Name: 为增强微型和纳米操纵利用电浆和光子晶体纳米结构 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-09-27T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 29 s
Description: 学习利用电浆和光子晶体纳米结构增强微型和纳米操纵技术，通过制备基底和生物样品实现高效光镊捕获。该方法显著降低捕获所需光强，适用于细胞相互作用等生物物理学研究。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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。

1. 随机金纳米颗粒阵列的制备 8,10,12,14
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>形成的单层自然风干。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 生物样本制备9,11
<ol>
	<li>现在展示用于光学捕获小鼠细胞核的样品制备过程。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>使用超声处理混合溶液。</li>
	<li>取 5 µL 溶液滴加到铝制光栅阵列盖玻片上。最好在铝制光栅位于显微镜载物台时进行此步骤，以避免溶液滴加后转移样品。</li>
	<li>使用两组叠放的 1 英寸 × 1 英寸盖玻片支撑第五片盖玻片，通过该盖玻片观察样品。</li>
	<li>将样品置于显微镜下进行观察。</li>
</ol>
3. 捕获方法
<ol>
	<li>通过将35 mW氦氖激光器发射的光束导入配备GFP 17滤光片组的蔡司Axio Imager.D1M显微镜，并对该滤光片组进行改造以允许633 nm激光辐射到达样品，从而构建光镊系统。</li>
	<li>使用蔡司LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50倍物镜对直径约为5微米的细胞核进行成像。</li>
	<li>将样品置于物镜下后，调节显微镜聚焦于金纳米颗粒阵列或衍射光栅。</li>
	<li>垂直移动显微镜直至聚焦到需要捕获的细胞核上。</li>
	<li>将激光捕获光斑定位在颗粒上方，此时颗粒应能在激光光斑中稳定保持其位置，即使移动载物台亦能维持不动。</li>
</ol>
4. 代表性结果：
随机金纳米颗粒阵列的制备过程应沉积一层金纳米颗粒（AuNP），在扫描电镜（SEM）下观察应如图1所示。这些等离激元镊子所产生的捕获力可达标准光镊所产生的力的10至20倍。图4展示了不同尺寸颗粒实现 confinement 所需的等离激元镊子的最低强度9,10。与金纳米点相比，衍射光栅实现了更高的对准和捕获效率，捕获效率高出20倍，并且仅需低至17 μW/μm2 的光强即可实现捕获（图7）11。
<img alt="胶体微球的扫描电镜、扫描探针显微镜图像、散射与吸收光谱；光子学分析。" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig1.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="图 1"> 
图 110 （a）自组装金纳米颗粒的扫描电镜图像。单个金纳米颗粒的直径约为 450 nm。（b）等离激元基底的近场扫描光学显微镜（NSOM）图像，显示颗粒分布较稀疏区域的近场辐射。激发激光波长为 633 nm。（c）（b）图中红色方框区域的高倍放大图像。（d）等离激元基底的散射效率光谱，显示在 624 nm 处出现峰值。（e）等离激元基底的吸收效率光谱，显示在 668 nm 处出现峰值。
<img alt="静态平衡示意图；空间应力分布的曲面图，颜色编码的强度图。" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig2.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="图 2"> 
图 213 (a) 金纳米球随机分布在 1 × 1 μm2 的二维区域上。每个蓝色点代表一个纳米球的中心（a = 60 nm）。图 (b) - (e) 显示了与随机分布的纳米球阵列平行的观测平面上的散射场分布。该纳米球阵列被波长为 540 nm 的平面波均匀照射。周围介质的折射率为 1.33。平面波的偏振方向沿 X 轴方向（在 (a) 中为水平方向）。计算中假设入射电场的幅度为 1。观测平面与纳米球阵列之间的距离定义为 h。b) h = a。c) h = 2a。d) h = λ。e) h = 2λ。
<img alt="光学显微镜装置示意图；使用汞灯、HeNe激光器和CCD探测器进行荧光成像。" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig3.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="图 3"> 
图 39 定制荧光显微镜构型示意图，包含一个被旁路的激发滤光片和一个被替换的二向色镜分光器。此构型用于同时进行光镊捕获与荧光成像。
<img alt="激光捕获力与流速关系图；线性拟合；光捕获实验结果。" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig4.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="图 4"> 
图 410 利用等离激元捕获技术，维持捕获所需的最小激光强度随周围流体流速的变化关系。所有光强均在显微镜物镜下方的样品平面上测得。(a) - (f) 分别显示了直径为 7.3、6.3（非球形）、5.0、3.9、2.5 和 1.1 μm 的单个聚苯乙烯微球的测量结果。插图为相应粒子的显微图像。所有图像中的比例尺长度均为 5 μm。
<img alt="斜率与颗粒直径的线性回归图；光学分析中的带误差棒数据点。" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig5.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="图 5"> 
图 510 表面等离激元捕获中，图 4 中过原点拟合直线的斜率随颗粒尺寸的变化关系。误差棒表示线性拟合的标准偏差。如本图所示，图 4 中拟合直线的斜率（光学强度阈值与流速的比值）与颗粒尺寸呈近似线性关系，表明表面等离激元捕获在捕获较小颗粒方面的优势。
<img alt="纳米光子学示意图；偏振效应、衍射图样、光谱分析、光学激发。" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig6.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="图6"> 
图611 (a) 利用一维周期性纳米结构增强光学捕获的示意图。入射光束被周期性纳米结构在远场发生衍射。(b) 在周期为417 nm的铝光栅表面，通过FDTD模拟获得的两种正交偏振光在远场的光强分布。光强分布已归一化至平坦铝表面的光强。(c) 和 (d) 分别为在光栅表面正上方的微粒捕获势能随位置的变化关系，(c) 对应350 nm的聚苯乙烯微球，(d) 对应1 μm的聚苯乙烯微球。白色圆圈表示微粒的尺寸。插图为相同尺寸微粒在平坦铝表面上方的捕获势能，作为对比。数值已针对每种微粒尺寸进行了归一化。所有FDTD模拟图像的视场均为10 × 8 μm2。
<img alt="粒子捕获效率图与显微图像，显示强度变化；光学分析。" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig7.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="图 7"> 
图 711 （a）测量不同尺寸的聚苯乙烯微球在入射光偏振方向垂直于光栅刻线时的捕获效率及最低捕获强度。插图显示将一个直径为 3.87 µm 的聚苯乙烯微球沿垂直和平行于光栅刻线方向移动时，捕获效率的不对称性。实线（大不对称性）对应入射光偏振方向垂直于光栅的情况，虚线（小不对称性）对应入射光偏振方向平行于光栅的情况。单位为 pN[mW/μm2]-1。（b）-（d）荧光标记的 590 nm 聚苯乙烯微球的捕获演示。红色圆圈标示激光光斑位置，因激光太暗而无法直接观察。初始时，较高功率下粒子被束缚在光斑内；随着功率降低，粒子的布朗运动克服了捕获力，导致粒子逃逸。（e）-（g）荧光标记的卵巢癌细胞核的捕获演示。使用 20 倍物镜时，实现捕获所需的最低强度为 16 μW/μm2。
<img alt="化学组装示意图；羧基二亚胺与载玻片上金/铬层上的乳胶微球反应。" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig8.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="图8"> 
图814 帽状金纳米颗粒的制备流程：a）在玻璃盖玻片上蒸镀铬和金的薄层。b）暴露于聚苯乙烯微球悬浮液中，并吸附微球1小时。c）去除未吸附的聚苯乙烯微球并干燥表面。d）在模板微球顶部再蒸镀一层金。e）帽状金纳米颗粒阵列的示意图，其中金仅覆盖模板微球的上表面。

