为增强微型和纳米操纵利用电浆和光子晶体纳米结构

Bioengineering

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Summary

电浆镊子和光子晶体纳米结构的光学诱捕微型和纳米粒子的生产效率和方向的控制非常有用的增强。

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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

非破坏性的方法来操纵亚微米粒子的位置和方向将基础生物学研究的一个非常有用的工具。也许使用最广泛的物质力量来实现小颗粒的无创性操作已介(DEP)[1]然而,对自己的DEP缺乏通用性和精度,操作时所需的细胞,因为它是传统与固定电极。光镊,利用一个三维电磁场梯度小颗粒施加的力量,实现这一目标所需的通用性和精度。然而,这种方法的主要缺点是需要达到必要的武力来捕获一个粒子的辐射强度高可以破坏生物样品可诱捕和较低的光强度排序的解决方案光电镊子(OET),但OET的有小颗粒的精细操纵限制;。。被DEP的,基于技术,也使该解决方案财产约束4 5

此视频文章将介绍两种方法,减少光学操纵活细胞所需的辐射强度,还描述了定向控制方法。第一种方法是使用一个随机的黄金纳米粒子(金纳米粒子)阵列,如图1所示样品基板电浆镊子。金纳米粒子阵列转换成本地化的表面等离子体(LSP),包括谐振偶极矩的事件光子辐射和产生的细胞液中的一个大梯度与图案的辐射场。表面等离子体增强诱捕Righini等和我们自己的造型的初步工作表明电浆基板所产生的领域,减少所需的初始强度,提高梯度场的粒子陷阱。6,7,8电浆方法允许罚款由于更高效的光能量转换成机械能和依赖偶极子辐射场的低光信号强度的椭球颗粒与细胞的定向控制。这些领域都显示在图2和图4和5中详细诱捕强度低。电浆镊子的主要问题是,LSP的产生大量的热量和诱捕只有二维。这种热产生对流流动和热泳可以强大到足以驱逐从陷阱的亚微米颗粒。9,10,我们将介绍第二种方法是利用周期性的电介质纳米结构非常有效地散射入射光成衍射模式,如图6所示11,理想的情况下,人会做出这种结构,电介质材料与电浆镊子,以避免相同的加热遇到的问题,但我们的做法镀铝光栅是作为一维周期介质纳米结构。虽然它不是一个半导体,它没有显著暖气经验和有效被困诱捕强度低的小颗粒,如图7所示。对准光栅基板的粒子概念验证的命题,一个2 - D光子晶体可以允许非球面微米大小的粒子的精确旋转10这些光学陷阱的效率增加,由于在纳米结构制作的增强的领域。本文。

Protocol

1。随机的Au纳米粒子阵列的制备 8,10,12,14

  1. 首先创建一个模板,是一个随机吸附乳胶球,平均直径454纳米的致密层形成的Au纳米粒子阵列。这是通过首先蒸发20铬纳米粘附层的厚度玻璃盖玻片黄金。
  2. 聚苯乙烯球暴露镀金基板的混合物,然后自组装单层是1 - 乙基-3 - (3 - dimethylaminopropyl)碳二亚胺盐酸盐(EDC),乳胶球体悬浮液和去离子水。
  3. 吸附过程是可以持续约一小时,非吸收的领域是用大量清水冲洗带走。
  4. 形成单层允许空气干燥。
  5. 最后,20纳米的黄金蒸发乳胶球单层形成随机的黄金纳米粒子阵列。
  6. 如果SEM是可用的,可以看到金纳米粒子阵列,根据教育统筹局局长,看起来像图1的流程图如图8所示。

2。生物样品制备9,11

  1. 现在显示样品准备,为光学诱捕鼠标细胞核。
  2. 吖啶橙染料标记3T3老鼠细胞的细胞核,得到的弗雷德哈钦森癌症研究中心的Tewari组。
  3. 10%的牛血清白蛋白(BSA)的磷酸盐缓冲液(PBS)被添加到小鼠细胞细胞核中的浓度约1:10(BSA:鼠标细胞核)。 BSA有助于防止粘基材的原子核。
  4. 使用超声混合的解决方案。
  5. 5 UL是我们的解决方案上沉积的铝光栅阵列盖玻片。这是更好地执行这一步显微镜舞台上的铝光栅,使你不必运输样品后的解决办法是存入。
  6. 两个堆栈的两个1“1”盖玻片用于支持通过查看该样本第五盖玻片。
  7. 样品放置在显微镜下观看。

3。诱捕方法

  1. 通过发送通过蔡司Axio上Imager.D1M的一个35兆瓦的氦氖激光与GFP的修改,以允许为633纳米的激光辐射到达样本的17个过滤器设置配备光学镊子的构造。
  2. 蔡司LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50X的目标是用形象是直径约5微米的细胞核。
  3. 后样品是根据客观的,重点的黄金纳米粒子阵列或光栅显微镜。
  4. 直到实现你的愿望陷阱原子核的重点是垂直翻译显微镜。
  5. 激光对粒子和粒子陷阱当场位置应保持其在激光光斑的位置,甚至当舞台翻译。

4。代表性的成果:

