Name: Nutzung von Plasmonic und Photonic Crystal Nanostrukturen für verbesserte Mikro-und Nanopartikel-Manipulation (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-09-27T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 29 s
Description: Erfahren Sie, wie plasmonische und photonische Kristall-Nanostrukturen die optische Falleffizienz für Mikro- und Nanopartikel erheblich steigern. Diese Methode ermöglicht die Manipulation biologischer Objekte bei reduzierter Laserintensität.

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Wir möchten auch Xiaoyu Miao und Ben Wilson für die Entwicklung der meisten der beschriebenen Methoden innerhalb danken. Diese Arbeit wurde vom National Science Foundation (DBI 0454324) und dem National Institute of Health (R21 EB005183) und PHS NRSA T32 GM07270 aus NIGMS zu ECK finanziert.

1. Zufällige Au Nanopartikel Array Fabrication 8,10,12,14 <ol><li> Die Au-Nanopartikel-Arrays ist, indem zunächst eine Vorlage, die von einer dichten Schicht von zufällig adsorbierten Latex-Kugeln mit mittleren Durchmesser von 454 nm vorgenommen wird. Hierzu wird zunächst verdampft Gold auf einem Deckglas zu einer Dicke von 20 nm unter Verwendung von Chrom als Haftschicht erreicht. </li><li> Die Polystyrol-Kugel Monoschicht wird dann, indem man die gold-beschichteten Substrat eine Mischung aus selbstorganisierten 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimid Hydrochlorid (EDC), Latex-Bereich Fahrwerk und de-ionisiertem Wasser. </li><li> Das Adsorptionsverfahren ist berechtigt, für etwa eine Stunde dauern und die nicht absorbierte Kugeln sind weg mit viel Wasser gewaschen. </li><li> Die gebildeten Monoschicht an der Luft getrocknet. </li><li> Schließlich ist ein weiterer 20 nm Gold auf dem Latex Kugel Monoschicht eingedampft, um die zufällige Gold-Nanopartikel-Arrays zu bilden. </li><li> Wenn ein SEM verfügbar ist, können die AuNP Array unter dem SEM gesehen werden, wie in Abbildung 1 und ein Diagramm des Prozesses ist in Abbildung 8 gezeigt aussehen. </li></ol> 2. Biologische Probenvorbereitung 9,11 <ol><li> Probenvorbereitung für die optisch Trapping Maus Zellkerne wird nun angezeigt. </li><li> 3T3 Maus-Zellkernen mit Acridinorange-Farbstoff markiert wurden aus dem Tewari Gruppe am Fred Hutchinson Cancer Research Center erhalten. </li><li> 10 (BSA:: Maus Zellkerne) 10% Rinderserumalbumin (BSA) in Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung (PBS) ist es, die Maus Zellkerne in einer Konzentration von etwa 1 gegeben. Die BSA hilft, die Kerne ein Verkleben mit dem Substrat zu verhindern. </li><li> Mischen Sie die Lösung mit Ultraschall. </li><li> 5 UL unserer Lösung wird auf die Aluminium-Gitter Array Deckglas aufgebracht. Es ist besser, diesen Schritt mit dem Aluminium-Gitter auf das Mikroskop der Bühne, so dass Sie nicht über den Probentransport nach der Lösung abgeschieden wird. </li><li> Zwei Stapel aus zwei 1 "von 1" Deckgläser werden verwendet, um ein Fünftel Deckglas durch welche die Probe betrachtet wird unterstützt. </li><li> Position der Probe unter dem Mikroskop betrachten. </li></ol> 3. Verfahren zur Überfüllung <ol><li> Die optische Pinzette, indem er eine 35 mW Helium-Neon-Laser durch ein Zeiss Axio Imager.D1M mit einem GFP-17 Filter gesetzt, die so modifiziert, dass für 633 nm Laserstrahlung der Probe erreichen ist ausgestattet gebaut. </li><li> Ein Zeiss LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50fach Objektiv wird verwendet, um Bild die Zellkerne, die etwa 5 Mikrometer im Durchmesser sind. </li><li> Nachdem