Plasmonic और Photonic क्रिस्टल nanostructures की बढ़ी माइक्रो Nanoparticle और हेरफेर के लिए उपयोगिता

Bioengineering

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Summary

Plasmonic चिमटी और photonic क्रिस्टल nanostructures के ऑप्टिकली माइक्रो और नैनो कणों को फँसाने की दक्षता और ओरिएंटेशन नियंत्रण में उपयोगी संवर्द्धन का उत्पादन करने के लिए दिखाए जाते हैं.

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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

Protocol

1. रैंडम Au Nanoparticle ऐरे 8,10,12,14 निर्माण

  1. Au nanoparticle सरणी पहले एक टेम्पलेट है कि 454 एनएम का मतलब व्यास के साथ बेतरतीब ढंग से adsorbed लाटेकस क्षेत्रों के एक घने परत से बना है बनाने के द्वारा बनाई है. यह 20 आसंजन परत के रूप में क्रोमियम का उपयोग एनएम के एक मोटाई के लिए एक गिलास coverslip पर पहली evaporating सोने के द्वारा हासिल की है.
  2. polystyrene क्षेत्र monolayer तो स्वयं का एक मिश्रण के लिए सोने - लेपित सब्सट्रेट उजागर द्वारा इकट्ठे 1-एथिल-3 (3 dimethylaminopropyl) carbodiimide हाइड्रोक्लोराइड (EDC), लेटेक्स क्षेत्र निलंबन और de-ionized पानी.
  3. सोखना प्रक्रिया के बारे में एक घंटे के लिए पिछले करने की अनुमति है और गैर अवशोषित क्षेत्रों दूर पानी का एक प्रचुर मात्रा के साथ धोया जाता है.
  4. गठन monolayer शुष्क हवा की अनुमति दी है.
  5. अंत में, सोने की एक और 20 एनएम लाटेकस क्षेत्र monolayer पर सुखाया जाता है यादृच्छिक सोने nanoparticle सरणी के रूप में.
  6. यदि एक SEM उपलब्ध है, AuNP सरणी SEM के अंतर्गत देखा जा सकता है चित्रा 1 और प्रक्रिया का एक चित्र आंकड़ा 8 में दिखाया गया है की तरह लग रहे.

2. जैविक नमूना तैयार 9,11

  1. ऑप्टिकली फँसाने माउस सेल नाभिक के लिए नमूना तैयार अब पता चला है.
  2. 3T3 माउस सेल नाभिक acridine ऑरेंज डाई के साथ टैग फ्रेड हचिंसन कैंसर रिसर्च सेंटर में तिवारी समूह से प्राप्त किया गया.
  3. 10 (BSA:: माउस सेल नाभिक) 10% गोजातीय सीरम albumin (BSA) फॉस्फेट में खारा (पीबीएस) बफर लगभग 1 के एक एकाग्रता में माउस सेल नाभिक के लिए जोड़ा जाता है. BSA सब्सट्रेट करने के लिए चिपके से नाभिक को रोकने में मदद करता है.
  4. Sonication का उपयोग कर समाधान मिक्स.
  5. हमारे समाधान के 5 उल एल्यूमीनियम झंझरी सरणी coverslip पर जमा है. यह बेहतर है खुर्दबीन मंच पर एल्यूमीनियम झंझरी के साथ इस कदम का प्रदर्शन इतना है कि आप नमूना परिवहन नहीं है के बाद समाधान जमा है.
  6. 1 दो के दो coverslips "1 द्वारा" के ढेर के माध्यम से जो नमूना देखा जा सकता है एक पांचवें coverslip का समर्थन करने के लिए उपयोग किया जाता है.
  7. खुर्दबीन के नीचे नमूना देखने के लिए स्थिति.

3. फँसाने के लिए विधि

  1. ऑप्टिकल चिमटी Zeiss Axio Imager.D1M के माध्यम से एक 35 मेगावाट हीलियम नीयन लेजर GFP 17 फिल्टर सेट है जो करने के लिए अनुमति के लिए 633 एनएम लेजर विकिरण नमूना तक पहुँचने के लिए संशोधित किया गया है के साथ सुसज्जित भेजकर निर्माण कर रहे हैं.
  2. एक Zeiss LD चुनाव आयोग Epiplan - NEOFLUAR 50x उद्देश्य सेल नाभिक जो व्यास में लगभग 5 माइक्रोन हैं छवि के लिए प्रयोग किया जाता है.
  3. बाद नमूना उद्देश्य के तहत रखा गया है, सोने nanoparticle सरणी या विवर्तन झंझरी पर खुर्दबीन ध्यान केंद्रित.
  4. खुर्दबीन खड़ी अनुवाद जब तक नाभिक जो आपको जाल की इच्छा पर ध्यान केंद्रित हासिल की है.
  5. स्थिति लेजर जाल जगह और कण कण पर तब जब भी मंच अनुवादित है लेजर हाजिर में अपनी स्थिति बनाए रखने चाहिए.

