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

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

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

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Simmons, C. S., Knouf, E. C., Tewari, M., Lin, L. Y. Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation. J. Vis. Exp. (55), e3390, doi:10.3791/3390 (2011).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Protocol

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

Рисунок 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.

Рисунок 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.

Рисунок 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.

Рисунок 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.

Рисунок 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.

Рисунок 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.

Рисунок 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.

Рисунок 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 теоретически произвести захват при низкой интенсивности оптического и контроля микро-и нано-частиц вращения и положение в точным образом, контролируя вход поляризации. Решетки приводит цифры 6 и 7 показывают, что это верно для 1D случае. Следующим шагом могло бы стать создание 2D фотонных кристаллов и продемонстрировать фотонного кристалла пинцетом массив, который будет способствовать многих биологических приложениях исследований.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

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.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Material Name Company Catalog Number Comment
Axio Imager Microscope (D1M) Carl Zeiss, Inc. D1M Zeiss Axio Imager.D1M
Microscope Objective (50x/0.55) Carl Zeiss, Inc. LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC
Zeiss Microscope Camera (AxioCam MRc) Carl Zeiss, Inc.
Helium Neon Laser (35 mW) Research Electro-Optics
Continuously Variable Attenuator Thorlabs Inc. NDC-100C-4M For adjusting microscope intensity
Zeiss Filter Set #17 Carl Zeiss, Inc. 488017-9901-000 Filter Set #17
Microscope Slides, 0.5 mm thickness VWR international
3T3 mouse cell nuclei Fred Hutchinson Cancer Research Center Store as cold as possible
Acridine Orange dye Fred Hutchinson Cancer Research Center
Bovine Serum Albumin, 1 to 10 ration in PBS Fred Hutchinson Cancer Research Center
454 nm polystyrene latex spheres Polysciences, Inc.
carbodiimide hydrochloride (EDC) - 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) G-Biosciences BC25-1
gold (for deposition)
Reflective ruled diffraction grating Edmund Scientific
Dulbecco’s Phosphate-Buffered Saline (D-PBS) (1X) Invitrogen 14190-144

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics