Gebruik van plasmonische en fotonisch kristal nanostructuren voor Enhanced micro-en nanodeeltjes Manipulatie

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

Plasmonische pincet en fotonische kristal nanostructuren worden getoond om nuttige verbeteringen te produceren in de efficiëntie en de oriëntatie controle van optisch trapping micro-en nano-deeltjes.

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

Een methode om de positie en oriëntatie van submicron deeltjes te manipuleren niet-destructief zou een ongelooflijk nuttig instrument voor fundamenteel biologisch onderzoek. Misschien wel de meest gebruikte fysieke kracht om niet-invasieve manipulatie van kleine deeltjes te bereiken is dielectrophoresis (DEP). 1 echter DEP op eigen mist de veelzijdigheid en precisie die gewenst zijn voor het manipuleren van cellen, omdat het traditioneel gedaan met stationaire elektroden. Optisch pincet, die een driedimensionaal elektromagnetisch veld gradiënt om de krachten op de kleine deeltjes uit te oefenen te gebruiken, deze gewenste veelzijdigheid en precisie te bereiken. Maar twee, een belangrijk nadeel van deze aanpak is de hoge stralingsintensiteit nodig is om de nodige kracht te bereiken een deeltje val die kan schade aan biologische monsters 3 Een oplossing die het mogelijk maakt vangen en te sorteren met een lagere optische intensiteit zijn opto-elektronische pincet (OET) maar OET's hebben beperkingen met fijne manipulatie van kleine deeltjes,.. dat DEP-gebaseerde technologie stelt ook beperkingen op het terrein van de oplossing 4 , 5

Deze video artikel zal beschrijven twee methoden die de intensiteit van de straling die nodig zijn voor optische manipulatie van levende cellen te verminderen en ook een beschrijving van een methode voor oriëntatie controle. De eerste methode is plasmonische pincet, die een willekeurig gouden nanodeeltjes (AUNP) array te gebruiken als een substraat voor het monster zoals aangegeven in figuur 1. De AUNP serie zet de invallende fotonen in gelokaliseerde oppervlakteplasmonen (LSP), die bestaan ​​uit resonerende dipool momenten die uitstralen en het genereren van een patroon stralingsveld met een grote gradiënt in de cel oplossing. Eerste werkzaamheden op het oppervlak van plasmon verbeterd trapping door Righini et al. en onze eigen modellen hebben aangetoond dat de velden opgewekt door de plasmonische substraat de initiële intensiteit te verminderen door het verbeteren van de gradiënt veld dat de vallen het deeltje. 6,7,8 De plasmonische aanpak maakt voor fijn oriëntatie controle van ellipsoïdale deeltjes en cellen met een lage optische intensiteit als gevolg van efficiëntere optische energie omgezet in mechanische energie en een dipool-afhankelijke stralingsveld. Deze velden zijn weergegeven in figuur 2 en de lage vangen intensiteiten worden beschreven in de figuren 4 en 5. De belangrijkste problemen met plasmonische pincet zijn dat de LSP is een aanzienlijke hoeveelheid warmte te genereren en de vangst is slechts twee dimensionaal. Deze warmte genereert convectieve stromen en thermophoresis die kunnen worden krachtig genoeg om submicron deeltjes uit de val te verdrijven. 9,10 De tweede aanpak die we beschrijven is een periodieke diëlektrische nanostructuren gebruik te verstrooien invallend licht zeer efficiënt in het diffractie-modi, zoals aangegeven in figuur 6 . 11 Idealiter zou een te maken deze structuur uit van een diëlektrisch materiaal om dezelfde warmte problemen met de plasmonische pincet te vermijden, maar in onze aanpak een aluminium gecoate diffractierooster wordt gebruikt als een eendimensionale periodieke diëlektrische nanostructuur. Hoewel het niet een halfgeleider, heeft zij niet ervaren significant verwarming en effectief gevangen kleine deeltjes met een lage intensiteit vangen, zoals weergegeven in figuur 7. Afstemming van de deeltjes met het substraat rooster valideert conceptueel de stelling dat een 2-D fotonisch kristal zou kunnen precieze rotatie van niet-sferische micron deeltjes mogelijk te maken. 10 De efficiëntie van deze optische vallen zijn toegenomen als gevolg van de verhoogde velden geproduceerd door de nanostructuren zoals beschreven in dit papier.