<ol><li>Jones, T. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJones%2C+TB+%22Electromechanics+of+Particles%22">Electromechanics of Particles</a>. , Cambridge University Press. (1995).</li>
<li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+and+manipulation+of+neutral+particles+using+lasers%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 4853-4853 (1997).</li>
<li>Neuman, K. C., Chadd, E. H., Liou, G. F., Bergman, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+photodamage+to+Escherichia+coli+in+optical+traps%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)">Characterization of photodamage to Escherichia coli in optical traps.</a> Biophys. J. 77, 2856-2856 (1999).</li>
<li>Chiou, P. C., Ohta, A. T., Wu, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Massively+parallel+manipulation+of+single+cells+and+microparticles+using+optical+images%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images.</a> Nature. 436, 370-370 (2005).</li>
<li>Hsu, H. Y., Ohta, A. T., Chiou, P. Y., Jamshidi, A., Nealea, S. L., Wua, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phototransistor-based+optoelectronic+tweezers+for+dynamic+cell+manipulation+in+cell+culture+media%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Phototransistor-based optoelectronic tweezers for dynamic cell manipulation in cell culture media.</a> Lab Chip. 10, 165-172 (2010).</li>
<li>Righini, M., Ghenuche, P. S., Cherukulappurath, V., Myroshnychenko, F. J., Garcia de Abajo, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quidant+Nano-optical+Trapping+of+Rayleigh+Particles+Escherichia+coli+Bacteria+with+Resonant+Optical+Antennas%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Quidant Nano-optical Trapping of Rayleigh Particles Escherichia coli Bacteria with Resonant Optical Antennas.</a> Nano Letters. 9, 3387-3391 (2009).</li>
<li>Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parallel+and+Selective+Trapping+in+a+Patterned+Plasmonic+Landscape%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Physics%22%5BJournal%5D)">Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape.</a> Nature Physics. 3, 477-480 (2007).</li>
<li>Miao, X., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+dielectrophoresis+force+and+torque+induced+by+localized+surface+plasmon+resonance+of+a+cap-shaped+Au+nanoparticle+array%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Large dielectrophoresis force and torque induced by localized surface plasmon resonance of a cap-shaped Au nanoparticle array.</a> Opt. Lett. 32, 295-297 (2007).</li>
<li>Wilson, B. K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Manipulation+of+Nanoparticles+and+Biological+Samples+through+Enhanced+Optical+Forces+%5B%5D%22">Manipulation of Nanoparticles and Biological Samples through Enhanced Optical Forces [dissertation]</a>. , University of Washington, Seattle. (2009).</li>
<li>Miao, X. Y., Wilson, B. K., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+manipulation+of+micron%2Fsubmicron+sized+particles+and+biomolecules+through+plasmonics%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Exp%22%5BJournal%5D)">Optical manipulation of micron/submicron sized particles and biomolecules through plasmonics.</a> Optics Exp. 16, 13517-13525 (2008).</li>
<li>Wilson, B. K., Mentele, T., Bachar, S., Knouf, E., Bendoraite, A., Tewari, M., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanostructure-enhanced+laser+tweezers+for+efficient+trapping+and+alignment+of+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Optics.+Exp%22%5BJournal%5D)">Nanostructure-enhanced laser tweezers for efficient trapping and alignment of particles.</a> Optics. Exp. 18, 16005-16013 (2010).</li>
<li>Miao, X., Wilson, B. K., Cao, G., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapping+and+Rotation+of+Nanowires+Assisted+by+Surface+Plasmons%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Selected+Topics+in+Quantum+Electronics%22%5BJournal%5D)">Trapping and Rotation of Nanowires Assisted by Surface Plasmons.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 15, 1515-1520 (2009).</li>
<li>Miao, X. Y., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapping+and+manipulation+of+biological+particles+through+a+plasmonic+platform%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Selected+Topics+in+Quantum+Electronics%22%5BJournal%5D)">Trapping and manipulation of biological particles through a plasmonic platform.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13, 1655-1662 (2007).</li>
<li>Miao, X. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Plasmonics+for+Micro%2FNano+Manipulation+and+Optofluidics+%5B%5D%22">Plasmonics for Micro/Nano Manipulation and Optofluidics [dissertation]</a>. , University of Washington, Seattle. (2008).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

