الاستفادة من النانو كريستال Plasmonic والضوئية لتعزيز التلاعب الصغرى ، والجسيمات النانوية

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

وترد وملاقط Plasmonic النانو الكريستال الضوئية لإنتاج تحسينات مفيدة في السيطرة والتوجيه من الكفاءة محاصرة بصريا المتناهية الصغر ومتناهية الصغر.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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. عشوائية صفيف الاتحاد الافريقي nanoparticle التصنيع 8،10،12،14

  1. يتم تشكيل مجموعة جسيمات متناهية الصغر من خلال إنشاء الاتحاد الافريقي لأول مرة القالب الذي يتكون من طبقة كثيفة من المجالات اللاتكس كثف عشوائيا مع قطر يعني من 454 نانومتر. ويتم تحقيق هذا عن طريق التبخير أول ذهبية على الزجاج ساترة لبسمك 20 نانومتر باستخدام الكروم والتصاق طبقة.
  2. والبوليسترين المونولاير المجال ومن ثم تجميعها ذاتيا من خلال تعريض الركيزة المغلفة الذهب إلى خليط من 1 إيثيل - 3 - (3 - dimethylaminopropyl) carbodiimide هيدروكلوريد (EDC) ، واللثي تعليق المجال ، والمياه غير المتأينة.
  3. ولا يسمح للعملية الامتصاص تستمر لحوالي ساعة واحدة ويتم غسلها المجالات غير استيعابها بعيدا مع كمية وفيرة من المياه.
  4. ولا يسمح للأحادي الطبقة تشكلت في الهواء الجاف.
  5. أخيرا ، يتم تبخير آخر 20 نانومتر من الذهب على المونولاير المجال اللاتكس لتشكيل جزيئات النانو الذهب عشوائية صفيف.
  6. إذا كان متوفرا SEM ، يمكن أن ينظر إليه في إطار مجموعة AuNP SEM لتبدو مثل الشكل 1 ويظهر رسم بياني للعملية في الشكل 8.

2. إعداد العينات البيولوجية 9،11

  1. يظهر الآن إعداد نموذج لمحاصرة بصريا الماوس نواة الخلية.
  2. تم الحصول على نواة الخلية 3T3 ماوس المفتاحية أكريدين الصبغة البرتقالية من مجموعة تيواري في مركز فريد هاتشينسون لأبحاث السرطان.
  3. 10 ٪ يضاف مصل الزلال البقري (BSA) في الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) إلى نواة الخلية الماوس في تركيز حوالي 1 : 10 (BSA : الفأر نواة الخلية). جيش صرب البوسنة يساعد على منع النواة من الالتصاق إلى الركيزة.
  4. الحل باستخدام مزيج صوتنة.
  5. وتودع 5 ماي من حلنا على الصفيف ساترة الألومنيوم صريف. فمن الأفضل لتنفيذ هذه الخطوة مع صريف الألومنيوم في المرحلة المجهر بحيث لم يكن لديك لنقل العينة بعد إيداع الحل.
  6. وتستخدم اثنين من اثنين من مداخن 1 "في موعد أقصاه 1" لدعم coverslips ساترة الخامسة عن طريق وهو ينظر إلى العينة.
  7. موقف العينة تحت المجهر للعرض.

3. طريقة لاصطياد

  1. هي التي شيدت في ملاقط بصرية عن طريق إرسال 35 ميغاواط ليزر الهليوم نيون من خلال محوري Imager.D1M زايس مجهزة بمجموعة 17 GFP التصفية التي يتم تعديلها للسماح لأشعة الليزر 633 نانومتر لتصل العينة.
  2. يستخدم NEOFLUAR 50x صورة موضوعية لنواة الخلية التي ما يقرب من 5 ميكرون في القطر -- ألف دينار زايس EC Epiplan.
  3. بعد يتم وضع العينة في إطار الهدف ، والتركيز المجهر على صفيف الذهب جسيمات متناهية الصغر أو مقضب الحيود.
  4. ترجمة المجهر عموديا حتى يتحقق التركيز على النواة التي كنت ترغب في الفخ.
  5. وينبغي أن موقف فخ بقعة الليزر أكثر من الجسيمات والجسيمات في المحافظة ومن ثم وضعها في بقعة الليزر حتى عندما تتم ترجمة هذه المرحلة.