die Probe unter dem Objektiv angebracht ist, konzentrieren das Mikroskop auf die Gold-Nanopartikel-Arrays oder Beugungsgitter. </li><li> Übersetzen Mikroskop vertikal bis Fokus auf die Kerne, die Sie wünschen, trap erreicht wird. </li><li> Position Laserfalle Ort über Partikel-und des Teilchens sollte dann seine Position in der Laserspot, auch wenn die Bühne übersetzt wird. </li></ol> 4. Repräsentative Ergebnisse: Die zufällige Gold-Nanopartikel-Arrays Verfahren sollten Hinterlegung einer Monoschicht AuNP ist, dass unter einem SEM angesehen werden kann, um wie in Abbildung 1 aussehen. Die Klemmkraft durch diese Plasmonen Pinzette erstellt wurden, können 10-20 mal die Kraft, die durch herkömmliche optische Pinzette erzeugt werden. Die minimale Intensität der Plasmonen Pinzette benötigt, um Teilcheneinschluss zu erreichen sind für Partikel unterschiedlicher Größe in Abbildung 4 dargestellt. 9,10 Das Beugungsgitter erreicht Ausrichtung und Abfangen mit 20-fach höheren Wirkungsgrad als Trapping das Gold Nanodots und konnte erreichen, Trapping mit möglichst wenig als 17 uW / um 2 (Abbildung 7). 11 <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig1.jpg"> Abbildung 1 10 (a) REM-Aufnahme des selbstorganisierten Gold-Nanopartikeln. Der Durchmesser der einzelnen Gold-Nanopartikel beträgt etwa 450 nm. (B) NSOM Bild der Plasmonen Substrat, wo die Nanopartikel Verteilung ist spärlich, zeigt die Nahfeld-Strahlung. Die Wellenlänge der Anregung Laser 633 nm. (C) Hohe Vergrößerung Blick auf den Bereich mit dem roten Quadrat in (b) gekennzeichnet. (D) Streuung Effizienz Spektrum der Plasmonen Substrat, zeigt der Peak bei 624 nm. (E) Absorption Effizienz Spektrum der Plasmonen Substrat, zeigt der Peak bei 668 nm. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig2.jpg"> Abbildung 2 13 (a) Au Nanokügelchen zufällig auf einem 2D-Domain 1 verteilt x 1 &amp;mgr; m 2. Jeder blaue Punkt stellen die Mitte der Nanokügelchen (a = 60 nm). Scattering Feldverteilungen auf der Beobachtung Ebenen, die parallel zu den zufälligen Nanokugel Array sind in (b) gezeigt - (e). Die Nanokugel Array wird gleichmäßig durch eine ebene Welle mit der Wellenlänge von 540 nm beleuchtet. Der Brechungsindex des umgebenden Mediums ist 1,33. Die polarization Richtung der ebenen Welle entlang der X-Achse (horizontal in (a)). Die Größe des einfallenden elektrischen Feld ist mit 1 angenommen in die Berechnung ein. Die Trennung zwischen der Beobachtungsebene und die Nanokugel Array ist als h. definiert b) h = a. c) h = 2a. d) h = λ. e) h = 2λ. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig3.jpg"> Abbildung 3 9 Schematische Darstellung der kundenspezifischen Fluoreszenzmikroskop Konfiguration mit einem umgangen Anregungsfilter und ersetzt dichroitische Strahlteiler. Dies ist die Konfiguration für die simultane Einfangen und Fluoreszenz-Bildgebung verwendet. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig4.jpg"> Abbildung 4 10 Die minimale Laserintensität, um die Falle als eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit der umgebenden Flüssigkeit Nutzung plasmonischen Trapping erhalten. Alle optischen Intensitäten sind auf Probenebene unter dem Mikroskop Ziel gemessen. (A) - (f) zeigen die Messergebnisse für einzelne Polystyrol-Kügelchen mit einem Durchmesser von 7,3, 6,3 (nicht-sphärische), 5,0, 3,9, 2,5 und 1,1 um beträgt. Die Einschübe zeigen die entsprechenden mikroskopischen Bilder der Teilchen. Die Maßstäbe in allen Bildern vertreten 5 mu m in der Länge. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig5.jpg"> Abbildung 5 10 Die Steigung der Ausgleichsgerade durch Herkunft in Abb.. 4 gegen Partikelgröße für plasmonischen Trapping. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichungen der linearen passt. Die Steigung der Ausgleichsgerade (Verhältnis zwischen der optischen Intensität Schwellen-und Durchfluss) in Abb.. 4 hat ein annähernd linearer Zusammenhang mit der Partikelgröße als in dieser Figur gezeigt, was darauf hinweist den Vorteil, dass Plasmonen Trapping insbesondere für kleine Teilchen. <img alt="Abbildung 6" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig6.jpg"> Abbildung 6 11 (a) Schematische Darstellung des erweiterten optischen Fallen nutzen 1-D periodischen Nanostrukturen. Der einfallende Strahl gebeugt wird durch die periodische Nanostruktur bei weitem Feld. (B) Die Intensitätsverteilung des Lichtes mit zwei orthogonalen Polarisationen Nanostruktur bei weitem Feld. (B) Die Intensitätsverteilung des Lichtes mit zwei orthogonalen Polarisationen an der Oberfläche eines Aluminium-Gitter mit einer 417 nm Periode unter Verwendung FDTD-Simulationen. Die Verteilung ist die Intensität auf einer flachen Aluminium-Oberfläche normalisiert. (C) und (d) Trapping Potenzial für Partikel direkt über dem Gitter Oberfläche im Vergleich Lage des Teilchens für (c) eine 350 nm Polystyrol-Kügelchen und (d) eine 1 um Polystyrolkugel. Die weißen Kreise zeigen die Größe der Partikel. Einschübe zeigen die Trapping-Potential über eine flache Aluminium-Oberfläche für die gleiche Partikelgröße als Vergleiche. Die Werte werden für jede Partikelgröße normalisiert. Für alle FDTD Simulation Figuren das Sichtfeld ist 10 x 8 &amp;mgr; m 2. <img alt="Abbildung 7" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig7.jpg"> Abbildung 7 11 (a) Trap Effizienz und minimale Trapping Intensität für Polystyrol-Kügelchen in verschiedenen Größen mit Strahlpolarisation senkrecht zur Gitter-Linien gemessen. Inset zeigt trap Asymmetrie in Trapping Effizienz für die Übersetzung eines 3,87 um Polystyrolkugel senkrecht und parallel zu den Regeln des Gitters. Die durchgezogene Linie (große Asymmetrie) ist mit dem einfallenden Licht polarisiert senkrecht zu den Gitterlinien erhalten, und die gestrichelte Linie (kleine Asymmetrie) ist mit dem einfallenden Licht parallel zu dem Gitter erhalten. Das Gerät ist in (pN [mW / um 2] -1). (B) - (d) Trapping Demonstration eines fluoreszierenden 590 nm Polystyrol-Kügelchen. Der rote Kreis zeigt die Position des Laserspots wie das Laserlicht zu schwach zu sehen war. Zunächst werden die Teilchen innerhalb der Stelle mit höherer Leistung gefangen, als die Macht der Brownschen Bewegung des Teilchens überwindet die Klemmkraft verringert wird, so dass die Partikel zu entkommen. (E) - (g) Trapping Demonstration eines fluoreszierenden Eierstockkrebs Zellkern. Die minimale Intensität erforderlich, um Überfüllung zu initiieren war 16 mW / &amp;mgr; m 2 unter Verwendung eines 20x Objektiv. <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig8.jpg"> Abbildung 8 14 Fabrication Verfahren des kappenförmigen Gold-Nanopartikeln: a) Die Verdampfung des Cr und Au dünne Schicht auf dem Deckglas. b) Die Exposition gegenüber dem Polystyrol Kugel Federung und Adsorption von Kugeln für 1 Stunde. c) Entfernung von nicht-adsorbierten Polystyrolkügelchen und Trocknung der Oberfläche. d) Verdampfen von einer weiteren Schicht Au auf der Vorlage Sphären. e) Schematische Darstellung des kappenförmigen Au-Nanopartikel-Arrays, wo Au deckt nur die Oberseite der Vorlage Sphären.