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。

<table><tbody><tr><td>材料名称</td><td>公司</td><td>目录编号</td><td>备注</td></tr><tr><td>Axio Imager 显微镜 (D1M)</td><td>Carl Zeiss, Inc.</td><td>D1M</td><td>Zeiss Axio Imager.D1M</td></tr><tr><td>显微镜物镜 (50x/0.55)</td><td>Carl Zeiss, Inc.</td><td></td><td>LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC</td></tr><tr><td>Zeiss 显微镜相机 (AxioCam MRc)</td><td>Carl Zeiss, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氦氖激光器 (35 mW)</td><td>Research Electro-Optics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>连续可变衰减器</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>NDC-100C-4M</td><td>用于调节显微镜光强</td></tr><tr><td>Zeiss 滤光片组 #17</td><td>Carl Zeiss, Inc.</td><td>488017-9901-000</td><td>滤光片组 #17</td></tr><tr><td>显微镜载玻片，厚度 0.5 mm</td><td>VWR international</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3T3 小鼠细胞核</td><td>Fred Hutchinson Cancer Research Center</td><td></td><td>尽可能低温保存</td></tr><tr><td>吖啶橙染料</td><td>Fred Hutchinson Cancer Research Center</td><td></td><td></td></tr><tr><td>牛血清白蛋白，PBS 中 1 至 10 比例</td><td>Fred Hutchinson Cancer Research Center</td><td></td><td></td></tr><tr><td>454 nm 聚苯乙烯乳胶微球</td><td>Polysciences, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>盐酸碳二亚胺 (EDC) - 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)</td><td>G-Biosciences</td><td>BC25-1</td><td></td></tr><tr><td>金（用于沉积）</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>反射式刻线衍射光栅</td><td>Edmund Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco&amp;rsquo;s 磷酸盐缓冲液 (D-PBS) (1X)</td><td>Invitrogen</td><td>14190-144</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

