方法文章

利用等离激元与光子晶体纳米结构增强微米和纳米粒子操控

DOI：

10.3791/3390

⸱

2011年9月27日

 ,  ,  , 
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

本文内容

摘要

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等离激元镊子和光子晶体纳米结构可有效提高光学捕获微纳米粒子的效率并实现取向控制。

摘要

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一种能够以非破坏性方式操控亚微米级颗粒位置和取向的方法，将为基础生物学研究提供极为有用的工具。目前用于实现小颗粒无创操控的最广泛应用的物理力是介电电泳（dielectrophoresis, DEP）1。然而，由于传统DEP依赖于固定电极，其在操控细胞时缺乏所需的灵活性和精确性。光镊技术利用三维电磁场梯度对小颗粒施加作用力，能够实现理想的灵活性与精度2。但该方法的主要缺点是需要高强度的辐射才能产生足够的捕获力，这可能对生物样品造成损伤3。一种可实现较低光强下捕获与分选的解决方案是光电子镊（optoelectronic tweezers, OET），但OET在小颗粒精细操控方面存在局限性；同时，由于其基于DEP技术，也对溶液的性质有所限制4,5。

本视频文章将介绍两种降低活细胞光学操控所需辐射强度的方法，并描述一种取向控制方法。第一种方法是等离激元镊子，该方法使用随机分布的金纳米颗粒（AuNP）阵列作为样品基底，如图1所示。AuNP阵列将入射光子转化为局域表面等离激元（LSP），后者由共振偶极矩组成，能够辐射并产生具有显著梯度的图案化辐射场，作用于细胞溶液中。Righini等人早期关于表面等离激元增强捕获的研究以及我们自己的建模结果表明，等离激元基底产生的场通过增强捕获粒子所需的梯度场，显著降低了初始所需光强。6,7,8 由于光学能量向机械能的转换效率更高，且辐射场依赖于偶极特性，等离激元方法可在低光强条件下实现对椭球形粒子和细胞的精细取向控制。这些场分布如图2所示，低捕获光强的具体数据见图4和图5。等离激元镊子的主要问题是LSP会产生大量热量，且捕获仅限于二维。该热量会引发对流和热泳效应，其强度足以将亚微米级粒子从捕获区域排出。9,10 我们将介绍的第二种方法是利用周期性电介质纳米结构，将入射光高效地散射至衍射模式中，如图6所示。11 理想情况下，应采用电介质材料制备该结构，以避免等离激元镊子中出现的加热问题；但在本方法中，使用铝涂层衍射光栅作为一维周期性电介质纳米结构。尽管该材料并非半导体，但未观察到显著加热现象，并能在低捕获光强下有效捕获微小粒子，如图7所示。粒子与光栅基底的对齐现象从概念上验证了二维光子晶体可实现对非球形微米级粒子的精确旋转控制。10 本文所述纳米结构所产生的增强场显著提高了这些光学捕获装置的效率。

方案

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1. 随机金纳米颗粒阵列的制备 8,10,12,14

  1. 首先通过制备模板形成金纳米颗粒阵列，该模板由平均直径为454 nm的随机吸附的乳胶微球致密层构成。具体方法是先在玻璃盖玻片上使用铬作为粘附层，蒸发沉积20 nm厚度的金。
  2. 然后将聚苯乙烯微球单层通过将金涂层基底暴露于1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、乳胶微球悬浮液和去离子水的混合物中实现自组装。
  3. 吸附过程持续约一小时，随后用大量水冲洗去除未吸附的微球。
  4. 形成的单层自然风干。
  5. 最后，在乳胶微球单层上再蒸发沉积20 nm厚的金，从而形成随机分布的金纳米颗粒阵列。
  6. 若有扫描电子显微镜（SEM）可用，可在SEM下观察AuNP阵列，其形貌如图1所示，图8展示了该过程的示意图。

2. 生物样本制备9,11

  1. 现在展示用于光学捕获小鼠细胞核的样品制备过程。
  2. 标记了吖啶橙染料的小鼠 3T3 细胞核由弗雷德·哈钦森癌症研究中心的 Tewari 团队提供。
  3. 将磷酸盐缓冲液（PBS）中含 10% 牛血清白蛋白（BSA）以大约 1 : 10（BSA : 小鼠细胞核）的比例加入小鼠细胞核中。BSA 有助于防止细胞核粘附到基底上。
  4. 使用超声处理混合溶液。

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讨论

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这些捕获方法的意义在于，它们将实现持续捕获所需的光强从大约 103 μW/μm2 降低到大约 10 μW/μm2 的水平。10,11 这些技术的局限性在于，金纳米颗粒阵列会经历必须克服的加热问题。为解决这一问题，可采用由介电材料构成的二维光子晶体结构。理论上，这种结构能够在低光强下实现捕获，并通过调控输入偏振态，精确控制微米和纳米颗粒的旋转与位置。图6和图7中的光栅结果已证实了一维情况下的可行性。下一步是构建二维光子晶体，展示光子晶体镊子阵列，从而推动其在众多生物学研究领域的应用。

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披露

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未声明任何利益冲突。

致谢

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我们还要感谢缪晓宇（Xiaoyu Miao）和本·威尔逊（Ben Wilson）开发了本文所述的大部分方法。本研究由美国国家科学基金会（DBI 0454324）、美国国立卫生研究院（R21 EB005183）以及美国国家普通医学科学研究所通过PHS NRSA T32 GM07270向ECK提供的资助支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
材料名称公司目录编号备注
Axio Imager 显微镜 (D1M)Carl Zeiss, Inc.D1MZeiss Axio Imager.D1M
显微镜物镜 (50x/0.55)Carl Zeiss, Inc.LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC
Zeiss 显微镜相机 (AxioCam MRc)Carl Zeiss, Inc.
氦氖激光器 (35 mW)Research Electro-Optics
连续可变衰减器Thorlabs Inc.NDC-100C-4M用于调节显微镜光强
Zeiss 滤光片组 #17Carl Zeiss, Inc.488017-9901-000滤光片组 #17
显微镜载玻片，厚度 0.5 mmVWR international
3T3 小鼠细胞核Fred Hutchinson Cancer Research Center尽可能低温保存
吖啶橙染料Fred Hutchinson Cancer Research Center
牛血清白蛋白，PBS 中 1 至 10 比例Fred Hutchinson Cancer Research Center
454 nm 聚苯乙烯乳胶微球Polysciences, Inc.
盐酸碳二亚胺 (EDC) - 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)G-BiosciencesBC25-1
金（用于沉积）
反射式刻线衍射光栅Edmund Scientific
Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液 (D-PBS) (1X)Invitrogen14190-144

参考文献

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  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.

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重印与许可

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