4. ممثل النتائج :

ينبغي للجسيمات متناهية الصغر إجراءات الذهب مجموعة عشوائية من إيداع المونولاير AuNP والتي يمكن عرضها في إطار SEM لتبدو مثل الشكل 1. يمكن محاصرة القوة التي أوجدتها هذه plasmonic ملاقط يكون 10-20 أضعاف القوة التي تم إنشاؤها بواسطة ملاقط بصرية القياسية. وتظهر شدة الدنيا المطلوبة لتحقيق plasmonic ملاقط الحبس الجسيمات عن جسيمات ذات أحجام مختلفة في الشكل 4. 9،10 صريف حيود تحقيق المواءمة والملائمة مع كفاءة أعلى 20 مرة من محاصرة nanodots الذهب ، ويمكن تحقيق الملائمة مع اقل كما يسكونس 17 / ام 2 (الشكل 7). 11

الشكل 1
الشكل 1 10 (أ) صورة مجهرية SEM من جزيئات الذهب الذاتي تجميعها. القطر من جزيئات الذهب الفرد حوالي 450 نانومتر. (ب) صورة NSOM الركيزة plasmonic حيث توزيع متناثر جسيمات متناهية الصغر ، والتي تبين الأشعة القريبة من الميدان. الطول الموجي لليزر الإثارة هو 633 نانومتر. (ج) عرض التكبير السامي للمنطقة مع وضع علامة حمراء في مربع (ب). (د) كفاءة الطيف نثر الركيزة plasmonic ، والتي تبين الذروة في 624 نانومتر. (ه) الطيف كفاءة امتصاص الركيزة plasmonic ، والتي تبين الذروة في 668 نانومتر.

الشكل 2
الشكل 2 13 (أ) الاتحاد الافريقي nanospheres موزعة بشكل عشوائي على نطاق 2D 1 × 1 ميكرومتر 2. كل نقطة زرقاء تمثل مركز nanosphere (أ = 60 نانومتر). وتظهر التوزيعات مجال تناثر على طائرات المراقبة التي هي موازية لمجموعة nanosphere عشوائي في الفقرة (ب) -- (ه). غير مضاءة بشكل موحد الصفيف nanosphere موجة الطائرة في الطول الموجي من 540 نانومتر. معامل الانكسار من الوسط المحيط هو 1.33. وبولاالاتجاه rization من النقاط على طول موجة الطائرة المحور السيني (الأفقي في الفقرة (أ)). ويفترض أن حجم الحقل الكهربائي الحادث لكي تكون 1 في الحساب. يتم تعريف الفاصل بين الطائرة والمراقبة الصفيف nanosphere كما ح ب) ح = أ. ج) ح = 2A. د) ح = λ. ه) ح = 2λ.

الشكل 3
الرقم 3 9 تخطيطي لتكوين مخصص المجهر مضان بما في ذلك تصفية الإثارة وتجاوز مزدوج اللون استبدال الحزم الخائن. هذا هو التكوين تستخدم لمحاصرة في وقت واحد والتصوير مضان.

الشكل 4
الرقم 4 10 كثافة الليزر للحفاظ على الحد الأدنى في فخ بوصفها وظيفة من معدل تدفق السوائل المحيطة الاستفادة من محاصرة plasmonic. ويتم قياس جميع الكثافات الضوئية على الطائرة العينة تحت المجهر الهدف. (أ) -- (و) تظهر نتائج القياس للالخرز البوليسترين واحد بقطر 7.3 و 6.3 (غير كروي) ، 5.0 ، 3.9 ، 2.5 و 1.1 ميكرومتر ، على التوالي. وinsets عرض الصور المجهرية المقابلة من الجسيمات. أشرطة النطاق في كل الصور تمثل 5 ميكرون في الطول.

الشكل 5
الشكل 5 10 المنحدر من خط تركيبها من خلال الأصل في الشكل. 4 مقابل حجم الجسيمات لمحاصرة plasmonic. أشرطة الخطأ تظهر الانحرافات المعيارية ليناسب الخطية. المنحدر من خط المجهزة (النسبة بين شدة العتبة البصرية ومعدل التدفق) في الشكل. 4 وجود علاقة خطية تقريبا مع حجم الجسيمات كما هو مبين في هذا الشكل ، مما يدل على الاستفادة من محاصرة plasmonic وخاصة بالنسبة للجسيمات أصغر.

