향상된 마이크로 및 Nanoparticle 조작에 대한 Plasmonic 및 광자 크리스탈 Nanostructures 활용

Bioengineering

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Summary

Plasmonic 핀셋 및 광자 크리스탈 nanostructures는 광학 트래핑 마이크로 및 나노 입자의 효율성과 방향 제어에 유용 향상을 생산하기 위해 표시됩니다.

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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).

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Abstract

submicron 입자의 위치와 방향을 조작하는 방법은 nondestructively 기초 생물 학적 연구에 매우 유용한 도구가 될 것입니다. 아마도 작은 입자의 비침 투 조작을 달성하기 위해 가장 널리 사용되는 물리적인 힘 (DEP) dielectrophoresis 왔습니다. 1 단, 자체 DEP는 세포를 조작하면 그것이 전통적으로 고정 전극과 함께 이루어지기 때문에 원하는 수있는 다재 다능한 및 정밀도를 부족합니다. 작은 입자의 힘을 발휘하기 위해 3 차원 전자기 필드 기울기를 활용 광학 핀셋은이 원하는 다목적과 정밀도를 얻을 수 있습니다. 2 단,이 방법의 주요 단점은 입자를 트랩하는 데 필요한 힘을 달성하는 데 필요한 높은 방사선 강도되는 생물 학적 샘플을 손상시킬 수 3 트래핑 낮은 광학 농도와 정렬 가능 솔루션 광전자 핀셋 (OET)하지만 OET의 작은 입자의 미세 조작 제한이되며..되고 DEP 기반 기술은 또한 솔루션의 속성에 제약을두고 사 5

이 동영상이 문서에서는 살아있는 세포의 광학적 조작에 필요한 방사선의 강도를 감소 또한 오리 엔테이션을 제어하는​​ 방법을 설명하는 두 가지 방법을 설명합니다. 첫 번째 방법은 그림 1과 같이 샘플을위한 기판으로 무작위로 금색 nanoparticle (AuNP) 배열을 사용 plasmonic 핀셋입니다. AuNP 배열은 공진 다이폴 순간으로 이루어져화된 표면 plasmons (LSP)로 입사 광자로 변환 방출하고 세포 솔루션에 큰 그라디언트와 패턴 방사선 필드를 생성합니다. Righini 외과 우리 자신의 모델링에 의해 표면 plasmon 향상 트래핑에 초기 작업 트랩 입자. 6,7,8 plasmonic 접근 벌금을 허용하는 plasmonic 기판에 의해 생성된 필드는 그라디언트 필드를 강화하여 필요한 초기 강도를 줄일 수 보였습니다 때문에 기계적 에너지와 쌍극자 - 종속 방사선 분야에보다 효율적인 광학 에너지 변환의 낮은 광학 농도와 ellipsoidal 입자와 세포의 방향을 제어합니다. 이 필드는 그림 2에 표시됩니다 낮은 트래핑의 농도는 그림 4와 5에 대한 자세한 있습니다. plasmonic 핀셋있는 주요 문제 LSP이 열의 상당한을 생성 있다고하고 트래핑은 2 차원이다. 이 열이 트랩에서 submicron 입자를 추방 정도로 강력한 수 있습니다 대류 흐름과 thermophoresis를 생성합니다. 우리가 설명됩니다 9,10 두 번째 접근 방식은 그림 6에서와 같이 회절 모드로 매우 효율적으로 분산형 입사 광에 주기적으로 유전체 nanostructures을 활용합니다 . 11 이상적으로, 하나는 plasmonic 핀셋 경험 같은 난방 문제를 방지하기 위해 유전 물질의 구조를 만들 것입니다하지만 우리 접근법에 알루미늄 코팅 회절 격자는 1 차원 주기적으로 유전체 nanostructure로 사용됩니다. 그것은 반도체 아니지만, 그것은 상당한 가열을 경험하고 효과적으로 그림 7과 같이 낮은 트래핑의 농도와 작은 입자를, 갇힌하지 않았다. 격자 기판과 입자의 정렬은 개념적으로 2 - D 광자 결정이 아닌 구면 미크론 크기의 입자의 정확한 회전을시킬 수있는 제안을 확인합니다. 이러한 광학 트랩의 10 효율성 인해에 설명된 nanostructures 제작한 고급 분야로 증가 아르 본 논문.

