Le piégeage optique de nanoparticules

L'objectif général de cette procédure est de créer un dispositif de piégeage optique par ouverture afin de piéger des particules d'environ 20 nanomètres de taille. Pour ce faire, un détecteur est ajouté à un dispositif existant de piégeage optique par laser afin de permettre la mesure. Ensuite, la solution de nanoparticules à mesurer est dispensée dans une chambre microfluidique équipée du piège à double trou nanométrique, et la chambre est chargée sur le dispositif de piégeage optique.

Lorsqu'une particule pénètre dans l'ouverture éclairée, la transmission de la lumière augmente fortement en raison de la charge diélectrique. Si la particule tente de quitter l'ouverture, la diminution de la transmission provoque un changement de quantité de mouvement vers l'extérieur de l'orifice, ce qui, selon la troisième loi de Newton, engendre une force ramenant la particule à l'intérieur de l'orifice, la piégeant ainsi. La particule induit un décalage vers le rouge de la courbe de transmission, qui peut être surveillé.

Par conséquent, le piège peut devenir un capteur. En définitive, des résultats peuvent être obtenus, montrant des événements de piégeage de nanoparticules, y compris le dépliage des protéines piégées, indiqué par des variations de l'intensité laser à travers le double trou nanométrique. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes, telles que le piégeage optique par force de gradient, est qu'elle permet de piéger des nanoparticules plus petites avec des intensités laser plus faibles.

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en biochimie, comme la manière dont les protéines individuelles se replient et interagissent, et comment les particules virales infectent les cellules vivantes. En général, les personnes utilisant cette méthode éprouvent des difficultés, car il est difficile d'intégrer le double trou nana dans un système de piégeage laser existant. Le dispositif de piégeage optique est basé sur un kit de pinces optiques de Thor Lab, équipé d'un module de mesure de force.

Une photodiode à avalanche est utilisée pour remplacer le détecteur quadrantal dans le module de mesure de force. Lors de la mise en place du système de piégeage optique, une protection oculaire doit être portée chaque fois que le laser est activé. Veillez à ce que le faisceau reste confiné dans une zone sécurisée en travaillant dans une pièce fermée et en limitant autant que possible le trajet du faisceau à l'intérieur du dispositif de piégeage ; il convient d'éviter tout bijou réfléchissant.

Des gants en latex sont portés. Pour garantir la propreté des optiques, installer le kit de pinces optiques et le module de mesure de force. Conformément aux instructions du fabricant, le kit de pinces optiques assemblé possède une conception de microscope inversé et se compose des éléments suivants : un laser de piégeage, un objectif à immersion huile de 100 x, une platine de positionnement d'échantillon à trois axes et une caméra CCD.

Veuillez noter qu'il est conseillé de se protéger contre les décharges électrostatiques lors de la manipulation de diodes laser. Le module de mesure de force permet l'étalonnage des pinces optiques à l'aide de la détection de position du plan focal arrière du condenseur. Une photodiode à avalanche au silicium ou une PD est utilisée à la place des modules de mesure de force.

Le détecteur de position à quadrant insère également un filtre résistance-condensateur (RC) composé d'une résistance de 200 kiloohms et d'un condensateur de 100 picofarads. Ce filtre permet de réduire le bruit à haute fréquence et facilite l'observation des événements de piégeage sur l'oscilloscope. Utilisez un câble coaxial pour connecter le filtre RC après le APD. Ensuite, utilisez des câbles coaxiaux et un adaptateur en T pour relier l'oscilloscope et le module d'acquisition de données au filtre RC.

Le système est désormais prêt pour le chargement de l'échantillon. L'ouverture à double nano-trou est constituée de deux nano-trous usinés dans une couche d'or à l'aide d'un faisceau d'ions focalisés. La couche a une épaisseur de 100 nanomètres et est supportée par un substrat en verre.

Les nano-perforations se chevauchent pour former deux pointes aiguës. Les nanoparticules seront piégées dans l'interstice entre ces pointes par la lumière laser incidente sur la double nano-perforation.

De grandes caractéristiques de repérage doivent également être usinées dans le film métallique afin de faciliter l'identification de l'emplacement du double nano-trou au microscope optique. Ces caractéristiques doivent être situées à environ 100 micromètres du double nano-trou. Versez 10 grammes de polydiméthylsiloxane ou base PDMS et un gramme d'agent de réticulation dans un gobelet jetable. Mélangez pendant quelques minutes.

Ensuite, placer le mélange dans une chambre à vide jusqu'à disparition complète des bulles. Puis verser 1,5 gramme de PDMS dans une boîte de Pétri de neuf centimètres de diamètre. Appliquer le PDMS par centrifugation sur le fond de la boîte de Pétri à 950 tr/min pendant 65 secondes selon le programme de rotation.

L'épaisseur n'est pas critique tant qu'elle est inférieure à 80 microns. Placez délicatement trois à cinq lamelles de numéro 1,5 sur le PDMS de manière à ce qu'elles ne se chevauchent pas, puis faites le vide pendant 30 minutes.

Si, pendant la dépressurisation, les lamelles ont bougé et se sont empilées les unes sur les autres, déplacez-les délicatement pour les séparer. Veillez à maintenir l'épaisseur de PDMS sous les lamelles fine et uniforme. Ensuite, dépressurisez à nouveau la boîte de Pétri pendant 30 minutes.

Retirer la boîte de Pétri de la chambre à vide et la chauffer sur une plaque chauffante pendant 20 minutes à 85 degrés Celsius pour polymériser le PDMS. Une fois le PDMS solidifié, utiliser une lame de rasoir pour découper le long des bords de l'une des lamelles. Puis, à l’aide de pinces à pointe fine ou d’une lame, soulever délicatement la lamelle ; une fine couche de PDMS adhérera à la lamelle.

