Методическая статья

Использование плазмонных наноструктур и фотонных кристаллов для работы с улучшенными микро-и наночастиц Манипуляция

DOI:

10.3791/3390

⸱

27 сентября 2011 г.

 ,  ,  , 
1Electrical Engineering Department, University of Washington, 2Division of Human Biology, Fred Hutchinson Cancer Research Center , 3Molecular and Cellular Biology Program, University of Washington, 4Clinical Research, Fred Hutchinson Cancer Research Center , 5Public Health Sciences, Fred Hutchinson Cancer Research Center

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Плазмонных пинцет и фотонных кристаллов наноструктур показаны для производства полезных улучшений в эффективности и ориентации контроль оптически захвата микро-и нано-частиц.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Метод неразрушающего управления положением и ориентацией субмикронных частиц стал бы невероятно полезным инструментом для фундаментальных биологических исследований. Пожалуй, наиболее широко используемой физической силой для неинвазивного манипулирования малыми частицами является диэлектрофорез (DEP).1 Однако сам по себе DEP не обладает универсальностью и точностью, необходимыми при манипулировании клетками, так как традиционно он осуществляется с помощью стационарных электродов. Оптические пинцеты, использующие трехмерный градиент электромагнитного поля для воздействия силами на малые частицы, обеспечивают эту необходимую универсальность и точность.2 Однако основным недостатком этого подхода является высокая интенсивность излучения, требуемая для создания силы, достаточной для захвата частицы, что может привести к повреждению биологических образцов.3 Решением, позволяющим осуществлять захват и сортировку при более низких интенсивностях света, являются оптоэлектронные пинцеты (OET), но OET имеют ограничения при прецизионном манипулировании малыми частицами; кроме того, поскольку эта технология основана на DEP, накладываются ограничения на свойства раствора.4,5

В данном видеоартикле будут описаны два метода, позволяющих снизить интенсивность излучения, необходимого для оптического манипулирования живыми клетками, а также будет представлен метод контроля ориентации. Первый метод — плазмонный пинцет, в котором в качестве подложки для образца используется массив случайных наночастиц золота (AuNP), как показано на Рисунке 1. Массив AuNP преобразует падающие фотоны в локализованные поверхностные плазмоны (LSP), которые представляют собой резонансные дипольные моменты; они излучают и создают структурированное поле излучения с большим градиентом в растворе с клетками. Первые работы по захвату с усилением за счет поверхностных плазмонов, проведенные Righini и соавторами, а также наше собственное моделирование показали, что поля, создаваемые плазмонной подложкой, снижают требуемую начальную интенсивность за счет усиления градиентного поля, которое захватывает частицу.6,7,8 Плазмонный подход позволяет осуществлять точный контроль ориентации эллипсоидных частиц и клеток при низких интенсивностях оптического излучения благодаря более эффективному преобразованию оптической энергии в механическую и наличию дипольно-зависимого поля излучения. Эти поля показаны на Рисунке 2, а подробности о низких интенсивностях захвата приведены на Рисунках 4 и 5. Основными проблемами плазмонных пинцетов являются значительный нагрев, вызываемый LSP, и тот факт, что захват является только двухмерным. Этот нагрев вызывает конвекционные потоки и термофорез, которые могут быть достаточно мощными, чтобы вытеснить субмикронные частицы из ловушки.9,10 Второй подход, который мы опишем, заключается в использовании периодических диэлектрических наноструктур для высокоэффективного рассеяния падающего света в дифракционные моды, как показано на Рисунке 6.11 В идеале такую структуру следовало бы изготовить из диэлектрического материала, чтобы избежать проблем с нагревом, характерных для плазмонных пинцетов, но в нашем подходе в качестве одномерной периодической диэлектрической наноструктуры используется дифракционная решетка с алюминиевым покрытием. Несмотря на то, что она не является полупроводником, значительного нагрева не наблюдалось, и она эффективно захватывала малые частицы при низких интенсивностях захвата, как показано на Рисунке 7. Выравнивание частиц относительно подложки-решетки концептуально подтверждает положение о том, что двумерный фотонный кристалл может обеспечить точный поворот несферических частиц микронного размера.10 Эффективность этих оптических ловушек повышается благодаря усиленным полям, создаваемым наноструктурами, описанными в данной работе.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Случайные наночастиц Au массива Изготовление 8,10,12,14

