Name: Wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do lepszej manipulacji mikro- i nanocząstkami (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-09-27T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 29 s
Description: Poznaj metodę pułapkowania plazmonicznego i fotonicznego mikro- oraz nanocząstek biologicznych przy zmniejszonej intensywności laserowej. Technika wykorzystuje nanostruktury krystaliczne do precyzyjnej manipulacji komórkami bez uszkodzeń fototoksycznych.

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

Pragniemy również podziękować Xiaoyu Miao oraz Benowi Wilsonowi za opracowanie większości opisanych tutaj metod. Praca ta była finansowana przez National Science Foundation (DBI 0454324) oraz National Institute of Health (R21 EB005183), a także z grantu PHS NRSA T32 GM07270 z NIGMS przyznanego ECK.

1. Fabrykacja losowej macierzy nanocząsteczek Au 8,10,12,14
<ol>
	<li>Układ nanocząstek Au tworzy się poprzez najpierw przygotowanie szablonu składającego się z gęstej warstwy losowo zaadsorbowanych sfer lateksowych o średnicy 454 nm. W tym celu na szkiełku podstawowym napylane jest złoto o grubości 20 nm, stosując chrom jako warstwę adhezyjną.</li>
	<li>Monowarstwa sfer polistyrenowych jest następnie samoorganizowana poprzez wystawienie podłoża pokrytego złotem na mieszaninę chlorku 1-etylo-3-(3-dimetylaminopropylo)karbodiimidu (EDC), zawiesiny sfer lateksowych oraz wody dejonizowanej.</li>
	<li>Proces adsorpcji trwa około jednej godziny, a sfery niezadsorbowane są wypłukiwane obfitą ilością wody.</li>
	<li>Utworzoną monowarstwę pozostawia się do wyschnięcia na powietrzu.</li>
	<li>Na koniec, na monowarstwę sfer lateksowych napyla się kolejne 20 nm złota, aby utworzyć losowy układ nanocząstek złota.</li>
	<li>W przypadku dostępności SEM, układ AuNP można obejrzeć pod SEM, aby zweryfikować zgodność z rysunkiem 1; schemat procesu przedstawiono na rysunku 8.</li>
</ol>
2. Przygotowanie próbek biologicznych9,11
<ol>
	<li>Przedstawiono przygotowanie próbki do optycznego chwytania jąder komórek mysich.</li>
	<li>Jądra komórek mysich 3T3 znakowane barwnikiem pomarańczową akrydyną zostały otrzymane od grupy Tewari z Fred Hutchinson Cancer Research Center.</li>
	<li>Do jąder komórek mysich dodaje się 10% albuminę wołową (BSA) w soli fizjologicznej z buforem fosforanowym (PBS) w stosunku około 1 : 10 (BSA : jądra komórek mysich). BSA pomaga zapobiec przywieraniu jąder do podłoża.</li>
	<li>Roztwór należy wymieszać za pomocą sonikacji.</li>
	<li>Na szkiełko nakrywkowe z aluminiową siecią dyfrakcyjną nanosi się 5 µL roztworu. Zaleca się wykonanie tego kroku, gdy aluminiowa sieć dyfrakcyjna znajduje się już na stole mikroskopu, aby uniknąć konieczności transportowania próbki po nałożeniu roztworu.</li>
	<li>Do podparcia piątego szkiełka nakrywkowego, przez które obserwowana jest próbka, stosuje się dwa stosy po dwa szkiełka nakrywkowe o wymiarach 1" x 1".</li>
	<li>Próbkę należy ustawić pod mikroskopem w celu obserwacji.</li>
</ol>
3. Metoda odłowu
<ol>
	<li>Pinceta optyczna jest skonstruowana poprzez przeprowadzenie wiązki lasera helowo-neonowego o mocy 35 mW przez mikroskop Zeiss Axio Imager.D1M wyposażony w zestaw filtrów GFP 17, zmodyfikowany w celu umożliwienia dotarcia promieniowania laserowego o długości fali 633 nm do próbki.</li>
	<li>Do obrazowania jąder komórkowych, których średnica wynosi około 5 micron, wykorzystuje się obiektyw Zeiss LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x.</li>
	<li>Po umieszczeniu próbki pod obiektywem należy ustawić ostrość mikroskopu na matrycy nanocząstek złota lub siatce dyfrakcyjnej.</li>
	<li>Przesuń mikroskop w pionie, aż do uzyskania ostrości na jądrach, które mają zostać uwięzione.</li>
	<li>Ustaw punkt pułapki laserowej nad cząstką; cząstka powinna wówczas utrzymać swoją pozycję w punkcie lasera, nawet podczas przesuwania stolika.</li>
