Utnyttjande av Plasmoniska och fotoniska kristaller nanostrukturer för förbättrade mikro-och nanopartiklar Manipulation

1. Slumpmässiga Au nanopartiklar Array Fabrication ^8,10,12,14

1. Au nanopartiklar arrayen bildas genom att först skapa en mall som är gjord av ett tätt skikt av slumpmässigt adsorberat latex kulor med en genomsnittlig diameter på 454 nm. Detta uppnås genom att först avdunsta guld på ett glas täckglas till en tjocklek på 20 nm med krom som vidhäftning lager.
2. Den polystyren sfären cellslager är sedan själv ihop genom att exponera det guld-belagda substrat för en blandning av 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl) carbodiimide hydroklorid (EDC), latex sfären fjädring och avjoniserat vatten.
3. Adsorptionen process får pågå i ungefär en timme och den icke-absorberade sfärer spolas bort med mycket vatten.
4. Den bildade cellslager får lufttorka.
5. Slutligen är ytterligare 20 nm guld avdunstat på latex sfären cellslager att bilda slumpmässiga samling guld nanopartiklar.
6. Om ett SEM är tillgänglig kan den AuNP rad ses inom ramen för SEM att se ut som Figur 1 och ett diagram över processen visas i figur 8.

2. Biologiska Provberedning ^9,11

1. Provberedning för optiskt fånga musen cellkärnor visas nu.
2. 3T3 Mus cellkärnan taggade med akridinorange färg erhölls från Tewari gruppen vid Fred Hutchinson Cancer Research Center.
3. 10% bovint serumalbumin (BSA) i fosfatbuffrad saltlösning (PBS) läggs till musen cellkärnorna i en koncentration av ca 1: 10 (BSA: Mus cellkärnor). BSA bidrar till att förhindra kärnor fastnar på underlaget.
4. Blanda lösning med sonication.
5. 5 ul av vår lösning är deponeras på aluminium galler array täckglas. Det är bättre att utföra detta steg med aluminium galler på mikroskop scenen så att du inte behöver transportera provet efter det att lösningen har deponerats.
6. Två buntar med två 1 "av en" täckglas används till att stödja 1 / 5 täckglas genom vilket provet ses.
7. Placera provet i mikroskop för visning.

3. Metod för att fånga

1. Den optiska pincetten är konstruerade genom att skicka en 35 mW helium-neon laser genom en Zeiss Axio Imager.D1M utrustad med en GFP 17 filter som som är modifierad för att tillåta 633 nm laserstrålning att nå provet.
2. En Zeiss LD EG Epiplan - NEOFLUAR 50x objektiv används för att bilden av cellkärnorna som är ca 5 mikrometer i diameter.
3. Efter provet placeras under mål, fokusera mikroskopet på guld nanopartiklar matris eller diffraktionsgitter.
4. Översätt mikroskop vertikalt tills skärpan är på kärnorna som du önskar att fälla.
5. Placera lasern fälla plats över partikel och partikeln bör då behålla sin position i laserpunkt även när scenen är översatt.

4. Representativa resultat:

Den slumpmässiga guld nanopartiklar rad förfaranden bör deponera ett monolager av AuNP det är kan ses i ett SEM att se ut som Figur 1. Fångsten kraft som skapas av dessa plasmoniska pincett kan 10-20 gånger den kraft som genereras av vanlig optisk pincett. Den lägsta intensitet som krävs av plasmoniska pincett för att uppnå partikel inneslutning visas för partiklar av olika storlek i Figur 4. ^9,10 Diffraktionsgittret uppnås anpassning och fångst med 20 gånger högre fånga effektivitet än guldet nanodots och kunde uppnå fånga med så liten som 17 uw / um ² (Figur 7). ¹¹

Figur 1 ¹⁰ (a) SEM av egna sammansatta guld nanopartiklar. Diametern på individuella guld nanopartiklar är ca 450 nm. (B) NSOM bild av plasmoniska substrat där nanopartiklar distributionen är gles, visar närområdet strålning. Den våglängd excitation laser är 633 nm. (C) Hög förstoring bild av området märkt med den röda kvadraten i (b). (D) Scattering effektiviteten spektrum plasmoniska substratet, visar topp på 624 nm. (E) absorptionseffektivitet spektrum plasmoniska substratet, visar topp på 668 nm.

Figur 2 ¹³ (a) Au nanospheres slumpmässigt fördelade på ett 2D-domän 1 x 1 mm ^2. Varje blå prick representerar mitten av NanoSphere (a = 60 nm). Scattering fältet distributioner på observation plan som är parallella med slumpmässiga NanoSphere samling visas i (b) - (e). Den NanoSphere array är jämnt upplyst av en plan våg vid våglängden 540 nm. Brytningsindex för omgivande medium är 1,33. Den Polarization riktning pekar plan våg längs X-axeln (horisontell i (a)). Omfattningen av händelsen elektriska fältet antas vara 1 i beräkningen. Separationen mellan observation planet och NanoSphere arrayen är definierad som h. b) h = en. c) h = 2a. d) h = λ. e) h = 2λ.

