ניצול של ננו גבישים פוטוניים Plasmonic ו מניפולציה מיקרו ו Nanoparticle משופרת

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

פינצטה Plasmonic ננו גבישים פוטוניים מוצגים לייצר שיפורים שימושיים בשליטה היעילות ואת האוריינטציה של אופטית השמנה מיקרו ו ננו חלקיקים.

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

שיטה לתפעל את המיקום ואת הכיוון של חלקיקים submicron nondestructively יהיה כלי שימושי מאוד עבור מחקר ביולוגי בסיסי. אולי כוח פיזי הנפוצה ביותר להשיג מניפולציה לא פולשנית של חלקיקים קטנים כבר dielectrophoresis (DEP). 1 עם זאת, DEP בכוחות עצמה חסרה את צדדיות ודיוק כי הם הרצויה כאשר מניפולציה בתאי מאז זה נעשה באופן מסורתי עם אלקטרודות נייח. פינצטה אופטית, אשר מנצלים תלת מימדי שדה אלקטרומגנטי שיפוע מפעילים כוחות על חלקיקים קטנים, להשיג זאת צדדיות הרצוי דיוק. 2 עם זאת, החיסרון העיקרי של גישה זו היא עוצמת קרינה גבוהה הנדרש כדי להשיג את הכוח הדרוש כדי ללכוד חלקיק אשר עלולה לגרום נזק דגימות ביולוגיות 3 פתרון המאפשר לכידה ומיון עם עוצמות אופטיות נמוכות יותר אופטו פינצטה (OET) אבל זה OET יש מגבלות עם מניפולציה קנס של חלקיקים קטנים,.. להיות DEP מבוססי טכנולוגיה גם מכניס אילוץ על הנכס של הפתרון 4 , 5

מאמר זה יתאר וידאו שתי שיטות להקטין את עוצמת הקרינה הדרושה מניפולציה אופטית של תאים חיים וכן לתאר שיטה מלאה אוריינטציה. השיטה הראשונה היא פינצטה plasmonic אשר משתמשות זהב אקראי nanoparticle (AuNP) מערך כמו מצע למדגם כפי שמוצג באיור 1. מערך AuNP הופכת את הפוטון לתוך האירוע plasmons משטח מקומי (LSP) אשר מורכב של רגעים דיפול התהודה כי להקרין וליצור שדה קרינה בדוגמת עם שיפוע גדול פתרון התא. עבודה ראשונית על השמנה plasmon משטח משופרת על ידי Righini ואח' דוגמנות שלנו הראו את השדות שנוצר על ידי המצע plasmonic להפחית את עוצמת הראשונית הנדרשת על ידי שיפור בתחום שיפוע כי מלכודות החלקיקים. 6,7,8 הגישה plasmonic מאפשר קנס התמצאות מלאה של חלקיקי תאים אליפסואידי עם עוצמות אופטי נמוך בשל המרת אנרגיה יעיל יותר אופטיים לאנרגיה מכנית שדה דיפול תלויי קרינה. שדות אלה מוצגים בתרשים 2 ואת עוצמות השמנה נמוך מפורטים נתוני 4 ו -5. הבעיות העיקריות עם פינצטה plasmonic הן כי LSP של לייצר כמות ניכרת של חום השמנה היא רק שני מימדי. חום זה יוצר זרמי הסעה ו thermophoresis אשר יכול להיות חזק מספיק כדי לגרש חלקיקים submicron מהמלכודת. 9,10 הגישה השנייה כי נתאר הוא ניצול ננו דיאלקטרי תקופתית לאור התקרית לפזר ביעילות רבה לתוך מצבי עקיפה, כפי שמוצג באיור 6 . 11 אידיאלי, אפשר היה להפוך את המבנה מתוך חומר דיאלקטרי, כדי למנוע את בעיות החימום באותו מנוסה עם פינצטה plasmonic אבל הגישה שלנו אלומיניום מצופה סריג עקיפה משמש nanostructure חד ממדיות דיאלקטרי תקופתיות. למרות זאת הוא לא מוליכים למחצה, זה לא ניסיון חימום משמעותי ביעילות לכודים חלקיקים קטנים עם השמנה בעוצמות נמוכות, כפי שמוצג באיור 7. המערך של חלקיקים עם המצע צורמת מושגית מאמת את ההנחה כי גביש 2-D פוטוניים עלולה לאפשר סיבוב מדויק של אי - כדורית חלקיקים בגודל מיקרון. 10 יעילות של אלה מלכודות אופטיות הם מוגברת בשל שדות משופר המיוצר על ידי ננו המתואר זה נייר.

