Gebruik van plasmonische en fotonisch kristal nanostructuren voor Enhanced micro-en nanodeeltjes Manipulatie

Het algemene doel van deze procedure is om biologische objecten van micronformaat vast te leggen met plasmonische en fotonische kristaltweezers. Dit wordt bereikt door eerst het plasmonische substraat of het fotonische kristalsubstraat te fabriceren. Vervolgens wordt het biologische monster voorbereid door BSA aan de celoplossing toe te voegen en voldoende ruimte te creëren voor de celoplossing onder het bovenste dekglas.

Vervolgens wordt de laser uitgelijnd op de microscoop, die is voorzien van het juiste filterschema. De microscoop wordt nu op het monster gefocust en de trapping wordt uitgevoerd. Ten slotte kunnen micro- of nanodeeltjes worden gevangen met een verlaagde invallende intensiteit met behulp van plasmonische of fotonische kristalnanostructuren.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals conventionele optische pincetten, is dat de omzetting van de optische velden via plasmonische en fotonische kristalnanostructuren de intensiteit vermindert die nodig is om kleine deeltjes zoals cellen te vangen; daarnaast is een strak gefocuste straal niet vereist, wat het risico op fotobeschadiging van cellen door blootstelling aan straling verlaagt. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in vele biologische velden, zoals cel-celinteracties en de studie van diverse krachten in de biologie. Het kan ook een nuttig instrument zijn voor fabricage in de micro- en nanotechnologie door het mogelijk maken van precieze manipulatie van micro- en nanodeeltjes. Om een array van goudnanodeeltjes te vormen, wordt goud met een e-beam evaporator op een glazen dekglas verdampt tot een dikte van 20 nanometers, met chroom als adhesielaag.

Reinig het monster gedurende ongeveer één minuut met zuurstofplasma om organische onzuiverheden op het oppervlak te verwijderen. Nadat de polystyreenmonolaag is geïnduceerd om zelf te assembleren, wordt de vloeistof op het monster gedruppeld en gegoten, wordt het ongeveer één uur geïncubeerd en vervolgens wordt een groot volume water gebruikt om de niet-geadsorbeerde sferen weg te wassen en aan de lucht te drogen. De monolaag verdampt uiteindelijk een tweede laag goud van 20 nanometer op de latex sfeer, monolaag om een willekeurige array van gouden nanodeeltjes te vormen.

De nanodeeltjesmatrix is nu gereed voor het biologische monster. Plaats de voorbereide nanodeeltjesdia op de tafel van een fluorescentiemicroscoop. De volgende stap is het voorbereiden van muiscelkernen voor optische trapping.

Begin met muiscelkernen gelabeld met aine orange om te voorkomen dat de kernen aan het substraat hechten. Plaats de celkernen in een klein buisje en voeg 10% BSA in PBS toe bij een concentratie van één op 10 BSA, gemengd door vortexen. Pipetteer vervolgens vijf microliters van de kernen-BSA-oplossing op het geprepareerde objectglas.

Om ruimte te creëren tussen de kernen en een dekglas, plaatst u een stapel van twee afstandhouder-dekglasjes rond de druppel en plaatst u vervolgens een ander dekglas erbovenop. Voor het vangen en gelijktijdig afbeelden wordt een aangepaste configuratie van een fluorescentiemicroscoop gebruikt, inclusief een omzeild excitatiefilter en twee aangepaste dichroïsche beamsplitters. De optische pincet zijn geconstrueerd door een heliumneonlaser van 35 milliwatt door een zes axio imager D one M microscoop te sturen, uitgerust met een GFP 17 filterset, die is aangepast om laserstraling van 633 nanometer het monster te laten bereiken.

De microscoop zal de laserstraal op het monster focussen, waarna de straal zal worden afgebogen door ofwel het plasmonische nanodeeltjessubstraat of het diffractierooster. Om de celkernen, die ongeveer vijf micron in diameter zijn, in beeld te brengen, gebruikt u een Zeiss LDEC epi plan met een Neola 50 x objectief. Begin met het plaatsen van het monster op het objectief en focus op het vlak met de meeste kernen, aangezien deze op het oppervlak van het substraat liggen.

Focus vervolgens de microscoop op een kern om deze te vangen, door vrij zwevende celkernen boven de cellagen op het oppervlak te zoeken. Positioneer daarna de laserstrafspot boven het deeltje. Op dit moment zou het gevangen moeten zijn en zijn positie in de laserspot moeten behouden, zelfs wanneer de tafel wordt bewogen.

De muisnuclei die zich in het brandvlak van de microscoop bevinden, zullen waarschijnlijk wegdrijven door een lichte microfluïdische stroom veroorzaakt door opwarming en verdamping van het monster, maar de nuclei in de val zullen op één positie blijven. Deze figuur toont een scanning-elektronenmicroscoopopname van zelfgeassembleerde goudnanodeeltjes met elk een diameter van ongeveer 450 nanometer. Hier is een nearfield scanning optical microscopy-afbeelding van het plasmonische substraat waar de distributie van de nanodeeltjes schaars is, wat de nearfield-straling laat zien.

