مقالة منهجية

الاستفادة من النانو كريستال Plasmonic والضوئية لتعزيز التلاعب الصغرى ، والجسيمات النانوية

DOI:

10.3791/3390

⸱

سبتمبر 27, 2011

 ,  ,  , 
1Electrical Engineering Department, University of Washington, 2Division of Human Biology, Fred Hutchinson Cancer Research Center , 3Molecular and Cellular Biology Program, University of Washington, 4Clinical Research, Fred Hutchinson Cancer Research Center , 5Public Health Sciences, Fred Hutchinson Cancer Research Center

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وترد وملاقط Plasmonic النانو الكريستال الضوئية لإنتاج تحسينات مفيدة في السيطرة والتوجيه من الكفاءة محاصرة بصريا المتناهية الصغر ومتناهية الصغر.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

إن وجود طريقة للتلاعب بموضع وتوجه الجسيمات دون الميكرونية بشكل غير إتلافي سيمثل أداة مفيدة للغاية في الأبحاث البيولوجية الأساسية. وربما كانت القوة الفيزيائية الأكثر استخداماً لتحقيق التلاعب غير الاجتياحي بالجسيمات الصغيرة هي الرحلان الكهربائي العازل (DEP).1 ومع ذلك، يفتقر الـ DEP بمفرده إلى المرونة والدقة المنشودتين عند التلاعب بالخلايا، نظراً لأنه يتم تقليدياً باستخدام أقطاب كهربائية ثابتة. وتحقق الملاقط الضوئية، التي تستخدم تدرج مجال كهرومغناطيسي ثلاثي الأبعاد لتسليط قوى على الجسيمات الصغيرة، هذه المرونة والدقة المطلوبة.2 غير أن العيب الرئيسي لهذا النهج هو شدة الإشعاع العالية المطلوبة لتحقيق القوة اللازمة لاحتجاز الجسيم، وهو ما قد يؤدي إلى تلف العينات البيولوجية.3 وهناك حل يسمح بالاحتجاز والفرز بشدات ضوئية أقل وهو الملاقط الإلكترونية الضوئية (OET)، ولكن الملاقط الإلكترونية الضوئية تعاني من قيود في التلاعب الدقيق بالجسيمات الصغيرة؛ كما أن كونها تقنية تعتمد على الـ DEP يفرض قيوداً على خصائص المحلول.4,5

سوف تصف هذه المقالة المرئية طريقتين لتقليل شدة الإشعاع المطلوبة للمناولة البصرية للخلايا الحية، كما ستصف طريقة للتحكم في التوجيه. الطريقة الأولى هي الملاقط البلازمونية التي تستخدم مصفوفة عشوائية من جسيمات الذهب النانوية (AuNP) كركيزة للعينة كما هو موضح في الشكل 1. تقوم مصفوفة AuNP بتحويل الفوتونات الساقطة إلى بلازمونات سطحية موضعية (LSP) تتكون من عزم ثنائي قطب رنيني يشع ويولد مجال إشعاع نمطي ذا تدرج كبير في محلول الخلايا. وقد أظهرت الأعمال الأولية حول الاحتجاز المعزز بالبلازمونات السطحية بواسطة Righini وآخرين، بالإضافة إلى النمذجة التي أجريناها، أن المجالات الناتجة عن الركيزة البلازمونية تقلل من الشدة الأولية المطلوبة من خلال تعزيز مجال التدرج الذي يحجز الجسيم.6,7,8 ويسمح النهج البلازموني بالتحكم الدقيق في توجيه الجسيمات والخلايا الإهليلجية بكثافات بصرية منخفضة بسبب التحويل الأكثر كفاءة للطاقة البصرية إلى طاقة ميكانيكية ومجال إشعاع يعتمد على ثنائي القطب. تظهر هذه المجالات في الشكل 2، وتفصيل شدات الاحتجاز المنخفضة في الشكلين 4 و5. وتتمثل المشكلات الرئيسية في الملاقط البلازمونية في أن الـ LSP تولد كمية كبيرة من الحرارة وأن الاحتجاز يكون ثنائي الأبعاد فقط. وتؤدي هذه الحرارة إلى توليد تدفقات حمل حراري ورحلان حراري قد يكون قوياً بما يكفي لطرد الجسيمات دون الميكرونية من المصيدة.9,10 والنهج الثاني الذي سنصفه هو استخدام هياكل نانوية عازلة دورية لتشتيت الضوء الساقط بكفاءة عالية إلى أنماط حيود، كما هو موضح في الشكل 6.11 ومن الناحية المثالية، ينبغي صنع هذا الهيكل من مادة عازلة لتجنب مشكلات التسخين ذاتها التي واجهتها الملاقط البلازمونية، ولكن في نهجنا تم استخدام محزز حيود مطلي بالألومنيوم كبنية نانوية عازلة دورية أحادية الأبعاد. وعلى الرغم من أنه ليس شبه موصل، إلا أنه لم يتعرض لتسخين ملحوظ وحجز الجسيمات الصغيرة بفعالية بشدات احتجاز منخفضة، كما هو موضح في الشكل 7. إن محاذاة الجسيمات مع ركيزة المحزز تثبت مفاهيمياً الاقتراح بأن البلورة الفوتونية ثنائية الأبعاد قد تسمح بتدوير دقيق للجسيمات غير الكروية ذات الحجم الميكروني.10 وتزداد كفاءة هذه المصائد البصرية بسبب المجالات المعززة الناتجة عن الهياكل النانوية الموصوفة في هذه الورقة.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. عشوائية صفيف الاتحاد الافريقي nanoparticle التصنيع 8،10،12،14