الشكل 6
الشكل 6 11 (أ) رسم تخطيطي لمحاصرة تعزيز الاستفادة من النانو البصرية الدوري 1 - D. شعاع الحادث diffracted من البنية النانوية الدوري في الميدان حتى الآن. (ب) توزيع شدة الضوء مع اثنين من البنية النانوية متعامد الاستقطابات في حقل بعيد. (ب) توزيع شدة الضوء مع اثنين من الاستقطاب المتعامد على السطح من صريف الألومنيوم مع فترة 417 نانومتر تم الحصول عليها باستخدام المحاكاة FDTD. هو تطبيع توزيعها على كثافة على سطح الألومنيوم مسطح. (ج) و (د) إمكانية ملائمة للجسيمات مباشرة فوق سطح صريف مقابل موقع للجسيمات لالبوليسترين ألف (ج) 350 نانومتر حبة و (د) والبوليسترين 1 ميكرومتر حبة. الدوائر البيضاء توضيح أحجام الجسيمات. Insets تظهر إمكانات محاصرة فوق سطح الالومنيوم شقة لحجم الجسيمات نفس المقارنات. تم تطبيع القيم لكل حجم الجسيمات. لجميع الأرقام محاكاة FDTD مجال الرؤية هو 10 × 8 2 ميكرون.

الشكل 7
الشكل 7 11 (أ) الكفاءة والحد الأدنى من شدة فخ نصب الفخاخ لقياس الخرز البوليسترين من مختلف الأحجام مع عمودي الاستقطاب شعاع لخطوط صريف. أقحم يظهر التفاوت في فخ الكفاءة الملائمة لترجمة والبوليسترين 3.87 عمودي أم حبة ومتوازية لقواعد صريف. يتم الحصول على خط الصلبة (التباين الكبير) مع عمودي الاستقطاب الحادث الضوء على صريف ، ويتم الحصول على خط شرطة (عدم التماثل الصغيرة) مع الحادث الضوء المستقطب موازية لصريف. وحدة في (PN [ميغاواط / ميكرون 2] -1). (ب) -- (د) مظاهرة ملائمة لالفلورسنت 590 نانومتر حبة البوليسترين. دائرة حمراء تدل على موقف بقعة الليزر ضوء الليزر كما كانت خافتة جدا بحيث لا يمكن رؤيتها. في البداية محصورة الجسيمات داخل بقعة في أعلى السلطة ، كما هو خفض قوة الحركة البراونية للجسيمات يتغلب على قوة محاصرة ، والسماح للجسيمات من الفرار. (ه) -- (ز) مظاهرة ملائمة من نواة الخلية السرطانية المبيض الفلورسنت. كانت كثافة الحد الأدنى المطلوب لبدء محاصرة μW 16 / 2 ميكرون تم الحصول عليها باستخدام عدسة الهدف 20X.

الشكل 8
الشكل 8 التصنيع الداخلي 14 من جزيئات الذهب على شكل قبعة : أ التبخر) من الكروم والاتحاد الافريقي طبقة رقيقة على الزجاج ساترة. ب) التعرض للتعليق البوليسترين مجال من المجالات ، وامتصاص لمدة 1 ساعة. ج) إزالة المجالات البوليسترين غير كثف وتجفيف السطح. د) التبخر من طبقة أخرى من الاتحاد الافريقي على رأس مجالات القالب. ه) تخطيطي للصفيف سقف على شكل جسيمات متناهية الصغر الاتحاد الافريقي ، حيث لا يغطي سوى الاتحاد الافريقي في الجانب العلوي من المجالات القالب.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

المغزى من هذه الأساليب لأنها محاصرة انخفاض كثافة الضوئية اللازمة لمحاصرة مستمرة من مكان ما على ترتيب مكان للμW 10 3 / 2 ميكرون بناء على أمر من μW 10 / 2 ميكرون. 10،11 والقيود المفروضة على هذه التقنيات هي أن جسيمات متناهية الصغر مجموعة الذهب الخبرات التدفئة القضايا التي يجب التغلب عليها. للتغلب على هذه المشكلة ، يمكن استخدام هيكل 2D الكريستال الضوئية التي تتكون من مادة عازلة. يمكن أن تنتج مثل هذه البنية نظريا محاصرة في كثافة ضوئية منخفضة والتحكم الجزئي والنانو جزيئات التناوب وموقف بطريقة دقيقة عن طريق التحكم في مدخلات الاستقطاب. نتائج صريف في 6 و 7 أرقام تظهر أن هذا ينطبق على حالة 1D. ستكون الخطوة التالية هي إنشاء 2D الكريستال الضوئية ويبرهن على وجود مجموعة ملاقط الكريستال الضوئية التي من شأنها تيسير العديد من تطبيقات البحوث البيولوجية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

نود أيضا أن نشكر شياو يو مياو ويلسون بن لتطوير أكثر من الأساليب المذكورة داخل. وقد تم تمويل هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (DBI 0454324) والمعهد الوطني للصحة (R21 EB005183) وPHS NRSA T32 GM07270 NIGMS من لجنة الانتخابات.

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