Gelişmiş mikro ve Nanopartikül Manipülasyon Plasmonic ve Fotonik Kristal Nanoyapıların Kullanımı

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

Plasmonic cımbız ve fotonik kristal nanoyapıların optik yakalama mikro ve nano-parçacıklar verimlilik ve yönlendirme kontrolü yararlı geliştirmeler üretmek için gösterilmiştir.

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

Mikronaltı parçacıkların konumunu ve yönünü işlemek için bir yöntem nondestructively temel biyolojik araştırmalar için son derece yararlı bir araç olacaktır. Belki küçük parçacıklar noninvaziv manipülasyon elde etmek için en yaygın kullanılan fiziksel kuvvet (DEP) dielectrophoresis olmuştur. 1 Bununla birlikte, kendi DEP, çok yönlü ve hassas hücreleri manipüle geleneksel sabit elektrotlar ile yapılır bu yana istenilen yoksun. Küçük parçacıklar kuvvet uygulamak için üç boyutlu elektromanyetik alan degrade kullanan Optik cımbız, bu çok yönlü ve hassas elde 2 Ancak, bu yaklaşımın önemli bir dezavantajı, bir parçacık yakalamak için gerekli gücü elde etmek için gerekli olan yüksek radyasyon yoğunluğu biyolojik örnekler zarar verebilir 3 yakalama ve sıralama düşük optik yoğunluk sağlayan bir çözüm optoelektronik cımbız (OET) ama OET küçük parçacıklarının ince manipülasyon ile sınırlamaları vardır;. DEP-tabanlı teknoloji aynı zamanda çözümün mülkiyet üzerinde kısıtlama koyar 4 , 5

Bu video makalede, canlı hücreler optik manipülasyonu için gerekli radyasyon yoğunluğunu azaltmak ve aynı zamanda yönlendirme kontrolü için bir yöntem tarif iki yöntem anlatacağım. İlk yöntem, Şekil 1'de gösterildiği gibi, rastgele bir altın nanoparçacık (AuNP) dizi örnek için bir substrat olarak kullanan plasmonic cımbız. AuNP dizi bu rezonans dipol momentleri oluşan lokalize yüzey plazmonları (LSP) olay fotonlar yayar ve hücre çözümü büyük bir degrade desenli radyasyon alan oluşturmak dönüştürür. İlk iş Righini ark ve kendi modelleme yüzey plazmon gelişmiş yakalama tuzakları parçacık 6,7,8 plasmonic yaklaşım ince sağlar plasmonic substrat tarafından üretilen alanlar degrade alanını arttırarak gerekli olan ilk yoğunluğunu azaltmak göstermiştir çünkü, mekanik enerji ve dipol-bağımlı bir radyasyon alanı içine daha verimli optik enerji dönüşüm düşük optik yoğunluk elips parçacıklar ve hücrelerin yönlendirme kontrolü. Bu alanlar, Şekil 2'de gösterildiği ve düşük yakalama şiddetleri 4 ve 5 rakamları ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Plasmonic cımbız ile ana sorunların LSP hatırı sayılır bir miktarda ısı üretmek olduğunu ve yakalama sadece iki boyutlu. Bu ısı, tuzak Mikronaltı parçacıkları çıkarmak için yeterli güçlü olabilir konvektif akar ve thermophoresis üretir. 9,10 anlatacağım ikinci yaklaşım, kırınım modları Şekil 6'da gösterildiği gibi çok verimli bir şekilde dağılım ışık periyodik dielektrik nanoyapıların kullanmaktadır 11 İdeal olarak, bir plasmonic cımbız ile yaşanan aynı ısıtma sorunlardan kaçınmak için bir yalıtkan malzemenin bu yapı yapmak istiyorsunuz ama bizim yaklaşımımız bir alüminyum kaplı bir kırınım ızgarası, tek boyutlu periyodik dielektrik nano olarak kullanılır. Bir yarı iletken olmamasına rağmen, önemli bir ısıtma deneyim ve Şekil 7'de gösterildiği gibi düşük yakalama şiddetleri ile küçük parçacıklar, etkin sıkışıp vermedi. Izgara substratı olan parçacıkların uyum, kavramsal bir 2-B fotonik kristal olmayan küresel mikron boyutlu parçacıklar kesin dönüş olanak verebilecek önermeyi doğrular bu optik tuzakları 10 verimlilikleri nedeniyle açıklanan nanoyapıların tarafından üretilen gelişmiş alanları artar Bu kağıt.