  1. يتم تشكيل مجموعة جسيمات متناهية الصغر من خلال إنشاء الاتحاد الافريقي لأول مرة القالب الذي يتكون من طبقة كثيفة من المجالات اللاتكس كثف عشوائيا مع قطر يعني من 454 نانومتر. ويتم تحقيق هذا عن طريق التبخير أول ذهبية على الزجاج ساترة لبسمك 20 نانومتر باستخدام الكروم والتصاق طبقة.
  2. والبوليسترين المونولاير المجال ومن ثم تجميعها ذاتيا من خلال تعريض الركيزة المغلفة الذهب إلى خليط من 1 إيثيل - 3 - (3 - dimethylaminopropyl) carbodiimide هيدروكلوريد (EDC) ، واللثي تعليق المجال ، والمياه غير المتأينة.
  3. ولا يسمح للعملية الامتصاص تستمر لحوالي ساعة واحدة ويتم غسلها المجالات غير استيعابها بعيدا مع كمية وفيرة من المياه.
  4. ولا يسمح للأحادي الطبقة تشكلت في الهواء الجاف.
  5. أخيرا ، يتم تبخير آخر 20 نانومتر من الذهب على المونولاير المجال اللاتكس لتشكيل جزيئات النانو الذهب عشوائية صفيف.
  6. إذا كان متوفرا SEM ، يمكن أن ينظر إليه في إطار مجموعة AuNP SEM لتبدو مثل الشكل 1 ويظهر رسم بياني للعملية في الشكل 8.

2. إعداد العينات البيولوجية 9،11

  1. يظهر الآن إعداد نموذج لمحاصرة بصريا الماوس نواة الخلية.
  2. تم الحصول على نواة الخلية 3T3 ماوس المفتاحية أكريدين الصبغة البرتقالية من مجموعة تيواري في مركز فريد هاتشينسون لأبحاث السرطان.
  3. 10 ٪ يضاف مصل الزلال البقري (BSA) في الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) إلى نواة الخلية الماوس في تركيز حوالي 1 : 10 (BSA : الفأر نواة الخلية). جيش صرب البوسنة يساعد على منع النواة من الالتصاق إلى الركيزة.
  4. الحل باستخدام مزيج صوتنة.
  5. وتودع 5 ماي من حلنا على الصفيف ساترة الألومنيوم صريف. فمن الأفضل لتنفيذ هذه الخطوة مع صريف الألومنيوم في المرحلة المجهر بحيث لم يكن لديك لنقل العينة بعد إيداع الحل.
  6. وتستخدم اثنين من اثنين من مداخن 1 "في موعد أقصاه 1" لدعم coverslips ساترة الخامسة عن طريق وهو ينظر إلى العينة.
  7. موقف العينة تحت المجهر للعرض.

3. طريقة لاصطياد

  1. هي التي شيدت في ملاقط بصرية عن طريق إرسال 35 ميغاواط ليزر الهليوم نيون من خلال محوري Imager.D1M زايس مجهزة بمجموعة 17 GFP التصفية التي يتم تعديلها للسماح لأشعة الليزر 633 نانومتر لتصل العينة.
  2. يستخدم NEOFLUAR 50x صورة موضوعية لنواة الخلية التي ما يقرب من 5 ميكرون في القطر -- ألف دينار زايس EC Epiplan.
  3. بعد يتم وضع العينة في إطار الهدف ، والتركيز المجهر على صفيف الذهب جسيمات متناهية الصغر أو مقضب الحيود.
  4. ترجمة المجهر عموديا حتى يتحقق التركيز على النواة التي كنت ترغب في الفخ.
  5. وينبغي أن موقف فخ بقعة الليزر أكثر من الجسيمات والجسيمات في المحافظة ومن ثم وضعها في بقعة الليزر حتى عندما تتم ترجمة هذه المرحلة.