Placer la lame de verre avec le PDMS dans une nouvelle boîte de Pétri. Ensuite, à l’aide d’un rasoir, découper une fenêtre de trois millimètres sur trois millimètres dans le PDMS. Cette fenêtre formera la chambre où la solution de nanoparticules sera conservée.

Utilisez une découpeuse laser pour fabriquer un support en acrylique pour lame de microscope comportant un trou de trois quarts de pouce de diamètre au centre. Collez le pourtour du trou avec du ruban adhésif double face. Utilisez une lame de rasoir pour retirer tout excès de ruban.

Placer la lame de microscope fabriquée sur l'une des lamelles préparées recouvertes de PDMS de sorte que le PDMS soit coincé entre le verre et l'acrylique. À l'aide d'une micropipette, ajouter quelques gouttes d'une solution de nanosphères de polystyrène à 0,05 % en poids par volume sur la fenêtre en PDMS.

Ajoutez une goutte sur le film d'or là où se trouvent les nano-trous. Placez l'échantillon d'or au-dessus des lamelles, les nano-trous se trouvant à l'intérieur de la fenêtre en PDMS. Veillez à ce qu'il n'y ait pas de bulles dans la chambre.

Ensuite, appuyez l'échantillon en or contre la lamelle. Essuyez et retirez toute solution excédentaire, car un objectif à immersion huileuse sera utilisé. Ajoutez une goutte d'huile de l'autre côté de la lamelle, au-dessus de la fenêtre en PDMS.

Prenez note de l'emplacement des nano-trous. Insérez le microscope. Faites glisser la lame dans le porte-lame avec l'huile orientée vers le bas, puis abaissez le porte-lame jusqu'à ce que l'huile à immersion entre en contact avec le microscope.

Alignez objectivement et approximativement la platine porte-lame de manière à ce que les marques de repérage gravées dans la couche d'or se situent sous l'objectif. À l'aide d'un logiciel d'acquisition d'images tel que Thor site, fourni dans le kit de piégeage, repérez les marques de repérage sur la couche d'or et suivez les lignes indicatrices jusqu'aux nanotrous.

Positionnez la lame de manière à ce que les marques indicatrices et les autres zones ouvertes soient éloignées du centre de l'écran. Une transmission excessive de lumière peut endommager le A PD et activer le laser. Étant donné que le miroir dichroïque n'est pas parfait, une tache près du centre de l'écran provenant du faisceau laser devrait apparaître.

À l'aide du logiciel de commande de la platine piézo, affiner davantage l'alignement selon les trois axes. Lorsque l'alignement est correct, une tension maximale sera observée sur la photodiode, indiquant une transmission maximale à travers l'ouverture nanométrique.

À présent que le système est configuré et que l'échantillon est chargé, les données de piégeage optique peuvent être acquises. À l'aide des repères, positionnez le spot près d'un emplacement de nanotrou connu. Les doubles nanotrous seront trop petits pour être résolus clairement et apparaîtront à l'écran comme de petits points.

La transmission de la lumière à travers l'échantillon est indiquée par le niveau du signal sur l'oscilloscope. Ajustez davantage l'échantillon afin de maximiser la transmission de la lumière. Veillez aux marques indicatrices ainsi qu'aux rayures visibles et invisibles, car la transmission de la lumière sera élevée dans ces zones ; les nano-trous présenteront des sauts brusques dans la transmission lumineuse, tout comme les rayures.

Présentez des changements plus graduels à l'aide de la lame à onde. Ajustez la polarisation de la lumière afin d'obtenir la transmission maximale, la structure à double trou nano étant polarisée. Pour acquérir les données, échantillonnez la tension des APD à l'aide du module d'acquisition de données pendant la durée souhaitée.

Les durées d'acquisition sont généralement de plusieurs centaines de secondes. Dans ce cas, un logiciel personnalisé est utilisé pour l'acquisition des données et la tension est échantillonnée 2000 fois par seconde. À l'aide de MATLAB, filtrer les données acquises à l'aide d'un filtre KY Gole et les tracer en fonction du temps sur un graphique afin de montrer l'piégeage de nanoparticules de polystyrène de 20 nanomètres ; la transmission à travers les deux nano-ouvertures a été mesurée en fonction du temps.

La transmission optique d'un PD a ensuite été tracée. Au fil du temps, l'événement de piégeage est typiquement soudain, avec un front net montrant un basculement clair entre deux niveaux de puissance de transmission, comme illustré dans cet exemple. On observe fréquemment une augmentation du bruit du signal à l'état piégé. Cette augmentation du bruit provient du mouvement brownien de la particule piégée.

Remarquez que, en l'absence de particule piégée, cette source de bruit n'est pas présente. Certains artefacts peuvent apparaître dans les résultats sans être indicatifs d'événements de piégeage. Les résultats montrant une dérive, observée comme des changements lents de la transmission sur une période de plusieurs minutes comme illustré ici, doivent être écartés. Après cette procédure, d'autres méthodes telles que la spectroscopie Raman et la spectroscopie de fluorescence peuvent être réalisées afin de répondre à des questions supplémentaires concernant la nature de la nanoparticule piégée, après son développement.

Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs pour l'étude de nanoparticules biologiquement pertinentes au niveau de la molécule unique. Par exemple, pour détecter la liaison des protéines et étudier l'infection virale, tous deux au niveau de la molécule unique. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière d'intégrer un piège optique double nho dans un système laser de microscope inversé afin de piéger des nanoparticules uniques.