Protocol

1. 임의의 Au Nanoparticle의 어레이 제작 8,10,12,14

  1. 의 Au nanoparticle의 배열이 처음 454 nm의 직경의 의미 무작위 adsorbed 라텍스 분야의 고밀도 레이어 만든 템플릿을 생성하여 형성됩니다. 이것은 점착 층으로 크롬을 사용하여 20 nm의 두께의 유리 coverslip 첫 증발 금에 의해 이루어진다.
  2. 폴리스티렌 구체를 monolayer 다음의 혼합물에 골드 코팅 기판을 노출하여 자체 조립은 1 - 에​​틸 -3 - (3 - 디메틸 아미노) carbodiimide 하이드로 클로라이드 (EDC), 라텍스 영역 서스펜션 및 취소 이온화 물.
  3. 흡착 과정은 1 시간 정도 지난 수 있으며 이외의 흡수 분야는 물이 풍부한 양의 씻겨 있습니다.
  4. 형성 monolayer는 건조 공기를 허용됩니다.
  5. 마지막으로, 황금의 20 nm의은 임의 금 nanoparticle 배열을 형성하는 라텍스 영역의 monolayer에 증발됩니다.
  6. SEM을 사용할 경우, AuNP 배열은 그림 1과 프로세스의 다이어그램은 그림 8에 표시됩니다처럼 보이게하기 위해 SEM 아래에서 볼 수 있습니다.

2. 생물 학적 샘플 준비 9,11

  1. 광학 트래핑 마우스 세포 핵에 대한 샘플 준비가 이제 표시됩니다.
  2. Acridine 오렌지 염료와 태그 3T3 마우스 세포 핵은 프레드 허치슨 암 연구 센터에서 Tewari 그룹에서 얻은되었습니다.
  3. 10 (BSA : 마우스 세포 핵) 10 % 정도가 혈청 알부민 (BSA) 인산의이 식염수 (PBS)를 버퍼 소의는 약 1의 농도로 마우스 세포 핵에 추가됩니다. BSA는 기판에 고집에서 핵을 막는 데 도움이됩니다.
  4. sonication을 사용하여 솔루션을 섞는다.
  5. 우리 솔루션의 5 UL은 알루미늄 격자 배열 coverslip에 입금됩니다. 솔루션 입금 후 당신이 샘플을 수송하지 않도록 이것은 현미경 무대에 알루미늄 격자로이 단계를 수행하는 것이 좋습니다.
  6. coverslips "1"두 1 두 스택은 샘플이 많이되는 통하여 오분의 일 coverslip을 지원하는 데 사용됩니다.
  7. 볼 수있는 현미경 샘플을 위치.

3. 트래핑을위한 방법

  1. 광학 핀셋은 633 NM 레이저 방사가 시료에 도달하는 수 있도록 수정 GFP 17 필터 설정을 갖춘 자이스 혈구 Axio Imager.D1M을 통해 35 MW 헬륨 네온 레이저를 전송하여 건설하고 있습니다.
  2. 자이스 혈구 LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x의 목적은 이미지의 직경이 약 5 미크론의 세포 핵을하는 데 사용됩니다.
  3. 샘플이 목적에 따라 배치되면 황금 nanoparticle 배열이나 회절 격자의 현미경을 중점을두고 있습니다.
  4. 초점이 트랩에 원하는 핵에 달성 때까지 수직 현미경을 번역.
  5. 입자와 입자를 통해 위치 레이저 트랩 지점 다음 무대가 번역도 레이저 스폿의 위치를​​ 유지한다.