Protocol

1. Rastgele Au Nanopartikül Dizi Fabrikasyon 8,10,12,14

  1. Au nanoparçacık dizi, ilk önce yoğun bir tabaka ortalama çapı 454 nm ile rastgele adsorbe lateks küre yapılır bir şablon oluşturarak oluşur. Bu yapışma tabakası olarak krom kullanarak 20 nm kalınlığında bir cam lamel ilk buharlaşan altın tarafından sağlanır.
  2. Polistren alanında tek tabaka daha sonra bir karışım altın kaplamalı substrat teşhir ederek kendini monte 1-etil-3-(3-Gaz sistemlerinde) carbodiimide hidroklorür (EDC), lateks alanında süspansiyon ve de-iyonize su.
  3. Adsorpsiyon süreci yaklaşık bir saat sürecek izin verilir ve absorbe olmayan küreler uzak bir bol miktarda su ile yıkanır.
  4. Oluşan tek tabaka kuru hava verilir.
  5. Son olarak, altın bir 20 nm lateks alanında tek tabakalı rasgele altın nanoparçacık dizi oluşturacak şekilde buharlaştırılır.
  6. Bir SEM varsa, AuNP dizi Şekil 1 ve sürecin bir diyagram Şekil 8'de gösterildiği gibi bakmak SEM altında görülebilir.

2. Biyolojik Örnek hazırlanması 9,11

  1. Optik yakalama fare hücre çekirdekleri için örnek hazırlama gösterilmiştir.
  2. Fred Hutchinson Kanser Araştırma Merkezi'nde Tewari grup Akridin Orange boya ile etiketlenmiş 3T3 fare hücre çekirdekleri elde edildi.
  3. (BSA: 10: Fare Hücre Çekirdekler)% 10 Serum Albumin (BSA), fosfat tamponlu salin (PBS) Sığır, yaklaşık 1 bir konsantrasyon fare hücre çekirdekleri eklenir. BSA çekirdekleri yüzeye yapışmasını önlemeye yardımcı olur.
  4. Sonication kullanarak çözüm karıştırın.
  5. Bizim çözüm 5 uL alüminyum ızgara dizi lamel üzerine yatırılır. Çözüm yatırılır sonra örnek taşımak zorunda değilsiniz böylece mikroskop sahnede alüminyum ızgara ile bu adımı gerçekleştirmek için daha iyidir.
  6. Lamelleri "1" iki 1 iki yığınlarının örnek görülüyor beşinci lamel desteklemek için kullanılır.
  7. Görüntülemek için örnek mikroskop altında yerleştirin.

3. Yakalama için Yöntemi

  1. Optik cımbız, 633 nm lazer radyasyonu örnek ulaşmak için izin değiştirilmiş bir GFP 17 filtre seti ile donatılmış bir Zeiss Axio Imager.D1M ile 35 mW helyum neon lazer göndererek inşa edilmiştir.
  2. Zeiss LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x objektif çapı yaklaşık 5 mikron hücre çekirdekleri görüntü için kullanılır.
  3. Örnek hedefi altında yerleştirildikten sonra, mikroskop altın nanoparçacık dizi veya kırınım ızgarası üzerinde odaklanır.
  4. Odak noktası yakalamak isteyen çekirdekleri elde edilene kadar dikey mikroskop Çevir.
  5. Parçacık ve parçacık üzerine yerleştirin lazer tuzağı spot sonra sahne çevrilmiş olsa bile lazer nokta konumunu korumak gerekir.