Protocol

1. Random Au Nanodeeltje Array Fabrication 8,10,12,14

  1. De Au nanodeeltjes array wordt gevormd door eerst het creëren van een sjabloon die is gemaakt van een dichte laag van willekeurig geadsorbeerd latex bolletjes met een gemiddelde diameter van 454 nm. Dit wordt bereikt door eerst verdampen goud op een glazen dekglaasje tot een dikte van 20 nm met behulp van chroom als de hechting laag.
  2. De polystyreen bol monolaag is dan zelf-geassembleerde door het blootstellen van de goud gecoate substraat aan een mengsel van 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC), latex bol schorsing en gedeïoniseerd water.
  3. De adsorptie proces mag duren ongeveer een uur en de niet-geabsorbeerde bolletjes worden weggespoeld met een ruime hoeveelheid water.
  4. De gevormde monolaag wordt toegestaan ​​aan de lucht drogen.
  5. Tot slot wordt nog eens 20 nm van goud verdampt op de latex bol monolaag om de willekeurige gouden nanodeeltjes array te vormen.
  6. Als een SEM beschikbaar is, kan de AUNP serie te zien onder de SEM te zien als in figuur 1 en een diagram van het proces is weergegeven in figuur 8.

2. Biologische Monstervoorbereiding 9,11

  1. Monstervoorbereiding voor optisch vangen van muizen celkernen wordt nu getoond.
  2. 3T3 muis celkernen getagd met acridine oranje kleurstof werden verkregen uit de Tewari groep op het Fred Hutchinson Cancer Research Center.
  3. 10% Bovine Serum Albumine (BSA) in fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) wordt toegevoegd om de muis te celkernen in een concentratie van ongeveer 1: 10 (BSA: Mouse celkernen). De BSA helpt om de kernen te voorkomen dat vasthouden aan de ondergrond.
  4. Meng de oplossing met behulp van ultrasoonapparaat.
  5. 5 uL van onze oplossing is afgezet op de aluminium rooster reeks dekglaasje aan. Het is beter om het uitvoeren van deze stap met de aluminium rooster op de microscoop het podium, zodat u niet hoeft te het monster vervoer na de oplossing is afgezet.
  6. Twee stapels van twee een "door een" dekglaasjes worden gebruikt om een ​​vijfde dekglaasje waardoor het monster wordt bekeken ondersteuning.
  7. Plaats het monster onder de microscoop te bekijken.

3. Methode voor het vangen

  1. De optische pincet worden opgebouwd door het sturen van een 35 mW helium-neon laser door middel van een Zeiss Axio Imager.D1M uitgerust met een GFP 17 filter set, die is gewijzigd om 633 nm laserstraling om het monster te bereiken.
  2. Een Zeiss LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x objectief wordt gebruikt om het imago van de celkernen die ongeveer 5 micron in diameter.
  3. Nadat het monster is geplaatst onder de doelstelling, de focus van de microscoop op de gouden nanodeeltjes array of diffractierooster.
  4. Verticaal vertalen microscoop totdat de scherpstelling is bereikt op de kernen die je wenst te vangen.
  5. Positie laser val plek op deeltje en het deeltje moet dan haar positie in de laserspot, zelfs wanneer het podium wordt vertaald.