4. ممثل النتائج :

ينبغي للجسيمات متناهية الصغر إجراءات الذهب مجموعة عشوائية من إيداع المونولاير AuNP والتي يمكن عرضها في إطار SEM لتبدو مثل الشكل 1. يمكن محاصرة القوة التي أوجدتها هذه plasmonic ملاقط يكون 10-20 أضعاف القوة التي تم إنشاؤها بواسطة ملاقط بصرية القياسية. وتظهر شدة الدنيا المطلوبة لتحقيق plasmonic ملاقط الحبس الجسيمات عن جسيمات ذات أحجام مختلفة في الشكل 4. 9،10 صريف حيود تحقيق المواءمة والملائمة مع كفاءة أعلى 20 مرة من محاصرة nanodots الذهب ، ويمكن تحقيق الملائمة مع اقل كما يسكونس 17 / ام 2 (الشكل 7). 11

figure-protocol-1
الشكل 1 10 (أ) صورة مجهرية SEM من جزيئات الذهب الذاتي تجميعها. القطر من جزيئات الذهب الفرد حوالي 450 نانومتر. (ب) صورة NSOM الركيزة plasmonic حيث توزيع متناثر جسيمات متناهية الصغر ، والتي تبين الأشعة القريبة من الميدان. الطول الموجي لليزر الإثارة هو 633 نانومتر. (ج) عرض التكبير السامي للمنطقة مع وضع علامة حمراء في مربع (ب). (د) كفاءة الطيف نثر الركيزة plasmonic ، والتي تبين الذروة في 624 نانومتر. (ه) الطيف كفاءة امتصاص الركيزة plasmonic ، والتي تبين الذروة في 668 نانومتر.

figure-protocol-2
الشكل 2 13 (أ) الاتحاد الافريقي nanospheres موزعة بشكل عشوائي على نطاق 2D 1 × 1 ميكرومتر 2. كل نقطة زرقاء تمثل مركز nanosphere (أ = 60 نانومتر). وتظهر التوزيعات مجال تناثر على طائرات المراقبة التي هي موازية لمجموعة nanosphere عشوائي في الفقرة (ب) -- (ه). غير مضاءة بشكل موحد الصفيف nanosphere موجة الطائرة في الطول الموجي من 540 نانومتر. معامل الانكسار من الوسط المحيط هو 1.33. وبولاالاتجاه rization من النقاط على طول موجة الطائرة المحور السيني (الأفقي في الفقرة (أ)). ويفترض أن حجم الحقل الكهربائي الحادث لكي تكون 1 في الحساب. يتم تعريف الفاصل بين الطائرة والمراقبة الصفيف nanosphere كما ح ب) ح = أ. ج) ح = 2A. د) ح = λ. ه) ح = 2λ.

figure-protocol-3
الرقم 3 9 تخطيطي لتكوين مخصص المجهر مضان بما في ذلك تصفية الإثارة وتجاوز مزدوج اللون استبدال الحزم الخائن. هذا هو التكوين تستخدم لمحاصرة في وقت واحد والتصوير مضان.

figure-protocol-4
الرقم 4 10 كثافة الليزر للحفاظ على الحد الأدنى في فخ بوصفها وظيفة من معدل تدفق السوائل المحيطة الاستفادة من محاصرة plasmonic. ويتم قياس جميع الكثافات الضوئية على الطائرة العينة تحت المجهر الهدف. (أ) -- (و) تظهر نتائج القياس للالخرز البوليسترين واحد بقطر 7.3 و 6.3 (غير كروي) ، 5.0 ، 3.9 ، 2.5 و 1.1 ميكرومتر ، على التوالي. وinsets عرض الصور المجهرية المقابلة من الجسيمات. أشرطة النطاق في كل الصور تمثل 5 ميكرون في الطول.

figure-protocol-5
الشكل 5 10 المنحدر من خط تركيبها من خلال الأصل في الشكل. 4 مقابل حجم الجسيمات لمحاصرة plasmonic. أشرطة الخطأ تظهر الانحرافات المعيارية ليناسب الخطية. المنحدر من خط المجهزة (النسبة بين شدة العتبة البصرية ومعدل التدفق) في الشكل. 4 وجود علاقة خطية تقريبا مع حجم الجسيمات كما هو مبين في هذا الشكل ، مما يدل على الاستفادة من محاصرة plasmonic وخاصة بالنسبة للجسيمات أصغر.