  1. Массивов наночастиц Au формируется сначала создается шаблон, который сделан из плотного слоя адсорбированных случайно латексных шаров с средним диаметром 454 нм. Это достигается за счет испарения первого золота на стекло покровное, чтобы толщиной 20 нм с использованием хрома, как адгезия слоя.
  2. Монослоя полистирола сфера то самоорганизующихся, подвергая золотым покрытием подложки к смеси 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимида гидрохлорид (EDC), латексные сферы подвески и де-ионизированной воды.
  3. Процесс адсорбции разрешено длиться около одного часа, и, не поглощается сферы смыть обильным количеством воды.
  4. Формируется монослой допускается высохнуть на воздухе.
  5. Наконец, еще 20 нм золота выпаривают на монослой сферы из латекса для формирования случайного массива наночастиц золота.
  6. Если SEM доступно, массив AuNP можно увидеть под SEM смотреть, как на рисунке 1 и диаграмма процесса показана на рисунке 8.

2. Биологические Пробоподготовка 9,11

  1. Подготовка образцов для оптически захвата ядрах клеток мыши в настоящее время показано на рисунке.
  2. 3T3 ядрах клеток мыши с меткой акридинового оранжевого красителя были получены из группы Тевари на Фреда Хатчинсона онкологический научный центр им.
  3. 10% бычьего сывороточного альбумина (БСА) в фосфатном буферном растворе (PBS), добавляется в ядрах мыши ячейку в концентрации примерно 1: 10 (BSA: Мышь ядер Cell). BSA помогает предотвратить ядер от прилипания к подложке.
  4. Смешайте решения с использованием ультразвука.
  5. 5 мкл наше решение откладывается на массив покровное решетки алюминия. Лучше выполнять этот шаг с алюминиевой решетки на столике микроскопа, так что вам не придется перевозить образца после решения откладывается.
  6. Два из двух стеков 1 "на 1" покровные используются для поддержки 1 / 5 покровное, через который образец рассматривается.
  7. Поместите образец под микроскопом для просмотра.

3. Метод Перехват

  1. Оптический пинцет построены, отправив 35 мВт гелий неонового лазера через Zeiss Axio Imager.D1M оснащен GFP 17 набор фильтров, который изменяется для обеспечения 633 нм лазерного излучения для достижения образца.
  2. Zeiss LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x цели используется для изображения клеточных ядер, которые примерно 5 микрон в диаметре.
  3. После того как образец находится под цели, фокус микроскопа на массив наночастиц золота или дифракционной решетки.
  4. Перевести микроскоп вертикально до достижении фокусировки на ядра, которые вы хотите ловушку.
  5. Позиция лазерная ловушка месте свыше частиц и частиц должны затем сохранить свои позиции в лазерного пятна даже тогда, когда стадия переведены.

4. Представитель Результаты:

Случайные процедуры наночастиц золота массив должен депозит монослой AuNP о том, что можно посмотреть в SEM, чтобы выглядеть как на рисунке 1. Захват силой, создаваемой этими плазмонных пинцет может быть в 10-20 раз сила, порожденная стандартных оптических пинцетов. Минимальную силу света требуется плазмонных пинцет для достижения удержания частиц приведены для частиц различных размеров на рисунке 4. 9,10 дифракционной решетки достигнута выравнивания и захвата с 20 раз выше, чем эффективность улавливания золота наноточки и может достичь захвата с минимальным до 17 мкВт / мкм 2 (рис. 7). 11

figure-protocol-1
Рис 1 10 () SEM микрофотография самоорганизующихся наночастиц золота. Диаметр отдельных наночастиц золота составляет около 450 нм. (Б) БСОМ образ плазмонных подложки, где наночастицы распределение редких, показывая ближнего поля излучения. Длина волны лазерного возбуждения составляет 633 нм. (С) Высокая зрения увеличения полей, обозначенных красным квадратом в (б). (Г) Рассеяние эффективности спектр плазмонных подложки, показывая пик при 624 нм. (Е) эффективность поглощения спектр плазмонных подложки, показывая пик при 668 нм.

figure-protocol-2
Рисунок 2 13 (а) Au наносферы случайным образом распределены на 2D домена 1 х 1 мкм 2. Каждая синяя точка представляет центр наносфер (= 60 нм). Рассеяния распределения полей по наблюдению самолеты, которые параллельны массив случайных наносферы показаны на (б) - (е). Наносферы массиве равномерно освещенный плоской волны на длине волны 540 нм. Преломления окружающей среды 1.33. Polarization направлении плоской волны направлен вдоль оси Х (горизонтальная в ()). Величина электрического поля инцидент считается 1 в расчет. Расстояние между плоскостью наблюдения и наносферы массив определяется как ч. б) ч =. в) ч = 2а. г) ч = λ. д) ч = 2λ.