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</ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Die Bedeutung dieser Fangmethoden ist, dass sie die optische Intensität notwendig für eine nachhaltige Fang von irgendwo Rückgang in der Größenordnung von 10 3 mW / um 2 bis irgendwo in der Größenordnung von 10 mW / &amp;mgr; m 2. 10,11 Die Beschränkungen dieser Techniken werden, dass die Gold-Nanopartikel-Arrays Heizung Probleme, die überwunden werden müssen Erfahrungen. Zur Überwindung dieses Problems kann ein 2D-photonischen Kristall-Struktur, die aus einem dielektrischen Material ver...

<table border="1"><tr><td> Material Name </td><td> Typ </td><td> Firma </td><td> Catalog Number </td><td> Kommentar </td></tr><tr><td> Axio Imager Mikroskop </td><td> D1M </td><td> Zeiss </td><td> D1M </td><td> Zeiss Axio Imager.D1M </td></tr><tr><td> Mikroskopobjektiv </td><td> 50x/0.55 </td><td> Zeiss </td><td></td><td> LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC </td></tr><tr><td> Zeiss-Mikroskop-Kamera </td><td> AxioCam MRc </td><td> Zeiss </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Helium-Neon-Laser </td><td> 35 mW </td><td> Forschung Electro-Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Variabler Abschwächer </td><td> Continuously Variable ND </td><td> ThorLabs </td><td> NDC-100C-4M </td><td> Für das Einstellen Mikroskop Intensität </td></tr><tr><td> Zeiss-Filter-Set </td><td> Filter-Set # 17 </td><td> Zeiss </td><td> 488017-9901-000 </td><td> Filter-Set # 17 </td></tr><tr><td> Mikropräparate </td><td> 0,5 mm Dicke </td><td> VWR </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 3T3 Maus Zellkerne </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td> Shop so kalt wie möglich </td></tr><tr><td> Acridinorange-Farbstoff </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> Bovine Serum Albumin </td><td> 1 bis 10 Ration in PBS </td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> 454 nm Polystyrenkugeln </td><td></td><td> Polysciences, Inc. </td><td></td><td></td></tr><tr><td> carbodiimidhydrochlorid (EDC) </td><td> 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) </td><td> G-Biosciences </td><td> BC25-1 </td><td></td></tr><tr><td> Gold (für die Ablagerung) </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Reflektierende ausgeschlossen Beugungsgitter </td><td></td><td> Edmund Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Phosphate Buffered Saline (PBS) </td><td> Dulbeccos Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung (D-PBS) (1x) </td><td> Invitrogen </td><td> 14190-144 </td><td></td></tr></table>

nutzung von plasmonic und photonic crystal nanostrukturen für verbesserte mikro-und nanopartikel-manipulation

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

Eine Methode, um die Position und Orientierung des Submikronpartikel manipulieren destruktiv wäre ein unglaublich nützliches Werkzeug für die biologische Grundlagenforschung werden. Vielleicht ist die am weitesten verbreitete körperliche Kraft, um nicht-invasiven Manipulation von kleinen Partikeln zu erreichen hat Dielektrophorese worden (DEP). 1 Allerdings fehlt DEP auf eigene Vielseitigkeit und Präzision, die gewünschten beim Manipulieren von Zellen sind, da sie traditionell mit stationären Elektroden durchgeführt. Optische Pinzetten, die eine dreidimensionale elektromagnetische Feldgradienten Kräfte auf kleine Partikel ausüben zu nutzen, dies zu erreichen gewünschte Vielseitigkeit und Präzision. 