4. Temsilcisi Sonuçlar:

Rastgele altın nanoparçacık dizi prosedürleri Şekil 1 gibi bakmak için bir SEM altında görülebilir AuNP Kullanıcı bir tek tabaka yatırmanız gerekmektedir. Bu plasmonic cımbız tarafından oluşturulan yakalama gücü standart optik cımbız tarafından üretilen kuvvet 10-20 kez olabilir. Plasmonic cımbız parçacık hapsi ulaşmak için gerekli asgari şiddetleri Şekil 4'te çeşitli boyutlarda parçacıklar gösterilmiştir. 9,10 kırınım ızgarası, altın nanodots oranla 20 kat daha yüksek yakalama verimliliği yakalama ve uyum sağlamıştır ve küçük olarak yakalama elde edebiliriz 17 uW / um 2 (Şekil 7). 11

Şekil 1
Şekil 1 10 (a) SEM kendi kendine monte altın nanoparçacıkların. Bireysel altın nanoparçacıkların çapı yaklaşık 450 nm. (B) yakın alan radyasyon gösteren nanoparçacık dağılımı seyrek plasmonic substrat NSOM görüntü,. Ikaz lazer dalga boyu 633 nm. (C), (b) kırmızı kare ile işaretlenmiş alan Yüksek büyütme. (D) 624 nm'de pik gösteren plasmonic substrat Saçılma verimliliği spektrumu. 668 nm'de pik gösteren plasmonic substrat (e) Absorbsiyon verimliliği spektrumu.

Şekil 2
Şekil 2 13 (a) Au nanokürecikler rastgele bir 2B alanı 1 x 1 mikron 2 dağıtılmıştır. Her mavi nokta Nanokürecikli merkezi (a = 60 nm) temsil eder. Rasgele Nanokürecikli dizi paralel gözlem uçakları saçılma alan dağıtımları, (b) 'de gösterilmiştir (e). Nanokürecikli dizi düzgün, 540 nm dalga boyunda bir uçak dalga tarafından aydınlatılır . Çevreleyen ortamın kırılma indisi 1.33. PolaX-ekseni boyunca ((a) yatay) düzlem dalga puan rization yönü. Olay elektrik alanının büyüklüğü hesaplamada 1 olduğu varsayılır. : Gözlem uçağı ve Nanokürecikli dizi arasındaki ayrımı h. olarak tanımlanan b) h = a. c) h = 2a. d) h = λ. e) h = 2λ.

Şekil 3
Şekil 3 9 şematik bir bypass eksitasyon filtresi ve yerini dikroik bir kiriş-ayırıcı dahil olmak üzere özel floresan mikroskop yapılandırma. Bu eş zamanlı yakalama ve floresan görüntüleme için kullanılan yapılandırma.

Şekil 4
Şekil 4 10 çevreleyen plasmonic yakalama kullanan sıvı akış hızı bir fonksiyonu olarak tuzak korumak için en az lazer yoğunluğu. Tüm optik yoğunlukları, mikroskop amacı altında örnek düzlemde ölçülür. (A) - (f), sırasıyla tek polistren boncuk çapı 7.3, 6.3 (küresel), 5.0, 3.9, 2.5 ve 1.1 mikron ile ölçüm sonuçlarını gösterir. Parçalar, parçacıkların ilgili mikroskobik görüntüleri göstermektedir. Tüm görüntüleri ölçekli barlar, 5 mm uzunluğu temsil eder.

Şekil 5
Şekil 5 10 Şekil kökeni ile donatılmış hattının eğimi. 4 plasmonic yakalama partikül boyutu karşısında. Hata çubukları doğrusal uyan standart sapmalar göstermektedir. Şekil monte hattının eğimi (optik yoğunluğu eşik ve akış hızını arasındaki oran). 4, özellikle daha küçük parçacıkların plasmonic yakalama avantajı gösteren, bu şekilde gösterildiği gibi bir parçacık boyutu ile yaklaşık doğrusal bir ilişki vardır.