figure-protocol-3
Рис 3 9 Схема настроены флуоресценции конфигурацию микроскопа в том числе обход фильтров возбуждения и заменены дихроичных луч-сплиттер. Это конфигурация, используемая для одновременного захвата и флуоресценции.

figure-protocol-4
Рис 4 10 интенсивности лазерного минимального поддержания ловушку в зависимости от скорости потока окружающей жидкости использование плазмонных захвата. Все оптические света измеряется в плоскости образца под микроскопом цели. () - (Е) показывают результаты измерений для одной бисера полистирола с диаметром 7,3, 6,3 (несферической), 5,0, 3,9, 2,5 и 1,1 мкм соответственно. Вставках соответствующие микроскопические изображения частиц. Масштабе во всех барах изображения представляют 5 мкм в длину.

figure-protocol-5
Рис 5 10 склон оборудован линией, проходящей через происхождения на рис. 4 против размер частиц для плазмонных захвата. Погрешности приведены стандартные отклонения линейной подходит. Склона оборудована линия (соотношение между оптическими порог интенсивности и скорости потока) на рис. 4 имеет примерно линейную связь с размером частиц, как показано на этом рисунке, что указывает на преимущество плазмонных захвата особенно для небольших частиц.

figure-protocol-6
Рисунок 6 11 (а) Схематическое изображение оптического захвата расширение использования 1-D периодических наноструктур. Падающий луч дифрагирует на периодические наноструктуры в дальней зоне. (Б) распределение интенсивности света с двух ортогональных поляризациях наноструктуры в дальней зоне. (Б) распределение интенсивности света с двух ортогональных поляризаций на поверхности алюминиевой решетки с периодом 417 нм, полученные с использованием FDTD моделирования. Распределения нормирована на интенсивность на плоской поверхности алюминия. (С) и (г) Перехват потенциал для частицы непосредственно над поверхностью решетки по сравнению расположение частиц для (с) 350 нм полистирола шарик и (г) 1 мкм полистирола борта. Белые кружки иллюстрируют размеры частиц. На врезках захвата потенциальных над плоской поверхностью алюминия для одинакового размера частицы как сравнение. Значения нормированы для каждого размера частиц. Для всех фигур FDTD моделирования поле зрения 10 х 8 мкм 2.

figure-protocol-7
Рисунок 7 11 (а) эффективность ловушки и минимальной интенсивности захвата измеряется для полистирола различных размеров с поляризации пучка перпендикулярно линии решетки. Врезка показывает ловушку асимметрии в эффективности улавливания для перевода 3,87 мкм полистирола бусинка перпендикулярно и параллельно правила решетки. Сплошная линия (большой асимметрии) получается с падающий свет поляризован перпендикулярно к решетке, и пунктирная линия (небольшая асимметрия) получается с инцидентом света, поляризованного параллельно решетки. Устройство находится в (PN [мВт / мкм 2] -1). (Б) - (г) Перехват демонстрации флуоресцентных 590 нм полистирола борта. Красный круг показывает положение лазерного пятна, как лазерный свет был слишком тусклым, чтобы не было видно. Сначала частицы в ловушке пятно в высшую силу, как власть опускается броуновское движение частиц преодолевает силу захвата, что позволяет частиц к бегству. (Е) - (г) Перехват демонстрации флуоресцентных ядра раковых клеток яичников. Минимальной интенсивности, необходимое для начала захвата был 16 мкВт / мкм 2 получены с использованием 20-кратным объективом.

figure-protocol-8
Рис 8 14 Изготовление процедуры крышкой формы наночастиц золота:) Испарение Cr и Au тонким слоем на стекло покровное. б) Воздействие на подвеску полистирола сферы и адсорбции сферах в течение 1 часа. в) удаление без адсорбированных полистирола сферах и сушки поверхности. г) Испарение еще один слой золота поверх шаблона сферах. д) Схема крышкой формы наночастиц Au массив, в котором Au распространяется только на верхней стороне шаблона сферах.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Значение этих методов захвата является то, что они снижают интенсивности оптического необходимых для устойчивого захвата откуда-то порядка 10 3 мкВт / мкм 2, чтобы где-то порядка 10 мкВт / мкм 2. 10,11 ограничения на эти методы в том, что золотые наночастицы массив опыта отопления вопросы, которые должны быть преодолены. Чтобы преодолеть эту проблему, 2D фотонные структуры кристалла, который состоит из диэлектрического материала могут быть использованы. Такая структура могла бы теоретиче...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы также хотели бы поблагодарить Сяоюй Мяо и Бена Уилсона для разработки большинства методов, описанных в пределах. Эта работа финансировалась Национальным научным фондом (DBI 0454324) и Национального института здоровья (R21 EB005183) и PHS НРСА T32 GM07270 от NIGMS к ECK.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Материал Имя Тип Компания Номер в каталоге Комментарий
Axio Imager микроскоп D1M Zeiss D1M Zeiss Axio Imager.D1M
Объектива микроскопа 50x/0.55 Zeiss Л. Д. ЕС Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC
Микроскоп Zeiss камера AxioCam MRC Zeiss
Гелий неонового лазера 35 мВт Исследования Электро-Оптика
Переменный аттенюатор Непрерывно Переменная ND ThorLabs НДЦ-100С-4М Для регулировки интенсивности микроскопом
Zeiss набора фильтров Фильтры Set # 17 Zeiss 488017-9901-000 Фильтры Set # 17
Микроскоп Слайды Толщиной 0,5 мм VWR
3T3 ядрах клеток мыши Фреда Хатчинсона онкологический научный центр Магазин так холодно, как возможно
Акридинового оранжевого красителя Фреда Хатчинсона онкологический научный центр
Бычьего сывороточного альбумина От 1 до 10 паек в PBS Фреда Хатчинсона онкологический научный центр
454 нм сферы полистирола латекса Polysciences, Inc
карбодиимида гидрохлорид (EDC) 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) G-биологических наук BC25-1
золото (для осаждения)
Отражающие исключено дифракционной решетки Эдмунд оптики
Фосфатно-солевым буфером (PBS) Дульбеко фосфатно-солевом буфере (D-би-эс) (1X) Invitrogen 14190-144

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Jones, T. B. Electromechanics of Particles. , Cambridge University Press. (1995).
  2. Ashkin, A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 4853-4853 (1997).
  3. Neuman, K. C., Chadd, E. H., Liou, G. F., Bergman, K., Block, S. M. Characterization of photodamage to Escherichia coli in optical traps. Biophys. J. 77, 2856-2856 (1999).
  4. Chiou, P. C., Ohta, A. T., Wu, M. C. Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature. 436, 370-370 (2005).
  5. Hsu, H. Y., Ohta, A. T., Chiou, P. Y., Jamshidi, A., Nealea, S. L., Wua, M. C. Phototransistor-based optoelectronic tweezers for dynamic cell manipulation in cell culture media. Lab Chip. 10, 165-172 (2010).
  6. Righini, M., Ghenuche, P. S., Cherukulappurath, V., Myroshnychenko, F. J., Garcia de Abajo, R. Quidant Nano-optical Trapping of Rayleigh Particles Escherichia coli Bacteria with Resonant Optical Antennas. Nano Letters. 9, 3387-3391 (2009).
  7. Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape. Nature Physics. 3, 477-480 (2007).
  8. Miao, X., Lin, L. Y. Large dielectrophoresis force and torque induced by localized surface plasmon resonance of a cap-shaped Au nanoparticle array. Opt. Lett. 32, 295-297 (2007).
  9. Wilson, B. K. Manipulation of Nanoparticles and Biological Samples through Enhanced Optical Forces [dissertation]. , University of Washington, Seattle. (2009).
  10. Miao, X. Y., Wilson, B. K., Pun, S. H., Lin, L. Y. Optical manipulation of micron/submicron sized particles and biomolecules through plasmonics. Optics Exp. 16, 13517-13525 (2008).
  11. Wilson, B. K., Mentele, T., Bachar, S., Knouf, E., Bendoraite, A., Tewari, M., Pun, S. H., Lin, L. Y. Nanostructure-enhanced laser tweezers for efficient trapping and alignment of particles. Optics. Exp. 18, 16005-16013 (2010).
  12. Miao, X., Wilson, B. K., Cao, G., Pun, S. H., Lin, L. Y. Trapping and Rotation of Nanowires Assisted by Surface Plasmons. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 15, 1515-1520 (2009).
  13. Miao, X. Y., Lin, L. Y. Trapping and manipulation of biological particles through a plasmonic platform. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13, 1655-1662 (2007).
  14. Miao, X. Plasmonics for Micro/Nano Manipulation and Optofluidics [dissertation]. , University of Washington, Seattle. (2008).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

BSA

Похожие статьи