2 Allerdings ist ein großer Nachteil dieses Ansatzes die hohe Strahlungsintensität erforderlich, um die notwendige Kraft zu erreichen, um eine Partikelfalle, die können biologische Proben Schaden 3 Eine Lösung für den Rückhalt und die Sortierung mit geringeren optischen Intensitäten ermöglicht werden optoelektronische Pinzette (OET), aber OET ist außerdem Einschränkungen mit feinen Manipulation von kleinen Partikeln,.. dass DEP-basierte Technologie setzt auch Einschränkung auf dem Grundstück der Lösung 4 , 5 Dieses Video Artikel beschreibt zwei Methoden, die die Intensität der Strahlung für die optische Manipulation von lebenden Zellen benötigt verringern und auch eine Methode zur Orientierung zu kontrollieren. Die erste Methode ist plasmonischen Pinzette, die eine zufällige Gold-Nanopartikel (AuNP) Array zu verwenden als Substrat für die Probe, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die AuNP Array wandelt die auftreffenden Photonen in lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSP), die von resonanten Dipolmomente, die aus strahlen und erzeugt eine gemusterte Strahlungsfeld mit einer großen Steigung in der Zelle Lösung. Erste Arbeiten zur Oberflächen-Plasmon erweitert Trapping von Righini et al und unsere eigene Modellierung haben gezeigt, den von der Plasmonen Substrat erzeugt reduzieren die anfängliche Intensität erforderlich durch die Stärkung der Gradientenfeld, dass Fallen der Teilchen. 6,7,8 Die Plasmonen Ansatz für feine erlaubt Orientierung Kontrolle von ellipsoidischen Teilchen und Zellen mit niedrigen optischen Intensitäten aufgrund der effizienteren optische Energie Umwandlung in mechanische Energie und einem Dipol-abhängige Strahlungsfeld. Diese Felder sind in Abbildung 2 dargestellt und die geringe Überfüllung Intensitäten sind in den Abbildungen 4 und 5 beschrieben. Die Hauptprobleme bei Plasmonen Pinzetten sind, dass die LSP ist eine beträchtliche Menge an Wärme zu erzeugen und die Trapping ist nur zweidimensional. Diese Wärme erzeugt konvektiven Strömungen und Thermophorese die stark genug sein, um Submikronpartikel aus der Falle zu vertreiben können. 9,10 Der zweite Ansatz, dass wir beschreiben, nutzt periodischen dielektrischen Nanostrukturen einfallendes Licht streuen sehr effizient in Beugung Modi, wie in Abbildung 6 gezeigt, . 11 Idealerweise würde man diese Struktur aus einem dielektrischen Material auf die gleiche Heizung Probleme mit der Plasmonen Pinzette erlebt zu vermeiden, aber in unserem Ansatz eine Aluminium-beschichtete Beugungsgitter ist als eine eindimensionale periodische dielektrische Nanostruktur verwendet. Obwohl es nicht ein Halbleiter, dauerte es nicht erleben eine signifikante Erwärmung und effektiv gefangen kleine Partikel mit geringer Trapping Intensitäten, wie in Abbildung 7 dargestellt. Ausrichtung der Partikel mit dem Gitter Substrat konzeptionell bestätigt die These, dass ein 2-D photonischer Kristall könnte präzise Rotation des nicht-sphärische Partikel mikrometergroßen ermöglichen. 10 Die Effizienz dieser optischen Fallen sind aufgrund der verbesserten Felder durch die Nanostrukturen beschrieben hergestellt erhöht dieser Veröffentlichung.