</ol>
4. Reprezentatywne wyniki:
Procedury tworzenia losowej macierzy nanocząsteczek złota powinny skutkować osadzeniem monowarstwy AuNP, która w obrazowaniu SEM powinna wyglądać jak na Rysunku 1. Siła pułapkowania generowana przez te pęsety plazmoniczne może być 10-20 razy większa od siły generowanej przez standardowe pęsety optyczne. Minimalne natężenia wymagane przez pęsety plazmoniczne do osiągnięcia uwięzienia cząstek dla różnych rozmiarów cząstek przedstawiono na Rysunku 4.9,10 Dzięki zastosowaniu kratki dyfrakcyjnej uzyskano wyrównanie i pułapkowanie z wydajnością 20 razy wyższą niż w przypadku nanokropek złota, przy czym pułapkowanie można było osiągnąć już przy mocy 17 uW/um2 (Rysunek 7).11
<img alt="Sfery koloidalne: obrazy SEM, SPM, widma rozpraszania i absorpcji; analiza fotoniczna." src="/files/ftp_upload/3390/3390fig1.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 110 (a) Mikrografia SEM samoorganizujących się nanocząsteczek złota. Średnica poszczególnych nanocząsteczek złota wynosi około 450 nm. (b) Obraz NSOM podłoża plazmonicznego o rzadkim rozkładzie nanocząsteczek, przedstawiający promieniowanie bliskiego pola. Długość fali lasera wzbudzającego wynosi 633 nm. (c) Powiększony widok obszaru zaznaczonego czerwonym kwadratem na (b). (d) Widmo wydajności rozpraszania podłoża plazmonicznego, wykazujące piki przy 624 nm. (e) Widmo wydajności absorpcji podłoża plazmonicznego, wykazujące piki przy 668 nm.
<img alt="Schemat równowagi statycznej; wykres powierzchniowy przestrzennego rozkładu naprężeń, mapa intensywności zakodowana kolorami." src="/files/ftp_upload/3390/3390fig2.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 213 (a) Nanosfery Au rozmieszczone losowo w domenie 2D o wymiarach 1 x 1 μm2. Każda niebieska kropka reprezentuje środek nanosfery (a = 60 nm). Rozkłady pola rozproszenia w płaszczyznach obserwacyjnych równoległych do losowej macierzy nanosfer przedstawiono na panelach (b) - (e). Macierz nanosfer jest równomiernie oświetlona falą płaską o długości fali 540 nm. Współczynnik załamania światła otaczającego ośrodka wynosi 1,33. Kierunek polaryzacji fali płaskiej jest skierowany wzdłuż osi X (poziomo na panelu (a)). Przyjęto, że wartość natężenia padającego pola elektrycznego w obliczeniach wynosi 1. Odległość między płaszczyzną obserwacyjną a macierzą nanosfer zdefiniowano jako h. b) h = a. c) h = 2a. d) h = λ. e) h = 2λ.
<img alt="Schemat układu mikroskopii optycznej; obrazowanie fluorescencyjne z lampą Hg, laserem HeNe i detektorem CCD." src="/files/ftp_upload/3390/3390fig3.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 39 Schemat dostosowanej konfiguracji mikroskopu fluorescencyjnego, obejmujący pominięty filtr wzbudzenia oraz wymieniony dichroiczny dzielnik wiązki. Jest to konfiguracja zastosowana do jednoczesnego pułapkowania i obrazowania fluorescencyjnego.
<img alt="Wykresy siły pułapkowania laserowego w funkcji szybkości przepływu; dopasowanie liniowe; wyniki eksperymentu pułapkowania optycznego." src="/files/ftp_upload/3390/3390fig4.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 410 Minimalna intensywność lasera niezbędna do utrzymania pułapki w funkcji szybkości przepływu otaczającego płynu z wykorzystaniem pułapkowania plazmonicznego. Wszystkie intensywności optyczne zostały zmierzone w płaszczyźnie próbki pod obiektywem mikroskopu. (a) - (f) przedstawiają wyniki pomiarów dla pojedynczych kulek polistyrenowych o średnicach odpowiednio 7.3, 6.3 (niesferycznych), 5.0, 3.9, 2.5 i 1.1 μm. Wstawki zawierają odpowiadające im obrazy mikroskopowe cząstek. Paski skali na wszystkich obrazach reprezentują długość 5 μm.