De golflengte van de excitatielaser is 633 nanometer; hier wordt een strooiingsefficiëntiespectrum van het plasmonische substraat getoond met een piek bij 624 nanometer. Een absorptie-efficiëntiespectrum van het plasmonische substraat vertoont een piek bij 668 nanometer. Gouden nanosferen zijn willekeurig verdeeld over een 2D-domein van één bij één vierkant.

Micrometers worden hier getoond. Elke blauwe cirkel vertegenwoordigt het centrum van de nanosfeer. In deze panelen worden de veldverdelingen van de verstrooiing getoond op observatievlakken die parallel lopen aan de willekeurige nanosfeer-array.

Deze grafieken tonen de minimale laserintensiteiten om de val te handhaven als functie van de stroomsnelheid van de omringende vloeistof. Door gebruik te maken van plasmonische trapping worden alle optische intensiteiten gemeten in het monsterplan onder de microscoopobjectief. Elk paneel toont de meetresultaten voor enkele polystyreenbolletjes met verschillende diameters.

De insets tonen de overeenkomstige microscopische beelden van de deeltjes. De schaalbalken in alle afbeeldingen vertegenwoordigen een lengte van vijf micrometer. Hier is de helling van de gefitte lijn door de oorsprong uit de vorige grafieken uitgezet tegen de deeltjesgrootte.

Voor plasmonische trapping. De foutenbalken geven de standaarddeviaties van de lineaire fits weer. De resultaten laten zien dat grotere deeltjes een hogere laserintensiteit vereisen om een adequate trapping-stabiliteit te behouden.

Dit schema toont de verbeterde optische trapping met behulp van 1D periodieke nanostructuren. De invallende bundel wordt in het verre veld afgebogen door de periodieke nanostructuur. Hier wordt de intensiteitsverdeling van het licht weergegeven met twee orthogonale polarisaties aan het oppervlak van een aluminium rooster.

Met een periode van 417 nanometer, verkregen via finite-difference time-domain-simulaties, wordt de distributie genormaliseerd ten opzichte van de intensiteit op een vlak aluminium oppervlak. Deze figuren tonen de vangpotentiaal voor deeltjes direct boven het gradiëntenoppervlak tegenover de locatie van het deeltje. Voor CA 350 nanometer polystyreenkralen en DA één micrometer polystyreenkralen illustreren de witte cirkels de grootte van de deeltjes.

Inzetten tonen het vangkader boven een vlak aluminium oppervlak. Voor dezelfde deeltjesgrootte als vergelijkingen. De waarden zijn genormaliseerd voor elke deeltjesgrootte.

Voor alle FDTD-simulatiefiguren is het gezichtsveld 10 bij acht micrometers kwadraat. Hier zijn de vangstefficiëntie en de minimale vangstintensiteit weergegeven die zijn gemeten voor polystyreenbolletjes van verschillende groottes, waarbij de straalpolarisatie loodrecht op de graderingslijnen staat. De inzet toont de asymmetrie in de vangstefficiëntie bij het verplaatsen van een polystyreenbolletje van 3,87 micrometer, loodrecht en parallel aan de graderingslijnen.

Hier is een schematische weergave van de translationele hoek van het deeltje. Deze inzet toont de versterking versus de translationele richting voor verschillende polarisaties en deeltjesgroottes. De doorgetrokken lijn van de grote asymmetrie wordt verkregen met invallend licht dat loodrecht op de gradiënt is gepolariseerd en de stippellijn.

Een kleine asymmetrie wordt verkregen met invallend licht dat parallel aan de gradiënt is gepolariseerd. Deze panelen tonen een demonstratie van het vangen van een fluorescerende polystyreenkraal van 590 nanometer. De rode cirkel geeft de positie van de laserspot aan, aangezien het laserlicht aanvankelijk te zwak was om gezien te worden.

Het deeltje wordt bij een hoger vermogen in de spot gevangen. Wanneer het vermogen wordt verlaagd, overwint de brownse beweging van het deeltje de vangkracht, waardoor het deeltje kan ontsnappen. In dit geval was bij een gevangen fluorescente eierstokkanker celkern de minimale intensiteit die nodig was om het vangen te initiëren 16 micro watts per micrometer squared, verkregen met een 20 x objectief.

Na het bekijken van deze video heeft u een goed inzicht in hoe u een optische trap met lage intensiteit creëert voor de niet-invasieve manipulatie van biologische specimens op micro- en nanometerschaal met behulp van plasmonische en fotonische kristal-nanogestructureerde substraten.