4. Representatieve resultaten:

De willekeurige gouden nanodeeltjes reeks procedures moeten deponeren een monolaag van AUNP's die kunnen worden bekeken onder een SEM te zien als in figuur 1. De vangst kracht die door deze plasmonische pincet kan worden 10-20 keer de kracht die door standaard optische pincet. De minimum intensiteiten vereist door de plasmonische pincet om deeltjes opsluiting te bereiken, zijn getoond voor deeltjes van verschillende grootte in figuur 4. 9,10 De diffractierooster bereikte afstemming en de vangst met 20 keer hoger vangen rendement dan het goud nanodots en kon bereiken vangen met zo weinig zo 17 uW / um 2 (figuur 7). 11

Figuur 1
Figuur 1 10 (a) SEM microfoto van de zelf-geassembleerde gouden nanodeeltjes. De diameter van de individuele gouden nanodeeltjes is ongeveer 450 nm. (B) NSOM beeld van de plasmonische substraat waar de nanodeeltjes distributie is schaars, toont het near-field straling. De golflengte van de laser excitatie is 633 nm. (C) Hoge vergroting uitzicht op het gebied gemarkeerd met het rode plein in (b). (D) Verstrooiing efficiëntie spectrum van de plasmonische substraat, met de piek bij 624 nm. (E) absorptie-efficiëntie spectrum van de plasmonische substraat, met de piek bij 668 nm.

Figuur 2
Figuur 2 13 (a) Au nanosferen willekeurig verdeeld over een 2D-domein 1 x 1 micrometer 2. Elke blauwe stip vertegenwoordigt het midden van de NanoSphere (a = 60 nm). Verstrooiing veldverdelingen op observatie vlakken die parallel zijn aan de willekeurige NanoSphere array zijn getoond in (b) - (e). De NanoSphere array wordt gelijkmatig verlicht door een vlakke golf bij de golflengte van 540 nm. De brekingsindex van het omringende medium is 1,33. De polarization de richting van de vlakke golf punten langs de X-as (horizontaal in (a)). De omvang van het incident elektrisch veld wordt uitgegaan van een in de berekening. De scheiding tussen de observatie vliegtuig en de NanoSphere array is gedefinieerd als h. b) h = een. c) h = 2 bis. d) h = λ. e) h = 2λ.

Figuur 3
Figuur 3 Schematische voorstelling van 9 op maat gemaakte fluorescentie microscoop configuratie inclusief een gepasseerd excitatie-filter en een vervangen dichroïde beam-splitter. Dit is de configuratie voor een gelijktijdige vangen en fluorescentie beeldvorming.

Figuur 4
Figuur 4 10 De minimale laser intensiteit om de val als een functie van de stroomsnelheid van het omringende vloeistof gebruik te maken van plasmonische trapping te houden. Alle optische intensiteiten worden gewaardeerd tegen het monster vlak onder de microscoop doelstelling. (A) - (f) tonen de meetresultaten voor enkele polystyreen bolletjes met een diameter van 7.3, 6.3 (niet-sferische), 5,0, 3,9, 2,5 en 1,1 micrometer, respectievelijk. De inzetstukken geven de overeenkomstige microscopische beelden van deeltjes. De schaal bars in alle beelden vertegenwoordigen 5 micrometer in lengte.

Figuur 5
Figuur 5 10 De helling van de gemonteerde lijn door de oorsprong in Fig. 4 versus de deeltjesgrootte voor plasmonische vangen. De fout balken geven de standaarddeviaties van de lineaire past. De helling van de gemonteerde lijn (verhouding tussen de optische intensiteit drempel en debiet) in Fig. 4 heeft een ongeveer lineair verband met een deeltjesgrootte zoals in deze figuur, met vermelding van het voordeel van plasmonische vangen met name voor kleinere deeltjes.