<img alt="Wykres regresji liniowej nachylenia w funkcji średnicy cząstki; punkty danych z słupkami błędów w analizie optycznej." src="/files/ftp_upload/3390/3390fig5.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 510 Nachylenie dopasowanej prostej przechodzącej przez początek układu współrzędnych z Ryc. 4 w funkcji rozmiaru cząstek dla pułapkowania plazmonicznego. Słupki błędów przedstawiają odchylenia standardowe dopasowań liniowych. Nachylenie dopasowanej prostej (stosunek progu intensywności optycznej do szybkości przepływu) na Ryc. 4 wykazuje w przybliżeniu liniową zależność od rozmiaru cząstek, co pokazano na tej rycinie, wskazując na przewagę pułapkowania plazmonicznego, zwłaszcza w przypadku mniejszych cząstek.
<img alt="Schemat nanofotoniki; efekty polaryzacji, wzór dyfrakcyjny, analiza spektralna, wzbudzenie optyczne." src="/files/ftp_upload/3390/3390fig6.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 611 (a) Schematyczna ilustracja wzmocnionego pułapkowania optycznego z wykorzystaniem jednowymiarowych periodycznych nanostruktur. Wiązka padająca ulega dyfrakcji na periodycznej nanostrukturze w polu dalekim. (b) Rozkład natężenia światła dla dwóch ortogonalnych polaryzacji na powierzchni aluminiowej kratki o okresie 417 nm uzyskany za pomocą symulacji FDTD. Rozkład został znormalizowany do natężenia na płaskiej powierzchni aluminiowej. (c) i (d) Potencjał pułapkowania dla cząstek znajdujących się bezpośrednio nad powierzchnią kratki w zależności od położenia cząstki dla (c) kulki polistyrenowej o rozmiarze 350 nm oraz (d) kulki polistyrenowej o rozmiarze 1 μm. Białe okręgi ilustrują rozmiary cząstek. Wstawki przedstawiają potencjał pułapkowania nad płaską powierzchnią aluminiową dla tej samej wielkości cząstek w ramach porównania. Wartości zostały znormalizowane dla każdego rozmiaru cząstki. Dla wszystkich rysunków z symulacji FDTD pole widzenia wynosi 10 x 8 μm2.
<img alt="Wykres wydajności pułapkowania cząstek i obrazy mikroskopowe pokazujące wariacje intensywności; analiza optyczna." src="/files/ftp_upload/3390/3390fig7.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 711 (a) Wydajność pułapkowania i minimalna intensywność pułapkowania zmierzone dla kulek polistyrenowych o różnych rozmiarach przy polaryzacji wiązki prostopadłej do linii siatki. Wstawka pokazuje asymetrię pułapki w wydajności pułapkowania podczas przemieszczania kulki polistyrenowej o rozmiarze 3.87 µm prostopadle i równolegle do linii siatki. Linia ciągła (duża asymetria) została uzyskana przy świetle padającym spolaryzowanym prostopadle do siatki, a linia przerywana (mała asymetria) przy świetle padającym spolaryzowanym równolegle do siatki. Jednostka to (pN[mW/μm2]-1). (b)-(d) Demonstracja pułapkowania fluorescencyjnej kulki polistyrenowej o rozmiarze 590 nm. Czerwone koło wskazuje pozycję plamki laserowej, ponieważ światło lasera było zbyt słabe, aby było widoczne. Początkowo cząstka jest uwięziona w plamce przy wyższej mocy; w miarę obniżania mocy ruchy Browna cząstki przezwyciężają siłę pułapkowania, co pozwala cząstce na ucieczkę. (e)-(g) Demonstracja pułapkowania fluorescencyjnego jądra komórki raka jajnika. Minimalna intensywność wymagana do zainicjowania pułapkowania wynosiła 16 μW/μm2, uzyskana przy użyciu obiektywu 20x.
<img alt="Schemat składania chemicznego; reakcja karbodiimidowa z sferami lateksowymi na warstwie Au/Cr szkiełka nakrywkowego." src="/files/ftp_upload/3390/3390fig8.jpg" data-altupdatedat="1761809329000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rysunek 814 Procedura wytwarzania nanocząsteczek złota w kształcie czepka: a) Odparowanie cienkiej warstwy Cr i Au na szklanym szkiełku nakrywkowym. b) Ekspozycja na zawiesinę sfer polistyrenowych i adsorpcja sfer przez 1 godzinę. c) Usunięcie niezaadsorbowanych sfer polistyrenowych i suszenie powierzchni. d) Odparowanie kolejnej warstwy Au na wierzchołek sfer szablonowych. e) Schemat macierzy nanocząsteczek Au w kształcie czepka, w której Au pokrywa jedynie górną stronę sfer szablonowych.