Şekil 6
Şekil 1-D periyodik nanoyapıların kullanan gelişmiş optik yakalama 6 11 (a) şematik çizim. Olay ışını uzak alan periyodik nano Kırınan. (B) uzak alan iki dik kutuplaşmalar nano ile ışık yoğunluğu dağılımı. (B) FDTD simülasyonları kullanarak elde edilen 417 nm süre ile bir alüminyum ızgara yüzeyi az iki dik polarizasyon, ışık yoğunluğu dağılımı. Dağıtım düz bir alüminyum yüzey yoğunluğuna normalize. (C) ve (d), (c) 350 nm polistren boncuk ve boncuk (d) 1 mikron polistiren doğrudan parçacığın ızgara yüzeyi karşı konumunu yukarıda parçacıklar Yakalama potansiyeli. Beyaz daireler parçacıkların boyutlarını göstermektedir. Parçalar için, düz bir alüminyum yüzey üzerinde karşılaştırmalar aynı parçacık boyutu yakalama potansiyeli gösteriyor. Değerler her bir parçacık boyutu için normalize edilirler. Tüm FDTD simülasyon rakamlar için görüş alanı 10 x 8 mikron 2.

Şekil 7
Şekil 7. 11 (a) Tuzak verim ve minimum yakalama yoğunluğu ışın polarizasyon dikey ızgara hatları ile çeşitli boyutlarda polistiren boncuklar ölçülen. Ankastre gösterir tuzak ızgaranın kurallara 3.87 um polistren boncuk dik ve paralel çeviri için yakalama verimlilik asimetri. Izgara ışık polarize dik düz bir çizgi (büyük asimetri) elde edilir, ve çizgi çizgi (küçük asimetri), ızgara ışık polarize paralel elde edilir. Ünitesi (pN [mW / mikron 2] -1). (B) - (d) floresan 590 nm polistren boncuk Yakalama gösteri. Kırmızı bir daire görülebilir lazer ışığı çok loş olduğu gibi, lazer nokta konumunu gösterir. İlk başta güç parçacık yakalama gücü üstesinden Brown hareketi indirilir parçacık parçacık kaçmak için izin veren, yüksek güç spot içinde sıkışmış. (E) - (g) Yakalama gösteri floresan yumurtalık kanseri hücre çekirdeğinde. Yakalama başlatmak için gerekli olan minimum yoğunluğu 16 μW / 20x objektif lens kullanılarak elde mikron 2 oldu.

Şekil 8
Şekil a) cam lamel Cr ve Au ince bir tabaka Buharlaşma: kap-biçimli altın nanoparçacıkların 8 14 İmalat prosedürü. b) 1 saat küre polistren alanında süspansiyon ve adsorpsiyon maruz kalma. c)-adsorbe olmayan polistiren küreler ve yüzeyin kuruması kaldırılması. d) Au şablon küre üstüne başka bir katman Buharlaşma. e) Au sadece şablon kürelerin üst yan kapaklar şeklinde kap-Au nanoparçacık dizi şematik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu yakalama yöntemlerinin önemi, 10 3 μW / mikron 2 yerde 10 μW / mikron 2 sırasını sipariş üzerine bir yerden sürekli yakalama için gerekli olan optik yoğunluğunu azaltmak için bu tekniklerin 10,11 sınırlamalar altın nanoparçacık dizi, aşılması gereken ısıtma konular deneyimleri vardır. Bu sorunu aşmak için, bir yalıtkan malzemeden oluşan bir 2D fotonik kristal yapısı kullanılabilir. Böyle bir yapı teorik olarak düşük optik yoğunluğu ve kontrol yakalama üretebilir mikro ve nano-parçacıklar dönüş ve giriş polarizasyon kontrol ederek hassas bir şekilde pozisyon. 6 ve 7 rakamları ızgara sonuçları bu 1D durum için gerçek olamayacak kadar göstermektedir. Bir sonraki adım, 2D bir fotonik kristal oluşturmak ve birçok biyolojik araştırma uygulamaları kolaylaştıracak bir fotonik kristal cımbız dizi göstermek olacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Çıkar çatışması ilan etti.

Acknowledgments

Ayrıca Xiaoyu Miao ve Ben Wilson içinde açıklanan yöntemlerden en iyi şekilde geliştirmek için teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı (DBI 0.454.324) ve Ulusal Sağlık Enstitüsü (R21 EB005183) ve KSK için NIGMS PHS NRSA T32 GM07270 tarafından finanse edildi.

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