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。

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。

一种能够以非破坏性方式操控亚微米级颗粒位置与取向的方法，将为基础生物学研究提供极为有用的工具……

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。

utilization-plasmonic-photonic-crystal-nanostructures-for-enhanced

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

为增强微型和纳米操纵利用电浆和光子晶体纳米结构

本实验方案描述了一种简单、稳定且可扩展的技术，用于将宏观的纳米颗粒-配体单层膜在无模板基底上进行功能化和自组装。...

一种在无模板基底上功能化并自组装宏观纳米粒子-配体单层膜的技术

本文介绍一种合成具有强磁矩和强近红外（NIR）吸收能力的磁等离子体纳米颗粒的实验方案。该方案还包括通过抗体的Fc片段将抗体偶联到纳米颗粒上，适用于需要分子特异性靶向的各种生物医学应用。...

免疫靶向磁-等离子体纳米簇的合成

传统光学操控技术的可扩展性和分辨率受衍射效应限制。我们克服了衍射极限，描述了一种利用在金膜表面制备的、由紧密排列的C形等离激元谐振器构成的路径，在芯片上实现纳米颗粒光学传输的方法。...

纳米光学传送带的制备与操作

在分离的等离激元粒子中发现了可饱和和反可饱和散射，并将其作为一种新型的不漂白对比机制应用于超分辨率显微技术中。本文详细阐述了检测和提取非线性散射的实验步骤，以及如何借助饱和激发显微技术提高分辨率。...

单个等离激元纳米粒子散射非线性的测量

我们描述了通过湿化学法制备多功能Fe2O3-Au纳米颗粒及其性质，并利用激光照射研究其光热性能。该复合型Fe2O3-Au纳米颗粒保留了两种材料的特性，形成具有优异磁性和等离子体特性的多功能结构。...

多功能杂化 Fe2O3-Au 纳米颗粒用于高效等离激元加热

本文介绍了一种用于胶体合成银纳米立方体及制备具有亚10...

用于等离激元学与纳米光子学应用的纳米贴片天线胶体合成

本文介绍了一种集成等离子体激元镊子的微芯片制备工艺。该微芯片能够对捕获的粒子进行成像，以测量其最大捕获力。...

监测环境中的等离子体捕获与释放纳米颗粒

我们描述了一种在纳米等离激元光晶格中光学捕获微粒的方法。...

纳米等离激元光晶格中微粒的捕获

我们演示了利用胶体光刻技术制备周期性金纳米杯阵列的方法，并讨论了纳米等离激元薄膜的重要性。...

利用胶体光刻技术制备周期性金纳米杯阵列

本文介绍了一种通过局域表面等离激元激发，在水相悬浮的金纳米棒上各向异性光沉积钯的实验方案。...

通过表面等离激元激发在胶体金纳米棒上进行钯的光沉积

本文介绍了一种在ZrO₂上负载银-钯（Ag-Pd）合金纳米颗粒（NPs）的合成方案。2 (Ag-Pd/ZrO₂)2）。该系统能够利用可见光照射收集能量，从而加速并控制分子转化过程。这一特性通过在光照下由Ag-Pd/ZrO催化硝基苯还原反应得以展示。2...

用于可见光照射下等离激元催化的银-钯合金纳米颗粒的制备

学习利用电浆和光子晶体纳米结构增强微型和纳米操纵技术，通过制备基底和生物样品实现高效光镊捕获。该方法显著降低捕获所需光强，适用于细胞相互作用等生物物理学研究。

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

探索更多视频