<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>

Nie zgłoszono żadnych konfliktów interesów.

Znaczenie tych metod pułapkowania polega na tym, że obniżają one intensywność optyczną niezbędną do utrzymania pułapkowania z poziomu rzędu 103 μW/μm2 do poziomu rzędu 10 μW/μm2.10,11 Ograniczeniem tych technik jest fakt, że matryca nanocząsteczek złota ulega przegrzaniu, co musi zostać wyeliminowane. Aby rozwiązać ten problem, można zastosować dwuwymiarową strukturę kryształu fotonicznego wykonaną z materiału dielektrycznego. Taka struktura mogłaby teoretycznie zapewniać pułap...

<table><tbody><tr><td>Nazwa materiału</td><td>Firma</td><td>Numer katalogowy</td><td>Komentarz</td></tr><tr><td>Mikroskop Axio Imager (D1M)</td><td>Carl Zeiss, Inc.</td><td>D1M</td><td>Zeiss Axio Imager.D1M</td></tr><tr><td>Obiektyw mikroskopu (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>Kamera do mikroskopu Zeiss (AxioCam MRc)</td><td>Carl Zeiss, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Laser helowo-neonowy (35 mW)</td><td>Badania nad elektrooptyką</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tłumik o płynnie regulowanym stopniu tłumienia</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>NDC-100C-4M</td><td>Do regulacji natężenia światła mikroskopu</td></tr><tr><td>Zestaw filtrów Zeiss nr 17</td><td>Carl Zeiss, Inc.</td><td>488017-9901-000</td><td>Zestaw filtrów nr 17</td></tr><tr><td>Przedmiotowe szkiełka mikroskopowe, grubość 0,5 mm</td><td>VWR international</td><td></td><td></td></tr><tr><td>jądra komórek mysich 3T3</td><td>Fred Hutchinson Cancer Research Center</td><td></td><td>Przechowywać w jak najniższej temperaturze</td></tr><tr><td>Barwnik pomarańcz akrydynowy</td><td>Fred Hutchinson Cancer Research Center</td><td></td><td></td></tr><tr><td>albumina surowicy bydlęcej, stosunek od 1 do 10 w PBS</td><td>Fred Hutchinson Cancer Research Center</td><td></td><td></td></tr><tr><td>polistyrenowe kulki lateksowe 454 nm</td><td>Polysciences, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>chlorowodorek 1-etylo-3-(3-dimetyloaminopropyl)karbodiimidu (EDC)</td><td>G-Biosciences</td><td>BC25-1</td><td></td></tr><tr><td>złoto (do napylania)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Refleksyjna ryta siatka dyfrakcyjna</td><td>Edmund Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco&amp;rsquo;fosforanowo-buforowy roztwór soli (D-PBS) (1X)</td><td>Invitrogen</td><td>14190-144</td><td></td></tr></tbody></table>

wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do usprawnionej manipulacji mikro- i nanocząsteczkami