Figur 3 ⁹ Schematisk av kundanpassade fluorescensmikroskop konfiguration inklusive en förbi excitation filter och en utbytt dikroiska balk-splitter. Detta är den konfiguration som används för samtidig fånga och fluorescens avbildning.

Figur 4 ¹⁰ Den minsta laser intensitet för att bibehålla den fälla som funktion av flödet av omgivande vätska utnyttja plasmoniska svällning. Alla optiska intensiteter värderas till provet planet under mikroskop målet. (A) - (f) visar mätresultaten för ensamstående polystyren kulor med diameter 7,3, 6,3 (icke-sfäriska), 5,0, 3,9, 2,5 och 1,1 ìm, respektive. Den inläggningar visar motsvarande mikroskopiska bilder av partiklar. Skalan barer i alla bilder som representerar 5 mikrometer i längd.

Figur 5 ¹⁰ Lutningen av den anpassade linjen genom ursprung i bild. 4 kontra partikelstorlek för plasmoniska svällning. Felet Staplarna visar standardavvikelserna för den linjära passar. Lutningen av den anpassade linjen (förhållandet mellan den optiska intensiteten tröskeln och flöde) i bild. 4 har ungefär linjärt förhållande med partikelstorlek som visas i denna figur, som visar fördelen med plasmoniska fånga speciellt för mindre partiklar.

Figur 6 ¹¹ (a) Schematisk bild av förbättrad optisk fånga använder 1-D periodiska nanostrukturer. Den infallande strålen är brytas av periodiska nanostruktur vid Far Field. (B) Intensiteten ljusfördelning med två ortogonala statens kulturråd nanostruktur vid Far Field. (B) Intensiteten ljusfördelning med två ortogonala statens kulturråd på ytan av en aluminium galler med en 417 nm period erhålls med FDTD simuleringar. Fördelningen är normaliserat till intensiteten på en plan aluminium yta. (C) och (d) Fångst potential för partiklar direkt ovanför gallret yta kontra placeringen av partikeln för (c) en 350 nm polystyren pärla och (d) en 1 mm polystyren pärla. De vita cirklarna visar storleken på de partiklar. Inläggningar visa fånga potentiella ovanför en plan aluminiumyta för samma partikelstorlek som jämförelser. Värdena är normaliserade för varje partikelstorlek. För alla FDTD simulering siffror synfältet är 10 x 8 ìm ^2.

Figur 7 ¹¹ (a) Trap effektivitet och minimal svällning intensitet mätt för polystyren pärlor i olika storlekar med bredd polarisering vinkelrätt mot gallret linjer. Infällda bilden visar fällan asymmetri i svällning effektivitet för att översätta en 3,87 um polystyren pärla vinkelrätt och parallellt med reglerna i gallret. Den heldragna linjen (stor asymmetri) erhålls med infallande ljuset polariserat vinkelrätt mot gallret och streckad linje (liten asymmetri) erhålls med infallande ljuset polariserat parallellt med gallret. Enheten är i (PN [mW / ìm ^{2] -1).} (B) - (d) Fångst demonstration av ett fluorescerande 590 nm polystyren pärla. Den röda cirkeln anger position laserpunkt som laserljuset var för svag att se. Vid första partikeln är instängd inom platsen vid högre effekt, eftersom strömmen är sänkte Brownsk rörelse av partiklar övervinner fångst kraft, vilket gör att partikeln att fly. (E) - (g) Fångst demonstration av ett fluorescerande äggstockscancer cellkärna. Den minsta intensitet som krävs för att inleda fångst var 16 μW / ìm ² erhålls genom ett 20x objektiv.

Figur 8 ¹⁴ Tillverkning förfarande av den gemensamma jordbrukspolitiken-formade guld nanopartiklar: a) avdunstning av Cr och Au tunt skikt på glaset täckglas. b) Exponering av polystyren sfären fjädring och adsorption av sfärer i 1 timme. c) undanröjande av icke-adsorberat polystyren kulor och torkning av ytan. d) Avdunstning av ytterligare ett lager av Au ovanpå mallen sfärer. e) Schematisk av cap-formade Au nanopartiklar array, där Au bara täcker ovansidan av mallen sfärer.

Betydelsen av dessa fångstmetoder är att de minskar den optiska intensiteten nödvändiga för en hållbar fångst från någonstans i storleksordningen 10 ³ μW / ìm ² till någonstans i storleksordningen 10 μW / ìm ^{2. 10,11} Begränsningarna för dessa tekniker är att guldet nanopartiklar rad upplevelser värme problem som måste övervinnas. För att lösa detta problem kan en 2D fotoniska kristaller struktur som består av ett dielektriskt material användas. En sådan struktur kan teoretiskt producera svällning vid låg optisk intensitet och kontroll mikro-och nano-partiklar rotation och position i ett precist sätt genom att styra in polarisering. Gallret ger figurerna 6 och 7 visar att detta stämmer för 1D fallet. Nästa steg skulle vara att skapa en 2D fotoniska kristaller och visa en fotoniska kristaller pincett array som skulle underlätta många biologiska forskningsansökningar.