4. प्रतिनिधि परिणाम:

यादृच्छिक सोने nanoparticle सरणी प्रक्रियाओं AuNP की एक monolayer है कि एक SEM के तहत देखा जा सकता है चित्रा 1 की तरह लग जमा चाहिए. फँसाने इन plasmonic चिमटी द्वारा बनाई गई बल 10-20 बार बल मानक ऑप्टिकल चिमटी द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है. न्यूनतम plasmonic चिमटी द्वारा अपेक्षित के कण कारावास प्राप्त करने तीव्रता चित्रा 4 में विभिन्न आकार के कणों के लिए दिखाए जाते हैं. 9,10 विवर्तन झंझरी 20 बार और उच्च फँसाने दक्षता के साथ सोने की nanodots से संरेखण और फँसाने हासिल की है और थोड़ा के रूप में साथ फँसाने हासिल सकता है UW 17 / 2 उम (चित्रा 7) 11.

चित्रा 1
चित्रा 1 10 (एक) आत्म इकट्ठे सोने के नैनोकणों के SEM माइक्रोग्राफ. व्यक्तिगत सोने के नैनोकणों के व्यास के बारे में 450 एनएम है. (ख) के NSOM छवि plasmonic सब्सट्रेट जहां nanoparticle वितरण विरल है, के पास मैदान विकिरण दिखा. उत्तेजना लेजर की तरंग दैर्ध्य 633 एनएम है. (ग) (ख) में लाल चौक के साथ चिह्नित क्षेत्र के उच्च बढ़ाई दृश्य. Plasmonic सब्सट्रेट छितराया (घ) स्पेक्ट्रम दक्षता, 624 एनएम चोटी दिखा. Plasmonic सब्सट्रेट के अवशोषण (ङ) स्पेक्ट्रम दक्षता, 668 एनएम चोटी दिखा.

चित्रा 2
2 13 चित्र () Au nanospheres बेतरतीब ढंग से एक 2d एक डोमेन पर वितरित एक्स 1 2 सुक्ष्ममापी. प्रत्येक नीले डॉट nanosphere (= 60 एनएम) के केंद्र का प्रतिनिधित्व करते हैं. अवलोकन विमानों जो यादृच्छिक nanosphere सरणी के लिए समानांतर हैं पर छितराया क्षेत्र वितरण (ख) में दिखाए जाते हैं - (ङ). nanosphere सरणी समान 540 एनएम के तरंग दैर्ध्य में एक विमान लहर द्वारा प्रकाशित है. मध्यम आसपास के अपवर्तक सूचकांक 1.33 है. PolaX-अक्ष ((क) में क्षैतिज) के साथ विमान लहर अंक की rization दिशा. घटना बिजली क्षेत्र के परिमाण गणना में 1 माना जाता है. अवलोकन विमान और nanosphere सरणी के बीच अलगाव एच. के रूप में परिभाषित किया गया है ख) ज = एक. ग) ज = 2a. घ) ज = λ. ई) ज = 2λ.

चित्रा 3
चित्रा 3 अनुकूलित प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी एक नजरअंदाज उत्तेजना फिल्टर और एक जगह बीम फाड़नेवाला dichroic सहित विन्यास की 9 योजनाबद्ध. यह विन्यास युगपत फँसाने और प्रतिदीप्ति इमेजिंग के लिए प्रयोग किया जाता है.

चित्रा 4
चित्रा 4 10 plasmonic फँसाने का उपयोग द्रव आसपास के प्रवाह की दर के एक समारोह के रूप में जाल बनाए रखने के लिए न्यूनतम लेजर तीव्रता. सभी तीव्रता ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप उद्देश्य के तहत नमूना विमान पर मापा जाता है. (क) - (च) व्यास 7.3, 6.3 (गैर गोलाकार), 5.0, 3.9, 2.5 और 1.1 सुक्ष्ममापी के साथ क्रमशः एकल polystyrene मनकों के लिए माप परिणाम दिखाने के लिए,. insets कणों की इसी सूक्ष्म चित्र दिखा. सभी छवियों में बड़े पैमाने सलाखों लंबाई में 5 सुक्ष्ममापी प्रतिनिधित्व करते हैं.

चित्रा 5
चित्रा 5 10 चित्र में मूल के माध्यम से फिट लाइन की ढलान. Plasmonic फँसाने के लिए कण आकार की तुलना में 4. त्रुटि सलाखों रेखीय फिट बैठता है की मानक विचलन दिखा. की छवि में फिट लाइन ढलान (ऑप्टिकल तीव्रता दहलीज और प्रवाह की दर के बीच का अनुपात). 4 कण आकार के साथ लगभग एक रैखिक संबंध के रूप में इस आंकड़े में दिखाया गया है, विशेष रूप से छोटे कणों के लिए plasmonic फँसाने का लाभ का संकेत है.