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

Metoda nieniszczącej manipulacji pozycją i orientacją cząstek submikronowych byłaby niezwykle użytecznym narzędziem w podstawowych badaniach biologicznych. Być może najszerzej stosowaną siłą fizyczną służącą do nieinwazyjnej manipulacji małymi cząstkami jest dielektroforeza (DEP).1 Jednak sama DEP nie zapewnia wszechstronności i precyzji pożądanej przy manipulowaniu komórkami, ponieważ tradycyjnie wykorzystuje ona elektrody stacjonarne. Pęsety optyczne, które wykorzystują trójwymiarowy gradient pola elektromagnetycznego do wywierania sił na małe cząstki, zapewniają tę pożądaną wszechstronność i precyzję.2 Główną wadą tego podejścia jest jednak wysoka intensywność promieniowania wymagana do uzyskania siły niezbędnej do uwięzienia cząstki, co może uszkodzić próbki biologiczne.3 Rozwiązaniem umożliwiającym pułapkowanie i sortowanie przy niższych intensywnościach optycznych są optoelektroniczne pęsety (OET), lecz OET mają ograniczenia w zakresie precyzyjnej manipulacji małymi cząstkami; fakt, że jest to technologia oparta na DEP, nakłada również ograniczenia na właściwości roztworu.4,5
Niniejszy artykuł wideo opisuje dwie metody zmniejszające natężenie promieniowania niezbędnego do optycznej manipulacji żywymi komórkami, a także opisuje metodę kontroli orientacji. Pierwszą metodą są pęsety plazmoniczne, które wykorzystują losową macierz nanocząsteczek złota (AuNP) jako podłoże dla próbki, co przedstawiono na rysunku 1. Macierz AuNP przekształca padające fotony w zlokalizowane plazmony powierzchniowe (LSP), które składają się z rezonansowych momentów dipolowych promieniujących i generujących ustrukturyzowane pole promieniowania o dużym gradiencie w roztworze komórek. Wstępne prace nad pułapkami wspomaganymi plazmonami powierzchniowymi przeprowadzone przez Righini i współpracowników oraz nasze własne modelowanie wykazały, że pola generowane przez podłoże plazmoniczne zmniejszają wymagane początkowe natężenie poprzez wzmocnienie pola gradientowego, które więzi cząsteczkę.6,7,8 Podejście plazmoniczne pozwala na precyzyjną kontrolę orientacji cząsteczek i komórek o kształcie elipsoidy przy niskich natężeniach optycznych dzięki wydajniejszej konwersji energii optycznej na energię mechaniczną oraz polu promieniowania zależnemu od dipola. Pola te przedstawiono na rysunku 2, a szczegółowe informacje na temat niskich natężeń pułapkujących znajdują się na rysunkach 4 i 5. Głównymi problemami pęset plazmonicznych są fakt, że LSP generują znaczną ilość ciepła oraz że pułapkowanie jest tylko dwuwymiarowe. Ciepło to generuje przepływy konwekcyjne i termoforezę, które mogą być wystarczająco silne, aby wypchnąć cząsteczki submikronowe z pułapki.9,10 Drugim podejściem, które opiszemy, jest wykorzystanie okresowych nanostruktur dielektrycznych do bardzo wydajnego rozpraszania padającego światła w mody dyfrakcyjne, jak pokazano na rysunku 6.11 Idealnie struktura ta powinna być wykonana z materiału dielektrycznego, aby uniknąć problemów z nagrzewaniem występujących w przypadku pęset plazmonicznych, jednak w naszym podejściu jako jednowymiarowa okresowa nanostruktura dielektryczna zastosowano siatkę dyfrakcyjną powlekaną aluminium. Mimo że nie jest ona półprzewodnikiem, nie odnotowano w niej znaczącego nagrzewania i skutecznie więziła ona małe cząsteczki przy niskich natężeniach pułapkujących, co przedstawiono na rysunku 7. Dopasowanie cząsteczek do podłoża z siatką koncepcyjnie potwierdza tezę, że dwuwymiarowy kryształ fotoniczny mógłby umożliwić precyzyjną rotację niesferycznych cząsteczek o rozmiarach mikronowych.10 Wydajność tych pułapek optycznych wzrasta dzięki wzmocnionym polom generowanym przez nanostruktury opisane w niniejszej pracy.

Wykazano, że pęsety plazmoniczne oraz nanostruktury kryształów fotonicznych zapewniają istotną poprawę wydajności i kontroli orientacji w optycznym chwytaniu mikro- i nanocząstek.

Wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do usprawnionej manipulacji mikro- i nanocząsteczkami