Protocol

1. Random Array Au Nanoparticle ייצור 8,10,12,14

  1. מערך nanoparticle Au נוצר על ידי הראשון ביצירת תבנית כי הוא עשוי שכבה צפופה של תחומים לטקס adsorbed אקראי עם קוטר ממוצע של 454 ננומטר. זו מושגת על ידי זהב מתאדים הראשון coverslip זכוכית בעובי של 20 ננומטר באמצעות כרום כמו שכבת הדבקה.
  2. Monolayer כדור קלקר לאחר מכן עצמית התאספו ידי חשיפת המצע מצופה זהב כדי בתערובת של 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) hydrochloride carbodiimide (EDC), השעיה לטקס כדור ו-de מים מיוננים.
  3. תהליך ספיחה מותר להימשך כשעה ואת התחומים שאינם נספגים נשטפים עם כמות בשפע של מים.
  4. Monolayer יצרו מותר אוויר יבש.
  5. לבסוף, עוד 20 ננומטר של זהב הוא התאדה על monolayer התחום לטקס כדי ליצור את מערך אקראי nanoparticle זהב.
  6. אם SEM זמין, מערך AuNP ניתן לראות תחת SEM להיראות כמו איור 1 ו - תרשים של התהליך מוצג באיור 8.

2. לדוגמא הכנה ביולוגית 9,11

  1. הכנת המדגם עבור גרעינים השמנה אופטית תא העכבר מוצג עכשיו.
  2. עכבר 3T3 תא גרעינים מתוייגים עם Acridine אורנג' צבע התקבלו הקבוצה Tewari על פרד האצ'ינסון לחקר הסרטן.
  3. 10% שור סרום אלבומין (BSA) ב פוספט בופר סליין (PBS) מתווסף גרעינים העכבר בתא בריכוז של כ 1: 10 (BSA: תא גרעינים עכבר). BSA מסייעת במניעת גרעינים יידבקו אל המצע.
  4. מערבבים את הפתרון באמצעות sonication.
  5. 5 UL של הפתרון שלנו מופקד על גבי סריג coverslip אלומיניום המערך. עדיף לבצע שלב זה עם סבכת אלומיניום על הבמה מיקרוסקופ, כך שאתה לא צריך להעביר את המדגם אחרי הפתרון מופקד.
  6. שתי ערימות של שני 1 "על ידי 1" coverslips משמשים לתמיכה coverslip fifth שדרכו מדגם מוצג.
  7. מקם את המדגם מתחת למיקרוסקופ לצפייה.

3. שיטת לכידה

  1. פינצטה אופטית נבנים על ידי משלוח 35 mW לייזר הליום ניאון דרך Axio Zeiss Imager.D1M מצויד להגדיר GFP 17 מסנן שהוא שונה, כדי לאפשר 633 ננומטר קרינת לייזר להגיע המדגם.
  2. LD Zeiss EC Epiplan - אובייקטיבי NEOFLUAR 50x משמש התמונה גרעיני תאים שהם כ 5 מיקרון קוטר.
  3. אחרי המדגם ממוקם תחת המטרה, הדגש מיקרוסקופ במערך זהב nanoparticle או סריג עקיפה.
  4. תרגם מיקרוסקופ אנכית עד להתמקד מושגת על הגרעינים שבו אתם רוצים ללכוד.
  5. לייזר מיקום מלכודת נקודה על פני החלקיקים ואת החלקיקים אז צריך לשמור על מעמדה במקום לייזר גם כאשר השלב מתורגם.