Figuur 6
Figuur 6 11 (a) Schematische tekening van de verbeterde optische trapping gebruik te maken van 1-D periodieke nanostructuren. De invallende bundel wordt afgebogen door de periodieke nanostructuur op verre veld. (B) De intensiteit verdeling van het licht met twee orthogonale polarisaties nanostructuur op verre veld. (B) De intensiteit verdeling van het licht met twee orthogonale polarisaties aan het oppervlak van een aluminium rooster met een 417 nm periode verkregen met behulp van FDTD simulaties. De distributie is genormaliseerd op de intensiteit op een vlakke aluminium oppervlak. (C) en (d) Trapping potentieel voor deeltjes direct boven het rooster oppervlak ten opzichte van de locatie van het deeltje voor (c) een 350 nm polystyreen kraal en (d) een 1 micrometer polystyreen kraal. De witte cirkels illustreren de grootte van de deeltjes. Inzetstukken geven de trapping potentieel boven een vlakke aluminium oppervlak voor dezelfde deeltjesgrootte als vergelijkingen. De waarden zijn genormaliseerd voor elke deeltjesgrootte. Voor alle FDTD simulatie cijfers op het gebied van uitzicht is 10 x 8 pm 2.

Figuur 7
Figuur 7 11 (a) Trap efficiëntie en minimale vangen de intensiteit gemeten voor polystyreen bolletjes van verschillende grootte met een straal polarisatie loodrecht op raspen lijnen. Inzet toont val asymmetrie bij het vangen van efficiency voor het vertalen van een 3,87 um polystyreen kraal loodrecht en parallel aan de regels van het rooster. De doorgetrokken lijn (grote asymmetrie) wordt verkregen met invallend licht gepolariseerd loodrecht op het rooster, en het dashboard lijn (kleine asymmetrie) wordt verkregen met invallend licht gepolariseerd parallel aan het rooster. De eenheid is in (pN [mW / um 2] -1). (B) - (d) Trapping demonstratie van een TL-590 nm polystyreen kraal. De rode cirkel geeft de positie van de laser plek als het laserlicht was te zwak om gezien te worden. In eerste instantie het deeltje is gevangen in de plek bij een hogere macht, als de stroom wordt verlaagd de Brownse beweging van het deeltje overwint de vangst van kracht, waardoor het deeltje te ontsnappen. (E) - (g) Trapping demonstratie van een fluorescerende eierstokkanker celkern. De minimaal vereiste lichtsterkte te vangen in te leiden werd 16 μW / um 2 verkregen met behulp van een 20x objectief.

Figuur 8
Figuur 8 14 Fabrication procedure van de cap-vormige gouden nanodeeltjes: a) Verdamping van het Cr en Au dunne laag op het glas dekglaasje aan. b) Blootstelling aan de polystyreen sfeer schorsing en adsorptie van de bollen gedurende 1 uur. c) verwijdering van niet-geadsorbeerde polystyreen bolletjes en het drogen van het oppervlak. d) Verdamping van een andere laag van Au op de top van de sjabloon sferen. e) Schema van de cap-vormige Au nanodeeltje array, waarbij Au uitsluitend betrekking op de bovenkant van de sjabloon sferen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De betekenis van deze methoden van vangen is dat ze de optische intensiteit die nodig zijn voor een duurzame vangen van ergens daling in de orde van 10 3 μW / um 2 tot ergens in de orde van 10 μW / um 2. 10,11 De beperkingen van deze technieken zijn dat de gouden nanodeeltjes reeks verwarming kwesties die moeten worden overwonnen ervaringen. Om dit probleem, kan een 2D fotonisch kristal structuur die is samengesteld uit een diëlektrisch materiaal worden gebruikt. Een dergelijke structuur zou theoretisch produceren trapping bij lage optische intensiteit en controle micro-en nano-deeltjes rotatie en positie op een nauwkeurige wijze door het beheersen van de input polarisatie. Het rooster resultaten in de figuren 6 en 7 tonen om waar te zijn voor de 1D geval. De volgende stap zou zijn om een ​​2D fotonisch kristal te maken en een fotonisch kristal pincet array die zou vergemakkelijken veel biologisch onderzoek toepassingen aan te tonen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

Acknowledgments

Wij zouden ook graag Xiaoyu Miao en Ben Wilson bedanken voor de ontwikkeling van de meeste van de beschreven methoden binnen. Dit werk werd gefinancierd door National Science Foundation (DBI 0.454.324) en het National Institute of Health (R21 EB005183) en door PHS NRSA T32 GM07270 van NIGMS naar 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