Plasmonic Pinzette und photonischen Kristall Nanostrukturen gezeigt, nützliche Verbesserungen in der Effizienz und Orientierung Kontrolle von optisch Trapping Mikro-und Nano-Partikel zu produzieren.

Nutzung von Plasmonic und Photonic Crystal Nanostrukturen für verbesserte Mikro-und Nanopartikel-Manipulation

Eine Methode zur zerstörungsfreien Manipulation der Position und Orientierung von Submikrometerpartikeln wäre ein unglaublich nützliches Instrument für die grundlegende biologische ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, mikrometergroße biologische Objekte mit plasmonischen und photonischen Kristall-Optischen Pinzetten einzufangen. Dies wird erreicht, indem zunächst das plasmonische Substrat oder das Substrat aus photonic crystal hergestellt wird. Anschließend wird die biologische Probe vorbereitet, indem BSA zur Zellsuspension gegeben und ausreichend Platz für die Zellsuspension unterhalb des oberen Deckglases geschaffen wird.Dann wird der Laser auf das Mikroskop ausgerichtet, das mit dem entsprechenden Filtersystem ausgestattet ist. Das Mikroskop wird nun auf die Probe fokussiert und das Einfangen durchgeführt. Schließlich können Mikro- oder Nanopartikel mit verringerter einfallender Intensität mithilfe plasmonischer oder photonischer Kristall-Nanostrukturen eingefangen werden.Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie herkömmlichen optischen Pinzetten besteht darin, dass die Umwandlung der optischen Felder durch plasmonische und photonische Kristall-Nanostrukturen die zur Erfassung kleiner Partikel wie Zellen erforderliche Intensität verringert und außerdem kein stark fokussierter Strahl benötigt wird, wodurch das Risiko einer photoinduzierten Zellschädigung durch Strahlenexposition reduziert wird. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in vielen biologischen Bereichen zu beantworten, beispielsweise zur Wechselwirkung zwischen Zellen und zur Untersuchung verschiedener biologischer Kräfte. Außerdem kann sie als nützliches Werkzeug in der Mikro- und Nanotechnologie zur Herstellung dienen, indem sie eine präzise Manipulation von Mikro- und Nanopartikeln ermöglicht. Um ein Array aus Gold-Nanopartikeln mithilfe eines Elektronenstrahl-Verdampfers und Chrom als Haftvermittlerschicht herzustellen, wird Gold mit einer Dicke von 20 Nanometern auf einen Glas-Deckträger aufgedampft.Reinigen Sie die Probe mithilfe von Sauerstoff-Plasma für etwa eine Minute, um organische Verunreinigungen auf der Oberfläche zu entfernen. Nachdem die Polystyrol-Einzel-Schicht zur Selbstorganisation gebracht wurde, tropfen Sie die Flüssigkeit auf die Probe, gießen sie ab, inkubieren Sie sie für etwa eine Stunde und waschen Sie anschließend die nicht adsorbierten Kugeln mit einem großen Wasservolumen ab, bevor Sie sie lufttrocknen. Verdampfen Sie abschließend eine zweite 20-Nanometer-Schicht aus Gold auf die Latexkugel-Einzel-Schicht, um ein zufälliges Array aus Gold-Nanopartikeln zu bilden.Das Nanopartikel-Array ist nun bereit für die biologische Probe. Platzieren Sie den vorbereiteten Nanopartikel-Objektträger auf der Stufe eines Fluoreszenzmikroskops. Der nächste Schritt besteht darin, Mauszellkerne für das optische Fangen vorzubereiten.Beginnen Sie mit Mauszellkernen, die mit Aine Orange markiert sind, um ein Anhaften der Kerne an das Substrat zu verhindern. Geben Sie die Zellkerne in ein kleines Gefäß und fügen Sie 10 % BSA in PBS in einer Konzentration von 1 bis 10 % BSA hinzu, und mischen