Metoda nieniszczącej manipulacji pozycją i orientacją cząstek submikronowych byłaby niezwykle użytecznym narzędziem w podstawowych badaniach biologicznych...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest chwytanie obiektów biologicznych o rozmiarach mikronowych za pomocą pęset plazmonicznych i kryształów fotonicznych. Jest to realizowane poprzez wstępne wytworzenie podłoża plazmonicznego lub podłoża z kryształu fotonicznego. Następnie przygotowuje się próbkę biologiczną poprzez dodanie BSA do zawiesiny komórkowej oraz zapewnienie odpowiedniej przestrzeni dla zawiesiny komórkowej pod górnym szkiełkiem zakrywowym.Następnie laser zostaje wyrównany z mikroskopem, który został wyposażony w odpowiedni zestaw filtrów. Mikroskop zostaje teraz ustawiony na próbce i przeprowadzana jest pułapkowanie. Na koniec, za pomocą nanostruktur plazmonicznych lub kryształów fotonicznych, można pułapkować cząsteczki o rozmiarach mikro- lub nanometrycznych przy zredukowanej intensywności wiązki padającej.Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak konwencjonalne pęsety optyczne, jest to, że konwersja pól optycznych poprzez nanostruktury plazmoniczne i kryształy fotoniczne redukuje natężenie niezbędne do pułapkowania małych cząsteczek, takich jak komórki, a także nie wymaga wąskiej wiązki skupionej, co zmniejsza ryzyko fotouszkodzenia komórek w wyniku ekspozycji na promieniowanie. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w wielu dziedzinach biologii, takich jak oddziaływania międzykomórkowe oraz badanie różnych sił biologicznych. Może być również użytecznym narzędziem w obszarze mikro- i nanotechnologii, umożliwiając precyzyjną manipulację mikro- i nanocząsteczkami. Aby utworzyć macierz nanocząsteczek złota, należy przy użyciu ewaporatora wiązką elektronów i chromu jako warstwy adhezyjnej napać złoto na szklaną lamellkę do grubości 20 nanometrów.Oczyść próbkę za pomocą plazmy tlenowej przez około jedną minutę, aby usunąć z powierzchni zanieczyszczenia organiczne. Po zaindukowaniu samoorganizacji monowarstwy polistyrenu, nanieś ciecz na próbkę metodą kroplowania, inkubuj przez około jedną godzinę, a następnie użyj dużej objętości wody, aby wypłukać niesorbowane sfery i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu. Po odparowaniu monowarstwy napać drugą warstwę złota o grubości 20 nanometrów na sfery lateksowe, aby utworzyć losową macierz nanocząstek złota.Układ nanocząsteczek jest teraz gotowy do przyjęcia próbki biologicznej. Umieść przygotowany preparat z nanocząsteczkami na stoliku mikroskopu fluorescencyjnego. Kolejnym krokiem jest przygotowanie jąder komórek mysich do pułapkowania optycznego.Zacznij od jąder komórek mysich znakowanych barwnikiem orange, aby zapobiec przyleganiu jąder do podłoża. Umieść jądra komórkowe w małej fiolce i dodaj 10% BSA w PBS w stężeniu od 1 do 10 BSA, mieszając za pomocą wirówka Vortex. Następnie nanieś pipetą 5 µL roztworu jąder w BSA na przygotowany preparat.Aby zapewnić odstęp między jądrami a szkiełkiem nakrywnym, należy umieścić stos dwóch szkiełek dystansowych wokół kropli, a następnie nałożyć na wierzch kolejne szkiełko nakrywne. Do pułapkowania i jednoczesnego obrazowania wykorzystuje się dostosowaną konfigurację mikroskopu fluorescencyjnego, obejmującą pominięty filtr wzbudzenia oraz dwa specjalistyczne dichroiczne dzielniki wiązki. Pinceta optyczna została zbudowana poprzez skierowanie lasera helowo-neonowego o mocy 35 milliwatt przez mikroskop zes axio imager D one M, wyposażony w zestaw filtrów GFP 17, który został zmodyfikowany w celu umożliwienia dotarcia promieniowania laserowego o długości 633 nanometr do próbki.Mikroskop skupi wiązkę lasera na próbce, a następnie wiązka zostanie ugięta przez podłoże z nanocząstek plazmonicznych lub siatkę dyfrakcyjną. Aby obrazować jądra komórkowe, których średnica wynosi około pięciu mikronów, należy użyć obiektywu Zeiss LDEC epi plan z Neola 50 x. Rozpocznij od umieszczenia próbki na obiektywie i ustawienia ostrości na płaszczyźnie z największą liczbą jąder, ponieważ znajdują się one na powierzchni podłoża.Następnie ustaw ostrość mikroskopu na jądro komórkowe przeznaczone do schwytania, odnajdując wolno pływające jądra komórkowe nad warstwami komórek na powierzchni. Następnie umieść punkt pułapki laserowej nad cząsteczką. W tym momencie powinna ona zostać schwytana i utrzymywać swoją pozycję w plamce lasera, nawet podczas przesuwania stolika.Jądra komórek mysich znajdujące się w płaszczyźnie ogniskowej mikroskopu będą prawdopodobnie dryfować wraz z lekkim prądem mikrofluidycznym wywołanym nagrzewaniem