4. נציג תוצאות:

Nanoparticle אקראי זהב מערך נהלים צריכה להפקיד monolayer של AuNP זה ניתן לראות תחת SEM להיראות כמו באיור 1. הכוח השמנה שנוצרו על ידי אלה פינצטה plasmonic יכול להיות 10-20 פעמים את הכוח שנוצר על ידי פינצטה אופטית רגילה. עוצמות המינימום הנדרש על ידי פינצטה plasmonic להשיג ריתוק החלקיקים מוצגים עבור חלקיקים בגדלים שונים באיור 4. 9,10 סריג עקיפה להשיג יישור השמנה עם יעילות 20 פעמים השמנה גבוה יותר nanodots זהב יכול להשיג השמנה עם מעט כמו UW 17 / אממ 2 (איור 7). 11

איור 1
איור 1 10 (א) מיקרוסקופ SEM של עצמית התאספו חלקיקי זהב. הקוטר של חלקיקי זהב הפרט הוא כ 450 ננומטר. (ב) NSOM תמונה של המצע plasmonic שבו הפצה nanoparticle דלילה, מראה את הקרינה שדה ליד. אורך הגל של הלייזר הוא עירור 633 ננומטר. (ג) הגדלה להציג גבוהה של האזור המסומן עם הכיכר האדומה (ב). (ד) יעילות פיזור ספקטרום של המצע plasmonic, מראה את השיא ב 624 ננומטר. (ה) יעילות קליטת ספקטרום של המצע plasmonic, מראה את השיא ב 668 ננומטר.

איור 2
איור 2 13 (א) Au nanospheres המופצים באופן אקראי בתחום 2D 1 x 1 2 מיקרומטר. כל נקודה כחולה לייצג את מרכז nanosphere (א = 60 ננומטר). הפצות בתחום פיזור על מטוסי תצפית אשר במקביל למערך nanosphere אקראי מוצגים (ב) - (ה). מערך nanosphere מואר באופן אחיד על ידי גל מטוס באורך גל של 540 ננומטר. מקדם השבירה של סביב המדיום הוא 1.33. פולהrization הכיוון של הגל נקודות המטוס לאורך ציר ה-X (אופקי (א)). גודלו של השדה החשמלי האירוע ההנחה היא להיות 1 בחישוב. ההפרדה בין מטוס התצפית ואת מערך nanosphere מוגדר ח ב) h =. ג) h = 2a. ד) h = λ. ה) h = 2λ.

איור 3
איור 3 9 סכמטי של תצורת אישית מיקרוסקופ פלואורסצנטי כולל פילטר עירור עקף ו dichroic החליף הקורה ספליטר. זוהי תצורה להשתמש בהם ללכידה סימולטני דימות פלואורסצנטי.

איור 4
איור 4 10 מינימום לייזר בעוצמה לשמור על מלכודת כפונקציה של קצב הזרימה של נוזל סביב ניצול השמנה plasmonic. כל עוצמות האופטי נמדד המטוס מדגם תחת המטרה מיקרוסקופ. (א) - (ו) מראים את תוצאות המדידה של חרוזי פוליסטירן יחיד עם 7.3 קוטר, 6.3 (לא כדוריים), 5.0, 3.9, 2.5 ו - 1.1 מיקרומטר, בהתאמה. ריבועי להראות תמונות מיקרוסקופיות המקביל של חלקיקים. ברים בקנה מידה לייצג את כל התמונות 5 מיקרומטר באורכו.

איור 5
איור 5 10 השיפוע של הקו מצויד דרך המוצא באיור. 4 לעומת גודל החלקיקים עבור השמנה plasmonic. ברים שגיאה להראות את סטיות התקן של מתאים ליניארי. השיפוע של הקו מצויד (היחס בין סף העוצמה האופטית קצב הזרימה) באיור. 4 יש קשר ליניארי כ עם גודל החלקיקים כפי שמוצג באיור הזה, המציין את היתרון של השמנה plasmonic במיוחד עבור חלקיקים קטנים.