Sie durch Wirbeln. Pipettieren Sie anschließend fünf Mikroliter der Kern-BSA-Lösung auf den vorbereiteten Objektträger.Um einen Abstand zwischen den Kernen und der Deckglasabdeckung zu schaffen, platzieren Sie einen Stapel aus zwei Abstandshalter-Deckgläsern um den Tropfen herum und legen anschließend ein weiteres Deckglas darüber. Für das Einfangen und gleichzeitige Abbilden verwenden Sie eine angepasste Konfiguration eines Fluoreszenzmikroskops, die einen umgangenen Anregungsfilter und zwei spezielle dichroische Strahlteiler umfasst. Die optischen Pinzetten werden konstruiert, indem ein 35-Milliwatt-Helium-Neon-Laser durch ein ZES-Axio-Imager-D1-M-Mikroskop geleitet wird, das mit einem GFP-17-Filterset ausgestattet ist und modifiziert wurde, sodass 633-Nanometer-Laserstrahlung die Probe erreicht.Das Mikroskop fokussiert den Laserstrahl auf die Probe, wobei der Strahl entweder durch das plasmonische Nanopartikel-Substrat oder durch das Beugungsgitter abgelenkt wird. Um die Zellkerne, die einen Durchmesser von etwa fünf Mikrometern haben, abzubilden, verwenden Sie ein Zeiss LDEC Epi-Plan mit einem Neola 50x-Objektiv. Beginnen Sie damit, die Probe auf dem Objektiv zu platzieren und die Ebene mit der höchsten Anzahl an Kernen zu fokussieren, da diese auf der Oberfläche des Substrats liegen.Als Nächstes fokussieren Sie das Mikroskop auf einen Kern, den Sie einfangen möchten, indem Sie frei schwebende Zellkerne oberhalb der Zellschichten an der Oberfläche finden. Positionieren Sie dann den Laserfalle-Fleck über dem Partikel. Zu diesem Zeitpunkt sollte der Partikel eingefangen sein und seine Position im Laserfleck auch dann beibehalten, wenn der Objekttisch bewegt wird.Die Maus-Kerne, die sich in der Fokusebene des Mikroskops befinden, werden wahrscheinlich aufgrund einer geringen mikrofluidischen Strömung, die durch Probenerwärmung und -verdunstung verursacht wird, leicht driftend sein, während die Kerne in der Falle eine feste Position beibehalten. Diese Abbildung zeigt ein Rasterelektronenmikrogramm selbstassemblierter Goldnanopartikel, deren Durchmesser jeweils etwa 450 Nanometer beträgt. Hier ist ein Bild der Nahfeld-Rasteroptikmikroskopie des plasmonischen Substrats, bei dem die Verteilung der Nanopartikel spärlich ist und die Nahfeldstrahlung zeigt.Die Wellenlänge des Anregungslasers beträgt 633 Nanometer, hier ist ein Streuungs­effizienz­spektrum des plasmonischen Substrats mit einem Maximum bei 624 Nanometern dargestellt. Ein Absorptions­effizienz­spektrum des plasmonischen Substrats zeigt das Maximum bei 668 Nanometern. Goldnanosphären sind zufällig auf einer zweidimensionalen Domäne von einem mal einem Quadrat verteilt.Mikrometer sind hier dargestellt. Jeder blaue Kreis repräsentiert das Zentrum der Nanokugel. In diesen Darstellungen sind Streufeldverteilungen auf Beobachtungsebenen gezeigt, die parallel zum zufälligen Nanokugel-Array liegen.Diese Diagramme zeigen die minimalen Laserintensitäten, die erforderlich sind, um die Falle bei unterschiedlichen Strömungsraten der umgebenden Flüssigkeit aufrechtzuerhalten. Bei Verwendung der plasmonischen Falle werden alle optischen Intensitäten in der Probenebene unter dem Mikroskopobjektiv gemessen. Jedes Feld zeigt die Messergebnisse für einzelne Polystyrolkügelchen mit verschiedenen Durchmessern.Die Einlagen zeigen die entsprechenden mikroskopischen Aufnahmen der Partikel. Die Maßstabsbalken in allen Bildern entsprechen einer Länge von fünf Mikrometern. Dargestellt ist hier die Steigung der durch den Ursprung verlaufenden angepassten Geraden aus den vorherigen Diagrammen in Abhängigkeit von der Partikelgröße. Für das plasmonische Einfangen. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichungen der linearen Anpassungen. Die Ergebnisse zeigen, dass größere Partikel eine höhere Laserintensität benötigen, um eine ausreichende Fangstabilität aufrechtzuerhalten.Dieses Schema zeigt das verbesserte optische Fangen unter Verwendung eindimensionaler periodischer Nanostrukturen. Der einfallende Strahl wird durch die periodische Nanostruktur im Fernfeld gebeugt. Dargestellt ist hier die Intensitätsverteilung von Licht mit zwei orthogonalen Polarisationen an der Oberfläche eines aluminiumbasierten Gitters.Bei einer mit Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Simulationen ermittelten Periode von 417 Nanometern wird die Verteilung auf die Intensität an einer flachen Aluminiumoberfläche normalisiert. Diese Abbildungen zeigen das Fangpotential für Teilchen direkt oberhalb der strukturierten Oberfläche in Abhängigkeit von der Teilchenposition. Für CA 350 Nanometer große Polystyrolkügelchen und DA ein Mikrometer große Polystyrolkügelchen veranschaulichen die weißen Kreise die Größen der Teilchen.Einlagen zeigen das Fangpotential über einer flachen Aluminiumoberfläche. Für die gleiche Partikelgröße wie bei den Vergleichen. Die Werte sind für jede Partikelgröße normalisiert.Für alle FDTD-Simulationsabbildungen beträgt das Sichtfeld 10 mal acht Quadratmikrometer. Dargestellt ist die Fang-Effizienz und die minimale Fangintensität, gemessen für Polystyrol-Partikel verschiedener Größen mit der Strahlpolarisation senkrecht zu den Rasterlinien. Die Einlage zeigt die Asymmetrie des Fangverhaltens bezüglich der Fang-Effizienz beim Verschieben eines 3,87-Mikrometer-Polystyrol-Partikels senkrecht und parallel zu den Linien des Rasters.Hier ist eine schematische Darstellung des translativen Winkels des Teilchens. Diese Einlage zeigt die Verstärkung in Abhängigkeit von der Translationsrichtung für verschiedene Polarisationen und Teilchengrößen. Die durchgezogene Linie mit großer Asymmetrie wird mit einfallendem Licht erzielt, das senkrecht zur Abstufung und zur gestrichelten Linie polarisiert ist.Kleine Asymmetrie wird bei einfallendem Licht erzielt, das parallel zur Rasterung polarisiert ist. Diese Bilder zeigen eine Fangdemonstration einer fluoreszierenden Polystyrolkugel mit 590 Nanometern. Der rote Kreis markiert die Position des Laserflecks, da das Laserlicht zunächst zu schwach war, um sichtbar zu sein.Das Teilchen wird innerhalb des Flecks bei höherer Leistung festgehalten. Wenn die Leistung verringert wird, überwindet die brownsche Bewegung des Teilchens die Fesselkraft, wodurch das Teilchen entweichen kann. Hier wurde ein fluoreszierender Zellkern von Eierstockkrebs festgehalten; die minimale Intensität, die erforderlich war, um die Fesselung einzuleiten, betrug 16 Mikrowatt pro Quadratmikrometer und wurde mit einem 20×-Objektiv erreicht.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine optische Falle mit geringer Intensität erzeugt, um mikro- und nanoskalige biologische Proben mithilfe von plasmonischen und photonischen Kristall-Nanostrukturen auf nichtinvasive Weise zu manipulieren.

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Forschung

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Biotechnik

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