4. 대표 결과 :

무작위 골드 nanoparticle 배열 절차는 그림 1처럼 보이게하기 위해 SEM에 따라 볼 수 있습니다 AuNP의 monolayer를 입금해야합니다. 이러한 plasmonic 핀셋으로 만들어 트래핑 힘을 평균의 10 배에서 20 배를 표준 광학 핀셋에 의해 생성되는 강제 수 있습니다. 입자 감금을 달성하기 plasmonic 핀셋에 필요한 최소 농도는 그림 4에서 다양한 크기의 입자에 대해 표시됩니다. 9,10 회절 격자는 골드 nanodots보다 20 배 이상 트래핑 효율적으로 정렬하고 트래핑을 달성하고 거의 마찬가지로 트래핑 얻을 수있는 17 uW / 음 ... 2 (그림 7). 11로

그림 1
그림 1 10 자기 조립 금 nanoparticles의 (A) SEM의 현미경. 개인 금 nanoparticles의 직경은 약 450 nm의 수 있습니다. 가까운 필드 방사선을 보여주 nanoparticle 분포가 희박한있는 plasmonic 기판의 (B) NSOM 이미지. 여기 레이저의 파장은 633 nm의 수 있습니다. (B)에있는 빨간색 사각형으로 표시된 영역 (C) 높은 배율 볼 수 있습니다. 624 NM에서 피크를 보여주는 plasmonic 기판의 (D) 산란 효율 스펙트럼. 668 NM에서 피크를 보여주는 plasmonic 기판의 (E) 흡착 효율 스펙트럼.

그림 2
그림 2 13 ()의 Au nanospheres가 임의로 2D 도메인 1 배포 × 1 μm의 2. 각 파란색 점이 nanosphere의 중심 (A = 60 나노미터)를 나타냅니다. 임의 nanosphere 배열에 평행 관측 비행기에 산란 필드 배포판은 (B)로 표시됩니다 - (E). nanosphere 배열이 균일하게 540 nm의 파장의 비행기 파도에 의해 조명입니다. 주위 매체의 굴절률은 1.33이다. 폴라X - 축 ((A)에서 수평) 함께 비행기 파 포인트 rization 방향. 사건 전기장의 크기는 계산 1로 간주됩니다. 관측 비행기와 nanosphere 배열 사이의 분리는 H.으로 정의됩니다 B) H =. C) H = 2A. D) H = λ. E) H = 2λ.

그림 3
무시 여기 필터 및 빔 - 스플리터 대체 이색성 포함한 맞춤형 형광 현미경 구성의 그림 3 9 도식. 이것은 동시 트래핑 및 형광 이미징에 사용되는 구성입니다.

그림 4
그림 4 10 plasmonic 트래핑을 이용하여 액체를 주변의 유속의 함수로 트랩을 유지하기 위해 최소 레이저 강도. 모든 광학 농도는 현미경 목표 아래 샘플 비행기에서 측정됩니다. (A) - (F) 각각 직경 7.3, 6.3 (비 구형), 5.0, 3.9, 2.5 및 1.1 μm의 단일 폴리스티렌 구슬에 대한 측정 결과를 표시합니다. insets는 입자의 해당 미세한 이미지를 보여줍니다. 모든 이미지의 스케일 바의 길이는 5 μm의를 나타냅니다.

그림 5
그림 출처 통해 장착되어 라인 5 10 경사면을 그림. 4 plasmonic 트래핑에 대한 입자 크기 비교. 오차 막대는 선형 맞는의 표준 편차를 보여줍니다. 그림에 장착되어 라인의 기울기 (광 강도 임계값 및 유량 사이의 비율). 4 특히 작은 입자에 대한 plasmonic 트래핑의 이점을 나타내는 본 그림 입자 크기가 약 선형 관계가 있습니다.

