substrate, manipulated, immobilized and spatially arranged. This technique is very important in that minute substances in a solution can be manipulated and immobilized at room temperature.
[0046]
This micromanipulation-immobilization technology of the present invention is expected to be a useful technology for both future nanoscience, research and application in nanotechnology.
[0047]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0048]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, metal fine particles of the order of several nanometers to several hundred nanometers can be captured singly and further fixed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an optical manipulation and optical fixation system showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an optical microscopic image of 80 nm diameter single gold fine particles optically captured in ethylene glycol according to an example of the present invention.
FIG. 3 shows an example of gold fine particles fixed on a glass substrate in distilled water after the laser fluence of an embodiment of the present invention was fixed at about 16 mJ / cm 2 , 32 mJ / cm 2 , and 60 mJ / cm 2 . It is an optical microscope image figure.
Example of laser fluence of the present invention; FIG is, after fixed at about 45mJ / cm 2, 80mJ / cm 2, 160mJ / cm 2, was immobilized gold particles on a glass substrate in air It is an AFM image figure.
FIG. 5 is an AFM image view of gold fine particles arranged in an “I” shape after immobilization of an example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 CW (continuous wave) -Nd 3+ : YAG laser (first laser: 1064 nm laser beam)
2,8,18 mirror 3 He-Ne laser (second laser)
4,9,11 Dichroic mirror 5,7,10,12 Lens 6 Q switch -Nd 3+ : YAG laser (third laser)
13 Liquid sample in which fine metal particles are dispersed (sample)
14 Glass substrate 15 3D stage of microscope 16 CCD camera 17 Halogen lamp for illumination

Claims (3)

(a)基板及び微粒子には吸収されない波長を有する第1のレーザー光を、溶液中に分散された数ナノメートルから数百ナノメートルのサイズである金微粒子に集光照射して該微粒子を捕捉し、
(b)前記捕捉された金微粒子を顕微鏡の3次元ステージを動かすことによりガラス基板表面の所定位置に移動させ、
(c)前記微粒子に吸収される、355nmの波長を有する第3のレーザー光を、前記捕捉された金微粒子にパルスフルエンスが約32mJ/cm 2 〜60mJ/cm 2 で集光照射し、該金微粒子を溶解して前記ガラス基板に接着固定し、
(d)He−Neレーザーからなる第2のレーザー光を照射し散乱光を生じさせ前記金微粒子が捕捉され、前記ガラス基板に接着固定されていることを確認することを特徴とするナノサイズ構造体の製造方法。
(A) a first laser beam, converging and irradiating to the gold fine gold particles of a size of a few hundred nanometers from a few nanometers, which is dispersed in a solution having a substrate and a wavelength that is not absorbed by the gold particles Capture
(B) moving the captured gold fine particles to a predetermined position on the surface of the glass substrate by moving a three-dimensional stage of a microscope;
(C) absorbed to the gold fine particles, a third laser beam having a wavelength of 355 nm, pulse fluence is condensed and irradiated at about 32mJ / cm 2 ~60mJ / cm 2 to the captured gold particles, the was dissolved gold particles adhered and fixed on the glass substrate,
(D) A nano-size structure characterized by irradiating a second laser beam composed of a He—Ne laser to generate scattered light, and confirming that the gold fine particles are captured and fixed to the glass substrate. Body manufacturing method.
請求項1記載のナノサイズ構造体の製造方法において、前記微粒子として80nmの金微粒子を水に2.2×109 個/ml程度に分散させ、散乱光で確認し、1064nmのYAGレーザーで捕捉・配列させることを特徴とするナノサイズ構造体の製造方法。The manufacturing method of claim 1 nanosize structure according, the 80nm gold particles as the gold fine particles are dispersed in 2.2 × 10 about 9 cells / ml in water, it was confirmed by the scattered light, with YAG laser 1064nm A method for producing a nano-sized structure characterized by capturing and arranging. (a)連続波−Nd3+:YAGレーザーからなる第1のレーザーと、
(b)He−Neレーザーからなる第2のレーザーと、
(c)Qスイッチ−Nd3+:YAGレーザーからなる355nmの波長を有する第3のレーザーと、
(d)ハロゲンランプからなる照明用光源と、
(e)数ナノメートルから数百ナノメートルのサイズである金微粒子を分散させた液体試料と、
(f)該液体試料が搭載されるガラス基板と、
(g)該ガラス基板を所定位置に移動させる顕微鏡の3次元ステージと、
(h)CCDカメラとを備え、
(i)前記第1のレーザー光を、溶液中に分散された前記微粒子に集光照射して該微粒子を捕捉する手段と、
(j)前記第3のレーザー光を前記捕捉された微粒子にパルスフルエンスが約32mJ/cm2 〜60mJ/cm2 で集光照射して、該微粒子を溶解し前記ガラス基板に接着固定する手段と
(k)前記第2のレーザー光を照射し散乱光を生じさせ前記金微粒子が捕捉され、前記ガラス基板に接着固定されていることを確認する前記CCDカメラとを具備することを特徴とするナノサイズ構造体の製造装置。
(A) a continuous wave-Nd 3+ : first laser comprising a YAG laser;
(B) a second laser comprising a He-Ne laser;
(C) a third laser having a wavelength of 355 nm comprising a Q-switch-Nd 3+ : YAG laser;
(D) an illumination light source comprising a halogen lamp;
(E) a liquid sample in which gold fine particles having a size of several nanometers to several hundred nanometers are dispersed;
(F) a glass substrate on which the liquid sample is mounted;
(G) a three-dimensional stage of a microscope that moves the glass substrate to a predetermined position;
(H) a CCD camera;
(I) said first laser beam, means for the gold fine particles are dispersed in the solution by irradiation condenser captures the gold fine particles,
(J) said third pulse fluence on the captured gold particles laser light is irradiated condensing at about 32mJ / cm 2 ~60mJ / cm 2 , is bonded to the glass substrate by dissolving the gold particles Means ,
(K) The nano camera comprising: the CCD camera that irradiates the second laser light to generate scattered light, and the gold fine particles are captured and confirmed to be bonded and fixed to the glass substrate. Size structure manufacturing equipment.
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