Abstract

We have developed a new technique for rapid microfabrication that uses electrophoretically delivered particles and an optical trap. The material particles, micrometer- and nanometer-sized polystyrene beads in aqueous solution, are continuously delivered to an optical trap by means of the electrophoretic effect inside glass capillaries or similar microstructures. The optical trap is used to manipulate and deposit the polystyrene beads onto a substrate. The continuous, on-demand delivery of particles allows for microfabrication in two and three dimensions with high speed and high efficiency and without material waste. This new technique has many potential applications in microelectronics and biotechnology.

© 2003 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. H. Miyajima and M. Mehregany, J. Microelectromech. Syst. 4, 220 (1995).
    [CrossRef]
  3. R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. S. H. Xu, Y. M. Li, L. R. Lou, H. T. Chen, and Z. W. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 166 (2002).
    [CrossRef]
  5. J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom, and A. van Blaaderen, Appl. Phys. Lett. 80, 4828 (2002).
    [CrossRef]
  6. D. J. Odde and M. J. Renn, Trends Biotechnol. 17, 385 (1999).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970).
    [CrossRef]
  8. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and S. Chu, Opt. Lett. 11, 288 (1986).
    [CrossRef]
  9. R. M. Simmons, J. T. Finer, S. Chu, and J. A. Spudich, Biophys. J. 70, 1813 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. J. E. Molloy, Methods Cell Biol. 55, 205 (1998).
    [CrossRef]
  11. R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
    [CrossRef]
  12. P. C. Mogensen and J. Glückstad, Opt. Commun. 175, 75 (2000).
    [CrossRef]
  13. R. L. Eriksen, P. C. Mogensen, and J. Glückstad, Opt. Lett. 27, 267 (2002).
    [CrossRef]
  14. E. R. Dufresne, G. C. Spalding, M. T. Dearing, S. A. Sheets, and D. G. Grier, Rev. Sci. Instrum. 72, 1810 (2001).
    [CrossRef]
  15. J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier, Opt. Commun. 207, 169 (2002).
    [CrossRef]
  16. C. S. Ozkan, E. Ata, M. Ozkan, and S. C. Esener, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 657, EE5.2.1 (2001).

2002 (5)

S. H. Xu, Y. M. Li, L. R. Lou, H. T. Chen, and Z. W. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 166 (2002).
[CrossRef]

J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom, and A. van Blaaderen, Appl. Phys. Lett. 80, 4828 (2002).
[CrossRef]

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier, Opt. Commun. 207, 169 (2002).
[CrossRef]

R. L. Eriksen, P. C. Mogensen, and J. Glückstad, Opt. Lett. 27, 267 (2002).
[CrossRef]

2001 (2)

C. S. Ozkan, E. Ata, M. Ozkan, and S. C. Esener, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 657, EE5.2.1 (2001).

E. R. Dufresne, G. C. Spalding, M. T. Dearing, S. A. Sheets, and D. G. Grier, Rev. Sci. Instrum. 72, 1810 (2001).
[CrossRef]

2000 (3)

P. C. Mogensen and J. Glückstad, Opt. Commun. 175, 75 (2000).
[CrossRef]

P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (1)

D. J. Odde and M. J. Renn, Trends Biotechnol. 17, 385 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

1998 (1)

J. E. Molloy, Methods Cell Biol. 55, 205 (1998).
[CrossRef]

1996 (1)

R. M. Simmons, J. T. Finer, S. Chu, and J. A. Spudich, Biophys. J. 70, 1813 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

1995 (1)

H. Miyajima and M. Mehregany, J. Microelectromech. Syst. 4, 220 (1995).
[CrossRef]

1986 (1)

1970 (1)

A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970).
[CrossRef]

Ashkin, A.

Ata, E.

C. S. Ozkan, E. Ata, M. Ozkan, and S. C. Esener, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 657, EE5.2.1 (2001).

Birkbeck, A. L.

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

Bjorkholm, J. E.

Chen, C. Y.

R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Chen, H. T.

S. H. Xu, Y. M. Li, L. R. Lou, H. T. Chen, and Z. W. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 166 (2002).
[CrossRef]

Chu, S.

R. M. Simmons, J. T. Finer, S. Chu, and J. A. Spudich, Biophys. J. 70, 1813 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and S. Chu, Opt. Lett. 11, 288 (1986).
[CrossRef]

Curtis, J. E.

J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier, Opt. Commun. 207, 169 (2002).
[CrossRef]

Dearing, M. T.

E. R. Dufresne, G. C. Spalding, M. T. Dearing, S. A. Sheets, and D. G. Grier, Rev. Sci. Instrum. 72, 1810 (2001).
[CrossRef]

Dogterom, M.

J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom, and A. van Blaaderen, Appl. Phys. Lett. 80, 4828 (2002).
[CrossRef]

Dufresne, E. R.

E. R. Dufresne, G. C. Spalding, M. T. Dearing, S. A. Sheets, and D. G. Grier, Rev. Sci. Instrum. 72, 1810 (2001).
[CrossRef]

Dziedzic, J. M.

Eriksen, R. L.

Esener, S. C.

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

C. S. Ozkan, E. Ata, M. Ozkan, and S. C. Esener, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 657, EE5.2.1 (2001).

Faivre-Moskalenko, C.

J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom, and A. van Blaaderen, Appl. Phys. Lett. 80, 4828 (2002).
[CrossRef]

Finer, J. T.

R. M. Simmons, J. T. Finer, S. Chu, and J. A. Spudich, Biophys. J. 70, 1813 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Flynn, R. A.

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

Glückstad, J.

Grier, D. G.

J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier, Opt. Commun. 207, 169 (2002).
[CrossRef]

E. R. Dufresne, G. C. Spalding, M. T. Dearing, S. A. Sheets, and D. G. Grier, Rev. Sci. Instrum. 72, 1810 (2001).
[CrossRef]

Gross, M.

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

Holmlin, R. E.

R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hoogenboom, J. P.

J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom, and A. van Blaaderen, Appl. Phys. Lett. 80, 4828 (2002).
[CrossRef]

Ismagilov, R. F.

P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Kenis, P. J.

P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Koss, B. A.

J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier, Opt. Commun. 207, 169 (2002).
[CrossRef]

Li, S. L.

P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Li, Y. M.

S. H. Xu, Y. M. Li, L. R. Lou, H. T. Chen, and Z. W. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 166 (2002).
[CrossRef]

Lou, L. R.

S. H. Xu, Y. M. Li, L. R. Lou, H. T. Chen, and Z. W. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 166 (2002).
[CrossRef]

Mehregany, M.

H. Miyajima and M. Mehregany, J. Microelectromech. Syst. 4, 220 (1995).
[CrossRef]

Miyajima, H.

H. Miyajima and M. Mehregany, J. Microelectromech. Syst. 4, 220 (1995).
[CrossRef]

Mogensen, P. C.

Molloy, J. E.

J. E. Molloy, Methods Cell Biol. 55, 205 (1998).
[CrossRef]

Odde, D. J.

D. J. Odde and M. J. Renn, Trends Biotechnol. 17, 385 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Ozkan, C. S.

C. S. Ozkan, E. Ata, M. Ozkan, and S. C. Esener, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 657, EE5.2.1 (2001).

Ozkan, M.

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

C. S. Ozkan, E. Ata, M. Ozkan, and S. C. Esener, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 657, EE5.2.1 (2001).

Prentiss, M. G.

R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Renn, M. J.

D. J. Odde and M. J. Renn, Trends Biotechnol. 17, 385 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Schiavoni, M.

R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Shao, B.

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

Sheets, S. A.

E. R. Dufresne, G. C. Spalding, M. T. Dearing, S. A. Sheets, and D. G. Grier, Rev. Sci. Instrum. 72, 1810 (2001).
[CrossRef]

Simmons, R. M.

R. M. Simmons, J. T. Finer, S. Chu, and J. A. Spudich, Biophys. J. 70, 1813 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Smith, S. P.

R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Spalding, G. C.