그림 6
그림 1 - D nanostructures 정기를 이용한 향상된 광학 트래핑 6 11 () 도식 도면. 입사 빔은 지금까지 현장에서 정기 nanostructure에 의해 diffracted 있습니다. 지금까지 현장에서 두 직교 polarizations의 nanostructure과 조명 (B) 강도 분포. (B) FDTD 시뮬레이션을 사용하여 얻은 417 NM 기간과 알루미늄 격자의 표면에 두 직교 polarizations과 빛의 강도 분포. 배포는 평면 알루미늄 표면에 농도로 표준입니다. (C)와 (C) 350 NM의 폴리스티렌 구슬과 구슬 (D) 1 μm의의 폴리스티렌에 대한 직접 입자의 격자 표면 대 위치 이상의 입자 (D) 트래핑 가능성. 흰색 동그라미는 입자의 크기를 보여줍니다. Insets은 비교와 같은 입자 크기에 대한 평면 알루미늄 표면 위의 트래핑 가능성을 보여줍니다. 값은 각각의 입자 크기에 대한 표준입니다. 모든 FDTD 시뮬레이션 수치에 대한보기의 필드는 10 X 8 μm의 2입니다.

그림 7
그림 7 11 격자 라인 빔 편광 직각 다양한 크기의 폴리스티렌 비즈를위한 측정 (A) 트랩 효율 및 최소 트래핑 강도. 삽입 보여줍니다 트랩은 격자의 규칙 3.87 음 ... 폴리스티렌 비드 직각 및 병렬 번역을위한 트래핑 효율성 비대칭성. 실선은 (대형이 비대칭) 격자에 입사 광 편광 직각과 획득이며, 대시 라인 (작은이 비대칭) 격자에 입사 광 편광 병렬로 얻을 수 있습니다. 단위 (PN [MW / μm의 2] -1)입니다. (B) - 형광 590 nm의 폴리스티렌 비드의 (D) 트래핑 데모. 빨간색 동그라미는 레이저 빛이 볼 수 너무 희미로 레이저 스폿의 위치를​​ 나타냅니다. 전원이 입자 트래핑 힘을 극복의 브라운 운동을 저하므로 처음에는 입자는 입자가 탈출 수 있도록, 높은 전력 자리 안에 갇혀있다. (E) - 형광 난소 암 세포 핵의 (G) 트래핑 데모. 트래핑를 시작하는 데 필요한 최소 강도는 16 μW / 20x 목적 렌즈를 사용하여 얻은 μm의 두되었습니다.

그림 8
유리 coverslip에 죽겠어 및 au 얇은 레이어의) 증발 : 캡 모양의 금 nanoparticles의 8 14 제조 절차를 그림. B) 1 시간 동안 분야의 폴리스티렌 구체 서스펜션 및 흡착에 노출. C) 비 adsorbed 폴리스티렌 분야와 표면 건조 제거. 템플릿 분야의 위에 끊을 또 다른 레이어의 D) 증발. 끊을은 템플릿 분야의 상단 측면을 커버 캡 모양의 Au nanoparticle의 배열의 E) 도식.

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Discussion

트래핑 이러한 방법의 의미는 그들이 10 μW / μm의 2의 순서에 10 3 μW / μm의 2 곳으로의 순서에 어딘가에서 지속적인 트래핑에 필요한 광학 강도를 감소한다는 것입니다. 이러한 기술에 10,11 제한 금 nanoparticle 배열이 극복되어야 난방 문제를 경험한다는 점입니다. 이 문제를 극복하기 위해 유전 물질로 구성되어 있습니다 2 차원 광자 결정 구조를 사용할 수 있습니다. 이러한 구조는 이론적으로 낮은 광학 농도 및 제어에 트래핑 생산할 수있는 마이크로 및 나노 입자 회전과 입력 편광을 제어하여 정확한 방법으로 위치. 그림 6과 7의 격자 결과 이​​것은 1D 사건에 대한 사실 게재. 다음 단계는 2D 광자 크리스탈을 생성하고 많은 생물 학적 연구 애플 리케이션을 용이하게 수있는 광자 결정 핀셋 배열을 입증하는 것입니다.

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Disclosures

관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

Acknowledgments

우리는 또한 시간 설명한 방법의 대부분을 개발하기 위해 샤오유 미아오와 벤 윌슨 감사하고 싶습니다. 이 작품은 국립 과학 재단 (DBI 0,454,324) 및 보건 국립 연구소 (R21 EB005183)와 ECK에 NIGMS에서 PHS NRSA T32 GM07270에 의해 투자되었다.

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

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References

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