i odparowywaniem próbki, natomiast jądra w pułapce pozostaną w jednej pozycji. Na tej ilustracji przedstawiono skaningową mikrografię elektronową samoorganizujących się nanocząsteczek złota, z których każda ma średnicę około 450 nanometrów. Oto obraz z bliskopolowej skaningowej mikroskopii optycznej podłoża plazmonicznego o rzadkim rozkładzie nanocząsteczek, ukazujący promieniowanie bliskiego pola.Długość fali lasera wzbudzającego wynosi 633 nanometrów; tutaj przedstawiono widmo wydajności rozpraszania podłoża plazmonicznego z pikiem przy 624 nanometrach. Widmo wydajności absorpcji podłoża plazmonicznego wykazuje pik przy 668 nanometrach. Złote nanokule są rozłożone losowo w domenie 2D o wymiarach jeden na jeden kwadrat.Tutaj przedstawiono mikrometr. Każde niebieskie koło reprezentuje środek nanokuli. Na panelach pokazano rozkłady pola rozproszonego w płaszczyznach obserwacji, które są równoległe do losowej macierzy nanokul.Wykresy te przedstawiają minimalne natężenia lasera niezbędne do utrzymania pułapki w funkcji szybkości przepływu otaczającego płynu. Dzięki zastosowaniu pułapkowania plazmonicznego, wszystkie natężenia optyczne mierzono w płaszczyźnie próbki pod obiektywem mikroskopu. Każdy panel prezentuje wyniki pomiarów dla pojedynczych kulek polistyrenowych o różnych średnicach.Wstawki przedstawiają odpowiadające im obrazy mikroskopowe cząsteczek. Paski skali na wszystkich obrazach reprezentują długość 5 µm. Przedstawiono tutaj nachylenie linii dopasowanej do początku układu współrzędnych z poprzednich wykresów w funkcji wielkości cząsteczek.Dla pułapkowania plazmonicznego. Słupki błędów przedstawiają odchylenia standardowe dopasowań liniowych. Wyniki wskazują, że większe cząstki wymagają większej intensywności lasera w celu utrzymania odpowiedniej stabilności pułapkowania.Ten schemat przedstawia ulepszone pułapkowanie optyczne z wykorzystaniem jednowymiarowych (1D) nanostruktur okresowych. Wiązka padająca ulega dyfrakcji na nanostrukturze okresowej w polu dalekim. Przedstawiono tutaj rozkład natężenia światła o dwóch ortogonalnych polaryzacjach na powierzchni gradu aluminiowego.Przy okresie 417 nanometrów uzyskanym za pomocą symulacji w dziedzinie czasu metodą różnic skończonych (FDTD), rozkład jest znormalizowany do intensywności na płaskiej powierzchni aluminiowej. Rysunki te przedstawiają potencjał pułapkowania cząstek znajdujących się bezpośrednio nad powierzchnią gradientową w zależności od położenia cząstki. W przypadku kulek polistyrenowych o średnicy 350 nanometrów (CA) i jednej mikrometra (DA), białe okręgi ilustrują wielkości cząstek.Wstawki przedstawiają potencjał pułapkowania nad płaską powierzchnią aluminiową. Dla tej samej wielkości cząstek w ramach porównania. Wartości zostały znormalizowane dla każdej wielkości cząstek.Dla wszystkich rycin z symulacji FDTD pole widzenia wynosi 10 na 8 µm². Przedstawiono tutaj wydajność pułapki oraz minimalną intensywność pułapkowania zmierzoną dla kulek polistyrenowych o różnych rozmiarach przy polaryzacji wiązki prostopadłej do linii gradientu. Wstawka pokazuje asymetrię pułapki w wydajności pułapkowania podczas przemieszczania kulki polistyrenowej o rozmiarze 3,87 µm w kierunku prostopadłym i równoległym do linii gradientu.Poniżej znajduje się schematyczne przedstawienie kąta translacji cząsteczki. Wstawka ta pokazuje wzmocnienie w zależności od kierunku translacji dla różnych polaryzacji i rozmiarów cząsteczek. Linią ciągłą zaznaczono dużą asymetrię uzyskaną przy świetle padającym spolaryzowanym prostopadle do gradientu, a linią przerywaną.Niewielką asymetrię uzyskuje się przy świetle padającym spolaryzowanym równolegle do gradientu. Panele te przedstawiają demonstrację pułapkowania fluorescencyjnej kuleczki polistyrenowej o rozmiarze 590 nanometrów. Czerwone koło wskazuje pozycję plamki laserowej, ponieważ światło lasera było początkowo zbyt słabe, aby było widoczne.Cząsteczka zostaje uwięziona w plamce przy wyższej mocy. Wraz ze zmniejszaniem mocy ruchy brownowskie cząsteczki przezwyciężają siłę pułapkowania, co pozwala cząsteczce na ucieczkę. W tym przypadku, w odniesieniu do uwięzionego fluorescencyjnego jądra komórki raka jajnika, minimalna intensywność wymagana do zainicjowania pułapkowania wynosiła 16 µW/µm², co osiągnięto przy użyciu obiektywu 20x.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat tworzenia pułapki optycznej o niskiej intensywności do nieinwazyjnej manipulacji biologicznymi próbkami o rozmiarach mikro- i nanometrycznych z wykorzystaniem nanostrukturalnych podłoży plazmonicznych i fotonicznych kryształów.

