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

本实验的总体目标是利用等离激元和光子晶体镊子捕获微米尺度的生物样品。首先制备等离激元基底或光子晶体基底，随后通过向细胞溶液中添加BSA，并在上层盖玻片下方为细胞溶液提供适当的间距，完成生物样品的准备。

然后将激光与显微镜对准，显微镜已配备正确的滤光片组合。现在将显微镜聚焦于样品上，并进行捕获操作。最后，借助等离激元或光子晶体纳米结构，可通过降低入射光强度来捕获微米或纳米级颗粒。

与传统的光镊等现有方法相比，该技术的主要优势在于，通过等离激元和光子晶体纳米结构对光场进行转换，降低了捕获细胞等微小颗粒所需的光强，同时无需 tightly focused beam（高度聚焦光束），从而降低了细胞因辐射暴露而发生光损伤的风险。该方法有助于解答多个生物学领域中的关键问题，例如细胞间的相互作用以及生物学中各种力的研究。此外，该技术还可作为微纳米技术中的一种有用工具，实现对微米和纳米颗粒的精确操控，以构建纳米结构。要使用电子束蒸发器并以铬作为粘附层制备金纳米颗粒阵列，需在玻璃盖玻片上蒸镀20纳米厚度的金层。

使用氧气等离子体清洁样品约一分钟，以去除表面的有机杂质。诱导聚苯乙烯单层自组装后，将液体滴加并浇铸到样品上，孵育约一小时，然后用大量水冲洗以去除未吸附的微球，再自然晾干。最后在乳胶微球单层上蒸发第二层20纳米厚的金膜，形成随机分布的金纳米颗粒阵列。

纳米粒子阵列现已准备好用于生物样本。将制备好的纳米粒子载玻片放置在荧光显微镜的载物台上。下一步是准备小鼠细胞核以进行光镊捕获。

首先使用橙色胺对小鼠细胞核进行标记，以防止细胞核粘附到基质上。将细胞核放入一个小瓶中，并加入PBS中的10% BSA，BSA浓度为1至10，通过涡旋混合均匀。然后用移液器吸取五微升（5 µL）细胞核BSA溶液，滴加到准备好的载玻片上。

为了在细胞核与盖玻片之间提供间距，在液滴周围放置两片间隔用的盖玻片，然后在上方再覆盖另一片盖玻片。为实现捕获与同步成像，需使用定制的荧光显微镜配置，包括一个旁路激发滤光片和两个定制的二向色镜分光器。光镊系统通过将35毫瓦的氦氖激光器发射的光束导入一台Zes Axio Imager D1 M显微镜构建而成，该显微镜配备GFP 17滤光片组，并经过改造以允许633纳米激光辐射到达样品。

显微镜将激光束聚焦于样品上，随后该光束会被等离子体纳米颗粒基底或衍射光栅所衍射。为了成像直径约为5微米的细胞核，使用配备Neola 50倍物镜的蔡司LDEC落射照明平场物镜。首先将样品置于物镜下，调焦至细胞核数量最多的焦平面，这些细胞核位于基底表面。

接下来，将显微镜聚焦于待捕获的细胞核，找到位于表面细胞层上方自由漂浮的细胞核。然后将激光捕获光斑定位在目标颗粒上方。此时，该颗粒应已被捕获，并能在移动载物台时仍保持其在激光光斑中的位置。

位于显微镜焦平面上的小鼠细胞核可能会因样品加热和蒸发引起的微弱微流体流动而发生漂移，但被捕获的细胞核将保持在固定位置。该图显示了自组装金纳米颗粒的扫描电子显微镜图像，每个颗粒的直径约为450纳米。此处为等离激元基底的近场扫描光学显微镜图像，其中纳米颗粒分布较为稀疏，展示了近场辐射情况。

激发激光的波长为633纳米，此处显示的是等离激元基底的散射效率谱，其峰值位于624纳米。等离激元基底的吸收效率谱显示峰值位于668纳米。金纳米球随机分布在1×1平方的二维区域内。

此处显示了微米尺度。每个蓝色圆圈代表一个纳米球的中心。图中所示为观测平面上的散射场分布，这些平面与随机排列的纳米球阵列平行。

这些图显示了在不同周围流体流速下，维持光阱所需的最低激光强度。利用等离激元捕获技术，所有光强均在显微镜物镜下方的样品平面进行测量。每个图板展示了不同直径的单个聚苯乙烯微球的测量结果。

插图显示了相应颗粒的显微图像。所有图像中的比例尺代表五微米的长度。此处绘制的是前图中通过原点的拟合直线斜率随颗粒尺寸的变化关系。

用于等离激元捕获。误差棒表示线性拟合的标准偏差。结果表明，较大的颗粒需要更高的激光强度才能维持足够的捕获稳定性。

该示意图展示了利用一维周期性纳米结构增强的光镊技术。入射光束被周期性纳米结构在远场发生衍射。此处显示的是在铝制光栅表面，两种正交偏振光的光强分布。

通过时域有限差分模拟获得周期为417纳米，分布已归一化至平坦铝表面上的强度。这些图显示了粒子正位于光栅表面上方时，其捕获势能随位置的变化情况。对于CA 350纳米聚苯乙烯微球和DA一微米聚苯乙烯微球，白色圆圈表示了粒子的尺寸。

插图显示了在平坦铝表面上方的捕获势能，用于相同粒径的比较。各粒径的数值均已归一化。

所有FDTD仿真图像的视场均为10乘以8平方微米。此处显示的是利用偏振方向垂直于渐变线的光束，对不同尺寸的聚苯乙烯微球测得的捕获效率和最低捕获光强。插图展示了将一个直径为3.87微米的聚苯乙烯微球分别沿垂直和平行于渐变线方向移动时，捕获效率的不对称性。

这是粒子平移角度的示意图。该插图显示了不同偏振态和粒子尺寸下增强效应随平移方向的变化。实线表示入射光偏振方向垂直于梯度方向时获得的显著非对称性，而虚线表示另一种情况。

当入射光偏振方向与光栅平行时，可获得较小的不对称性。这些图示展示了对荧光波长为590纳米的聚苯乙烯微球进行光镊捕获的实验结果。红色圆圈标示了激光光斑的位置，因为激光最初过于微弱而无法直接观察到。

在较高功率下，粒子被束缚在光斑内。当功率降低时，粒子的布朗运动克服了捕获力，使粒子得以逃逸。此处，一个荧光标记的卵巢癌细胞核被成功捕获，使用20倍物镜测得启动捕获所需的最小光强为16微瓦每平方微米。

观看本视频后，您应能充分理解如何利用等离激元和光子晶体纳米结构基底，创建低强度光阱，以非侵入性方式操控微米和纳米尺度的生物样本。