איור 6
איור 6 11 (א) ציור סכמטי של השמנה אופטי משופר ניצול ננו תקופתיים 1-D. קרן האירוע הוא diffracted ידי nanostructure המחזורית בשדה רחוק. (ב) חלוקת עוצמת האור עם nanostructure two polarizations אורתוגונליים בשדה רחוק. (ב) חלוקת עוצמת האור עם שני polarizations אורתוגונליים על פני השטח של סבכת אלומיניום עם תקופת 417 ננומטר שהושגו באמצעות סימולציות FDTD. ההפצה היא מנורמל לעוצמת על משטח אלומיניום שטוח. (ג) ו - (ד) פוטנציאל השמנה עבור חלקיקים ישירות מעל פני השטח צורמת לעומת מיקומו של החלקיק עבור פוליסטירן (ג) 350 ננומטר חרוז (ד) פוליסטירן 1 מיקרומטר חרוז. עיגולים לבנים להמחיש את סדרי הגודל של חלקיקים. ריבועי להראות את הפוטנציאל השמנה מעל משטח אלומיניום שטוח גודל החלקיקים זהה השוואות. הערכים הם מנורמל לכל גודל החלקיקים. כל הדמויות סימולציה FDTD את שדה הראיה הוא 10 x 8 מיקרומטר 2.

איור 7
איור 7 11 (א) יעילות מלכודת ועוצמת השמנה מינימום נמדד חרוזים קלקר בגדלים שונים עם קרן קיטוב בניצב לקווי הסורג. הבלעה מלכודת מראה אסימטריה יעילות השמנה לתרגום הניצב 3.87 פוליסטירן אממ במקביל חרוז לכללי הסורג. קו מוצק (גדול אסימטריה) מתקבל עם אור מקוטב בניצב האירוע אל הסורג, ואת קו מקף (קטן אסימטריה) מתקבל עם מקבילים התקרית אור מקוטב אל הסורג. היחידה היא (PN [mW / מיקרומטר 2] -1). (ב) - (ד) הפגנה השמנה של ניאון 590 ננומטר חרוז קלקר. העיגול האדום מציין את המיקום של כתם הלייזר כמו אור הלייזר היה חלש מכדי להיראות. בהתחלה החלקיק הוא לכוד בתוך המקום בהספק גבוה יותר, כמו החשמל הורידה את התנועה הבראונית של החלקיקים מתגבר על כוח השמנה, המאפשר החלקיקים לברוח. (ה) - (ז) הפגנה השמנה של גרעין התא סרטן השחלות פלורסנט. עוצמת המינימום הנדרש כדי ליזום השמנה היה μW 16 / 2 מיקרומטר שהושגו באמצעות עדשה 20x אובייקטיבי.

איור 8
איור 8 14 הליך ייצור של כובע בצורת חלקיקי זהב: אידוי) שכבת Cr ו - Au הדק על coverslip הזכוכית. ב) חשיפה ההשעיה פוליסטירן כדור ו ספיחה של תחומים לשעה 1. ג) הסרת אי - adsorbed תחומי פוליסטירן וייבוש של פני השטח. ד) אידוי של שכבה נוספת של Au על גבי הכדורים בתבנית. ה) סכמטי של המערך Au כובע בצורת nanoparticle, שם Au מכסה רק את הצד העליון של הספירות התבנית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המשמעות של שיטות אלה של השמנה היא שהם להפחית את עוצמת אופטי הכרחי השמנה מתמשכת ממקום בסדר גודל של 10 3 μW / 2 מיקרומטר למקום על סדר μW 10 / 2 מיקרומטר. 10,11 המגבלות על טכניקות אלו הם כי מערך nanoparticle זהב חוויות בעיות חימום שיש להתגבר עליו. כדי להתגבר על בעיה זו, מבנה 2D קריסטל פוטוניים כי מורכב של חומר דיאלקטרי ניתן להשתמש. מבנה כזה יכול תיאורטית לייצר השמנה בעוצמות אופטי נמוך ושליטה מיקרו ו ננו חלקיקים סיבוב ואת המיקום באופן מדויק על ידי שליטה על הקיטוב קלט. תוצאות צורמת במספרים 6 ו -7 להראות שזה נכון למקרה 1D. השלב הבא יהיה ליצור גבישים פוטוניים 2D ולהפגין גביש פוטוניים פינצטה מערך שיאפשרו יישומים רבים במחקר ביולוגי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי אינטרסים הכריז.

Acknowledgments

אנחנו רוצים גם להודות Xiaoyu מיאו ובן וילסון לפיתוח רוב השיטות המתוארות מבפנים. עבודה זו מומנה על ידי הקרן הלאומית למדע (DBI 0454324) לבין המכון הלאומי לבריאות (R21 EB005183) ועל ידי PHS NRSA T32 GM07270 מ NIGMS אל אק.

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