figure-protocol-6
الشكل 6 11 (أ) رسم تخطيطي لمحاصرة تعزيز الاستفادة من النانو البصرية الدوري 1 - D. شعاع الحادث diffracted من البنية النانوية الدوري في الميدان حتى الآن. (ب) توزيع شدة الضوء مع اثنين من البنية النانوية متعامد الاستقطابات في حقل بعيد. (ب) توزيع شدة الضوء مع اثنين من الاستقطاب المتعامد على السطح من صريف الألومنيوم مع فترة 417 نانومتر تم الحصول عليها باستخدام المحاكاة FDTD. هو تطبيع توزيعها على كثافة على سطح الألومنيوم مسطح. (ج) و (د) إمكانية ملائمة للجسيمات مباشرة فوق سطح صريف مقابل موقع للجسيمات لالبوليسترين ألف (ج) 350 نانومتر حبة و (د) والبوليسترين 1 ميكرومتر حبة. الدوائر البيضاء توضيح أحجام الجسيمات. Insets تظهر إمكانات محاصرة فوق سطح الالومنيوم شقة لحجم الجسيمات نفس المقارنات. تم تطبيع القيم لكل حجم الجسيمات. لجميع الأرقام محاكاة FDTD مجال الرؤية هو 10 × 8 2 ميكرون.

figure-protocol-7
الشكل 7 11 (أ) الكفاءة والحد الأدنى من شدة فخ نصب الفخاخ لقياس الخرز البوليسترين من مختلف الأحجام مع عمودي الاستقطاب شعاع لخطوط صريف. أقحم يظهر التفاوت في فخ الكفاءة الملائمة لترجمة والبوليسترين 3.87 عمودي أم حبة ومتوازية لقواعد صريف. يتم الحصول على خط الصلبة (التباين الكبير) مع عمودي الاستقطاب الحادث الضوء على صريف ، ويتم الحصول على خط شرطة (عدم التماثل الصغيرة) مع الحادث الضوء المستقطب موازية لصريف. وحدة في (PN [ميغاواط / ميكرون 2] -1). (ب) -- (د) مظاهرة ملائمة لالفلورسنت 590 نانومتر حبة البوليسترين. دائرة حمراء تدل على موقف بقعة الليزر ضوء الليزر كما كانت خافتة جدا بحيث لا يمكن رؤيتها. في البداية محصورة الجسيمات داخل بقعة في أعلى السلطة ، كما هو خفض قوة الحركة البراونية للجسيمات يتغلب على قوة محاصرة ، والسماح للجسيمات من الفرار. (ه) -- (ز) مظاهرة ملائمة من نواة الخلية السرطانية المبيض الفلورسنت. كانت كثافة الحد الأدنى المطلوب لبدء محاصرة μW 16 / 2 ميكرون تم الحصول عليها باستخدام عدسة الهدف 20X.

figure-protocol-8
الشكل 8 التصنيع الداخلي 14 من جزيئات الذهب على شكل قبعة : أ التبخر) من الكروم والاتحاد الافريقي طبقة رقيقة على الزجاج ساترة. ب) التعرض للتعليق البوليسترين مجال من المجالات ، وامتصاص لمدة 1 ساعة. ج) إزالة المجالات البوليسترين غير كثف وتجفيف السطح. د) التبخر من طبقة أخرى من الاتحاد الافريقي على رأس مجالات القالب. ه) تخطيطي للصفيف سقف على شكل جسيمات متناهية الصغر الاتحاد الافريقي ، حيث لا يغطي سوى الاتحاد الافريقي في الجانب العلوي من المجالات القالب.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المغزى من هذه الأساليب لأنها محاصرة انخفاض كثافة الضوئية اللازمة لمحاصرة مستمرة من مكان ما على ترتيب مكان للμW 10 3 / 2 ميكرون بناء على أمر من μW 10 / 2 ميكرون. 10،11 والقيود المفروضة على هذه التقنيات هي أن جسيمات متناهية الصغر مجموعة الذهب الخبرات التدفئة القضايا التي يجب التغلب عليها. للتغلب على هذه المشكلة ، يمكن استخدام هيكل 2D الكريستال الضوئية التي تتكون من مادة عازلة. يمكن أن تنتج مثل هذه البنية نظريا محاصرة في كثافة ضوئية منخفضة ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نود أيضا أن نشكر شياو يو مياو ويلسون بن لتطوير أكثر من الأساليب المذكورة داخل. وقد تم تمويل هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (DBI 0454324) والمعهد الوطني للصحة (R21 EB005183) وPHS NRSA T32 GM07270 NIGMS من لجنة الانتخابات.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