随机的黄金纳米粒子阵列的程序应存款,可在一个扫描电镜看类似于图1的金纳米粒子的单层。这些电浆镊子创建的捕获力可以由标准的光镊产生的力量的10-20倍。电浆镊子所需的最低强度,实现粒子约束为不同大小的颗粒在图4所示。9,10光栅实现20倍更高的捕集效率的路线和诱捕比黄金纳米点,并可以实现诱捕少17 UW / UM 2(7)11。

图1
图1 10(一)自组装金纳米粒子形貌的扫描电镜。个别的黄金纳米粒子的直径约450纳米。 (二)纳米粒子的分布稀疏的电浆基板的NSOM的形象,显示了近场辐射。激发激光的波长为633纳米。 (C)(b)中红色正方形的面积高倍镜视野。 (四)电浆基板的散射频谱效率,在624纳米的高峰期。 (E)的吸收效率的电浆基板频谱,显示在668纳米的高峰。

图2
图2 13(一)金微球随机分布在2D域1 × 1 微米 2。每个蓝点代表(A = 60 nm)的纳米微球的中心。观察平面平行随机纳米球阵列的散射场分布在(b) - (E)。由平面波的波长为540 nm的纳米球阵列均匀照明。周围介质的折射率为1.33。 “波拉rization方向沿X轴(横(一))平面波点。事件电场的幅度是假设在计算1。观察平面和纳米球阵列之间的分离是定义为H. B)H =一个C)H = 2A。 D)H =λ。 E)H =2λ。

图3
图3 9定制的荧光显微镜的配置,包括一个绕过激发滤光片和取代分色光束分离器的原理图。这是同时诱捕和荧光成像使用的配置。

图4
图4 10最小的激光强度,保持利用电浆诱捕周围流体的流动速度的函数的陷阱。所有的光信号强度测量样品在显微镜下的目标平面。 (一) - (F)显示为单一的聚苯乙烯微球的直径为7.3,6.3(非球面),5.0,3.9,2.5和1.1微米的测量结果分别。插图显示了相应的颗粒显微图像。所有图像比例尺代表长度在5微米。

图5
图5 10通过拟合线图来源的斜率。 4与粒径电浆诱捕。误差线显示线性拟合的标准偏差。拟合直线的斜率(光的强度阈值和流量之间的比例)图。 4颗粒大小约如本图所示的线性关系,表明优势,尤其是更小的粒子的电浆诱捕。

图6
图6月11日 (一)增强光学诱捕利用一维周期性纳米结构的示意图。入射光是由周期性纳米结构在远场的衍射。 (二)与两个正交极化纳米结构在远场光强度分布。 (二)使用的FDTD模拟得到一个417纳米的铝光栅表面的两个正交偏振的光强度分布。分布在平坦的铝表面强度归。 (c)项和(d)为(c)在350 nm的聚苯乙烯珠和(d)在1微米的聚苯乙烯珠颗粒直接光栅表面对粒子的位置以上的套印潜力。白色圆圈说明粒子的大小。插图显示了相同的粒子的大小作为比较平坦的铝表面以上的诱捕潜力。每个粒子的大小值正常化。对于所有FDTD模拟数字视场为10 × 8微米2。

图7
图7月11日 (一)陷阱效率和最小捕获强度与偏振垂直于光栅线各种大小的聚苯乙烯珠测量。陷阱插图不对称捕集效率转换为一个3.87微米的聚苯乙烯珠垂直与平行光栅规则。实线(大不对称)获得与入射光偏振垂直的光栅,虚线(小不对称)与入射光的偏振平行光栅获得。单位为(PN [MW /微米2] -1)。 (二) - (四)有荧光590 nm的聚苯乙烯珠补漏示范。红色圆圈表示的激光光斑的位置,激光灯太暗可见。起初粒子被困在现场,在更高的功率,电源降低克服阱力的粒子的布朗运动,让粒子逃脱。 (E) - (G)的一个荧光卵巢癌的细胞核补漏示范。启动诱捕所需的最低强度16μW/ 2微米获得使用20X物镜。

图8
图8月14日的帽形的黄金纳米粒子的制备过程:蒸发的Cr和非盟的玻璃盖玻片上薄薄的一层)。 B)暴露1小时领域的聚苯乙烯球悬挂和吸附。 C)拆除非吸附聚苯乙烯球和表面干燥。 D)模板领域上的另一个金层的蒸发。 E)示意图帽状纳米金阵列,其中坳只涵盖模板球顶偏。

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Discussion

诱捕这些方法的意义是,他们10μW/ 2微米的顺序 10 3 /μW的2微米到某处为了减少光的强度从某处持续诱捕所必需的。 10,11对这些技术的局限性黄金纳米粒子阵列经验暖气,必须克服的问题。为了克服这个问题,一个是电介质材料组成的二维光子晶体结构可以使用。这种结构在理论上可以产生在低光的强度和控制诱捕微型和纳米粒子在精确地控制输入偏振的旋转和位置。在图6和7的光栅结果表明这是一维情况下的真实。下一步将创建一个二维的光子晶体,并证明光子晶体镊子阵列,这将有助于许多生物研究中的应用。

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Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

我们还要感谢小玉苗和Ben威尔逊发展的最内所述的方法。这项工作是由国家科学基金会(DBI 0454324)和国家卫生研究所(R21 EB005183)和ECK NIGMS小灵通NRSA的T32 GM07270。

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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