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do lepszej manipulacji mikro- i nanocząstkami

Prosta, solidna i skalowalna technika funkcjonalizacji i samodzielnego montażu makroskopowych warstw nanocząstek-ligandów na podłożach bez szablonów jest opisana w tym protokole.

Technika funkcjonalizacji i samoorganizacji makroskopowych warstw monowarstwowych nanocząstek-ligand na podłożach bez szablonów

Tutaj opisujemy protokół syntezy magneto-plazmonicznych nanocząstek o silnym momencie magnetycznym i silnej absorbancji bliskiej podczerwieni (NIR). Protokół obejmuje również koniugację przeciwciał z nanocząstkami za pomocą ugrupowania Fc do różnych zastosowań biomedycznych, które wymagają specyficznego celowania molekularnego.

Synteza immunoukierunkowanych magnetoplazmonicznych nanoklastrów

Skalowalność i rozdzielczość konwencjonalnych technik manipulacji optycznej są ograniczone przez dyfrakcję. Obchodzimy granicę dyfrakcji i opisujemy metodę optycznego transportu nanocząstek przez chip za pomocą złotej powierzchni z wzorem ścieżki blisko rozmieszczonych rezonatorów plazmonicznych w kształcie litery C.

Produkcja i eksploatacja nanooptycznego przenośnika taśmowego

Nasycone i odwrócone saturable rozpraszanie zostały odkryte w izolowanych cząstkach plazmonicznych i przyjęte jako nowatorska metoda kontrastu bez wybielania w mikroskopii superrozdzielczej. Tutaj szczegółowo wyjaśniono eksperymentalne procedury wykrywania i ekstrakcji rozpraszania nieliniowego, a także sposoby zwiększenia rozdzielczości za pomocą nasyconej mikroskopii wzbudzenia.

Pomiar nieliniowości rozpraszania od pojedynczej nanocząstki plazmonicznej

Opisujemy syntezę i właściwości wielofunkcyjnych nanocząstek Fe2O3-Au wytwarzanych metodą mokrej chemii i badamy ich właściwości fototermiczne za pomocą promieniowania laserowego. Kompozytowe nanocząstkiFe2O3-Au zachowują właściwości obu materiałów, tworząc wielofunkcyjną strukturę o doskonałych właściwościach magnetycznych i plazmonicznych.

Wielofunkcyjne hybrydowe nanocząstki Fe2O3-Au do wydajnego ogrzewania plazmonicznego

Przedstawiono protokół koloidalnej syntezy nanokostek srebra i wytwarzania plazmonicznych nanoskalowych anten krosowych z przerwami poniżej 10 nm.

Synteza koloidalna anten nanopatchowych do zastosowań w plazmonice i nanofotonice

Przedstawiono tutaj proces produkcji mikroprocesorów, który wykorzystuje plazmoniczną pęsetę. Mikroczip umożliwia obrazowanie uwięzionej cząstki w celu zmierzenia maksymalnych sił wychwytywania.

Pułapkowanie plazmoniczne i uwalnianie nanocząstek w środowisku monitorowania

Opisujemy procedurę optycznego uwięzienia mikrocząsteczek w nanoplazmonicznej sieci optycznej.

Uwięzienie mikrocząstek w nanoplazmonicznej sieci optycznej

Pokazujemy wytwarzanie okresowych matryc nanokubków złotych za pomocą technik litograficznych koloidalnych i omawiamy znaczenie warstw nanoplazmonowych.

Wytwarzanie okresowych matryc złotych nanokubków przy użyciu litografii koloidalnej

Przedstawiono protokół anizotropowego fotoosadzania Pd na wodno zawieszonych nanoprętach Au poprzez miejscowe powierzchniowe wzbudzenie plazmonów.

Fotoosadzanie Pd na koloidalnych nanoprętach Au przez powierzchniowe wzbudzenie plazmonów

Prezentowany tutaj jest protokół syntezy nanocząstek (NPs) ze stopu srebra i palladu (Ag-Pd) na bazie ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2). System ten pozwala na pozyskiwanie energii z promieniowania światłem widzialnym w celu przyspieszenia i kontrolowania przemian molekularnych. Ilustruje to redukcja nitrobenzenu pod wpływem lekkiego napromieniowania katalizowanego przez Ag-Pd/ZrO2 NPs.

Otrzymywanie nanocząstek stopu srebra i palladu do katalizy plazmonicznej w świetle widzialnym

Poznaj metodę pułapkowania plazmonicznego i fotonicznego mikro- oraz nanocząstek biologicznych przy zmniejszonej intensywności laserowej. Technika wykorzystuje nanostruktury krystaliczne do precyzyjnej manipulacji komórkami bez uszkodzeń fototoksycznych.

Wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do usprawnionej manipulacji mikro- i nanocząsteczkami

Przeglądaj więcej filmów