اسم المادة نوع شركة رقم كتالوج تعليق
تصوير محوري مجهر D1M زايس D1M زايس محوري Imager.D1M
الهدف المجهر 50x/0.55 زايس LD EC Epiplan -- NEOFLUAR 50x/0.55 HD مدينة دبي للإنترنت
زايس مجهر الكاميرا AxioCam MRC زايس
ليزر الهليوم نيون 35 ميغاواط البحوث الكهربائية والبصريات
متغير المخفف متغير باستمرار ND ThorLabs NDC - 100C - 4M لضبط شدة المجهر
تصفية مجموعة زايس تصفية مجموعة # 17 زايس 488017-9901-000 تصفية مجموعة # 17
المجهر الشرائح سماكة 0.5 مم VWR
3T3 نواة الخلية الماوس فريد هاتشينسون لبحوث السرطان مركز مثل البرد ممكن مخزن
أكريدين صبغ برتقالي فريد هاتشينسون لبحوث السرطان مركز
الأبقار مصل الزلال 1-10 حصة في برنامج تلفزيوني فريد هاتشينسون لبحوث السرطان مركز
454 نانومتر المجالات اللاتكس البوليسترين Polysciences ، وشركة
carbodiimide هيدروكلوريد (EDC) 1 إيثيل - 3 - (3 - dimethylaminopropyl) G - العلوم البيولوجية BC25 - 1
الذهب (لترسب)
تعكس مقضب الحيود حكمت ادموند بصريات
التخزين المؤقت المالحة الفوسفات (PBS) Dulbecco والفوسفات مخزنة المالحة (D - PBS) (1X) Invitrogen 14190-144

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Jones, T. B. Electromechanics of Particles. , Cambridge University Press. (1995).
  2. Ashkin, A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 4853-4853 (1997).
  3. Neuman, K. C., Chadd, E. H., Liou, G. F., Bergman, K., Block, S. M. Characterization of photodamage to Escherichia coli in optical traps. Biophys. J. 77, 2856-2856 (1999).
  4. Chiou, P. C., Ohta, A. T., Wu, M. C. Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature. 436, 370-370 (2005).
  5. Hsu, H. Y., Ohta, A. T., Chiou, P. Y., Jamshidi, A., Nealea, S. L., Wua, M. C. Phototransistor-based optoelectronic tweezers for dynamic cell manipulation in cell culture media. Lab Chip. 10, 165-172 (2010).
  6. Righini, M., Ghenuche, P. S., Cherukulappurath, V., Myroshnychenko, F. J., Garcia de Abajo, R. Quidant Nano-optical Trapping of Rayleigh Particles Escherichia coli Bacteria with Resonant Optical Antennas. Nano Letters. 9, 3387-3391 (2009).
  7. Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape. Nature Physics. 3, 477-480 (2007).
  8. Miao, X., Lin, L. Y. Large dielectrophoresis force and torque induced by localized surface plasmon resonance of a cap-shaped Au nanoparticle array. Opt. Lett. 32, 295-297 (2007).
  9. Wilson, B. K. Manipulation of Nanoparticles and Biological Samples through Enhanced Optical Forces [dissertation]. , University of Washington, Seattle. (2009).
  10. Miao, X. Y., Wilson, B. K., Pun, S. H., Lin, L. Y. Optical manipulation of micron/submicron sized particles and biomolecules through plasmonics. Optics Exp. 16, 13517-13525 (2008).
  11. Wilson, B. K., Mentele, T., Bachar, S., Knouf, E., Bendoraite, A., Tewari, M., Pun, S. H., Lin, L. Y. Nanostructure-enhanced laser tweezers for efficient trapping and alignment of particles. Optics. Exp. 18, 16005-16013 (2010).
  12. Miao, X., Wilson, B. K., Cao, G., Pun, S. H., Lin, L. Y. Trapping and Rotation of Nanowires Assisted by Surface Plasmons. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 15, 1515-1520 (2009).
  13. Miao, X. Y., Lin, L. Y. Trapping and manipulation of biological particles through a plasmonic platform. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13, 1655-1662 (2007).
  14. Miao, X. Plasmonics for Micro/Nano Manipulation and Optofluidics [dissertation]. , University of Washington, Seattle. (2008).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

BSA

مقالات ذات صلة