E. R. Dufresne, G. C. Spalding, M. T. Dearing, S. A. Sheets, and D. G. Grier, Rev. Sci. Instrum. 72, 1810 (2001).
[CrossRef]

Spudich, J. A.

R. M. Simmons, J. T. Finer, S. Chu, and J. A. Spudich, Biophys. J. 70, 1813 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Sun, Z. W.

S. H. Xu, Y. M. Li, L. R. Lou, H. T. Chen, and Z. W. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 166 (2002).
[CrossRef]

Takayama, S.

P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

van Blaaderen, A.

J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom, and A. van Blaaderen, Appl. Phys. Lett. 80, 4828 (2002).
[CrossRef]

Vossen, D. L. J.

J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom, and A. van Blaaderen, Appl. Phys. Lett. 80, 4828 (2002).
[CrossRef]

Wang, M. M.

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

White, H. S.

P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Whitesides, G. M.

P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Xu, S. H.

S. H. Xu, Y. M. Li, L. R. Lou, H. T. Chen, and Z. W. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 166 (2002).
[CrossRef]

Acc. Chem. Res. (1)

P. J. Kenis, R. F. Ismagilov, S. Takayama, G. M. Whitesides, S. L. Li, and H. S. White, Acc. Chem. Res. 33, 841 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Angew. Chem. Int. Ed. Engl. (1)

R. E. Holmlin, M. Schiavoni, C. Y. Chen, S. P. Smith, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39, 3503 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Appl. Phys. Lett. (1)

J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom, and A. van Blaaderen, Appl. Phys. Lett. 80, 4828 (2002).
[CrossRef]

Biophys. J. (1)

R. M. Simmons, J. T. Finer, S. Chu, and J. A. Spudich, Biophys. J. 70, 1813 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

J. Microelectromech. Syst. (1)

H. Miyajima and M. Mehregany, J. Microelectromech. Syst. 4, 220 (1995).
[CrossRef]

Jpn. J. Appl. Phys. (1)

S. H. Xu, Y. M. Li, L. R. Lou, H. T. Chen, and Z. W. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 166 (2002).
[CrossRef]

Mater. Res. Soc. Symp. Proc. (1)

C. S. Ozkan, E. Ata, M. Ozkan, and S. C. Esener, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 657, EE5.2.1 (2001).

Methods Cell Biol. (1)

J. E. Molloy, Methods Cell Biol. 55, 205 (1998).
[CrossRef]

Opt. Commun. (2)

P. C. Mogensen and J. Glückstad, Opt. Commun. 175, 75 (2000).
[CrossRef]

J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier, Opt. Commun. 207, 169 (2002).
[CrossRef]

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. Lett. (1)

A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

E. R. Dufresne, G. C. Spalding, M. T. Dearing, S. A. Sheets, and D. G. Grier, Rev. Sci. Instrum. 72, 1810 (2001).
[CrossRef]

Sens. Actuators B (1)

R. A. Flynn, A. L. Birkbeck, M. Gross, M. Ozkan, B. Shao, M. M. Wang, and S. C. Esener, Sens. Actuators B 87, 239 (2002).
[CrossRef]

Trends Biotechnol. (1)

D. J. Odde and M. J. Renn, Trends Biotechnol. 17, 385 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic diagram of the optical trap–electrophoresis system used for rapid microfabrication inside capillaries: M, mirror.

Fig. 2
Fig. 2

This pattern was built from 5-mm-diameter polystyrene beads inside a 100 mm×100 mm square-bore glass capillary.

Fig. 3
Fig. 3

This Y pattern was fabricated with 2µm polystyrene particles inside a 100 µm×100 µm square-bore glass capillary. Only the first bottom particle was attached to the inside surface of the capillary. The angle between the plane of the Y pattern and the capillary surface was 45°. The four pictures shown here correspond to different focal positions.

Fig. 4
Fig. 4

This X pattern was fabricated with 200-nm-sized fluorescent microspheres inside a 100 µm×100 µm square-bore glass capillary. The pattern was located on the inside surface near the objective. The fluorescent particles were excited with a 532-nm Nd:YAG laser.

Metrics