चित्रा 6
चित्रा 6 11 (क) बढ़ाया ऑप्टिकल फँसाने 1-D आवधिक nanostructures के उपयोग की योजनाबद्ध ड्राइंग. घटना किरण दूर मैदान में आवधिक nanostructure द्वारा diffracted है. (ख) प्रकाश की अभी तक क्षेत्र में दो orthogonal polarizations nanostructure के साथ तीव्रता वितरण. (ख) तीव्रता प्रकाश की एक 417 एनएम FDTD सिमुलेशन का उपयोग करने के लिए प्राप्त की अवधि के साथ एक एल्यूमीनियम झंझरी की सतह पर दो orthogonal polarizations के साथ वितरण. एक फ्लैट एल्यूमीनियम की सतह पर तीव्रता वितरण सामान्यीकृत है. (ग) और (घ) (ग) एक 350 एनएम polystyrene मनका और (घ) एक 1 सुक्ष्ममापी मनका polystyrene के लिए झंझरी बनाम कण की सतह स्थान के ऊपर सीधे कणों के लिए फँसाने क्षमता. सफेद हलकों कणों के आकार का वर्णन. Insets तुलना के रूप में एक ही कण आकार के लिए एक फ्लैट एल्यूमीनियम की सतह से ऊपर फँसाने क्षमता दिखाते हैं. मान प्रत्येक कण आकार के लिए सामान्यीकृत कर रहे हैं. सभी FDTD अनुकार के आंकड़े देखने के क्षेत्र का 10 x 8 2 सुक्ष्ममापी है.

7 चित्रा
7 चित्रा 11 () जाल दक्षता और न्यूनतम फँसाने तीव्रता बीम ध्रुवीकरण झंझरी लाइनों सीधा करने के लिए के साथ विभिन्न आकारों की polystyrene मोती के लिए मापा. इनसेट से पता चलता है जाल झंझरी के नियमों 3.87 उम polystyrene मनका सीधा और समानांतर अनुवाद के लिए फँसाने दक्षता में विषमता है. ठोस लाइन बड़ी विषमता घटना प्रकाश झंझरी polarized सीधा के साथ प्राप्त की है, और पानी का छींटा लाइन (छोटे विषमता) घटना प्रकाश झंझरी polarized समानांतर के साथ प्राप्त की है. इकाई (PN [मेगावाट / 2 सुक्ष्ममापी] -1) में है . (ख) - (घ) एक फ्लोरोसेंट 590 एनएम polystyrene मनका के फँसाने प्रदर्शन. लाल वृत्त लेजर हाजिर की स्थिति है के रूप में लेसर प्रकाश भी देखा जा मंद था इंगित करता है. पहले कण हाजिर भीतर उच्च शक्ति में फंस गया है, के रूप में सत्ता के कण फँसाने बल पर काबू ब्राउनियन गति कम है, कण से बचने के लिए अनुमति देता है. (ङ) - (छ) एक फ्लोरोसेंट डिम्बग्रंथि के कैंसर के सेल नाभिक के फँसाने प्रदर्शन. फँसाने आरंभ करने के लिए आवश्यक न्यूनतम तीव्रता μW 16 / 2 सुक्ष्ममापी प्राप्त एक 20x उद्देश्य लेंस का उपयोग किया गया था.

8 चित्रा
चित्रा) सीआर और Au कांच coverslip पर पतली परत के वाष्पीकरण: 8 14 टोपी के आकार का सोना नैनोकणों के निर्माण की प्रक्रिया . ख) polystyrene क्षेत्र और 1 घंटे के लिए क्षेत्रों के निलंबन सोखना करने के लिए एक्सपोजर. ग) गैर adsorbed polystyrene क्षेत्रों और सतह के सूखने की निकालना. टेम्पलेट क्षेत्रों के शीर्ष पर Au के एक और परत के वाष्पीकरण). ई) टोपी के आकार Au nanoparticle सरणी, जहां Au केवल टेम्पलेट क्षेत्रों के ऊपर की ओर कवर के योजनाबद्ध.

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Discussion

फँसाने के इन तरीकों का महत्व यह है कि वे 10 μW / 2 सुक्ष्ममापी के आदेश पर 10 3 μW / 2 सुक्ष्ममापी कहीं के आदेश पर ऑप्टिकल कहीं से निरंतर फँसाने के लिए आवश्यक तीव्रता में कमी 10,11 इन तकनीकों पर सीमाओं. रहे हैं कि सोने nanoparticle सरणी हीटिंग मुद्दों है कि दूर किया जाना चाहिए अनुभव. इस मुद्दे पर काबू पाने के लिए, एक 2 डी photonic क्रिस्टल संरचना है कि एक ढांकता हुआ सामग्री का बना है इस्तेमाल किया जा सकता है. इस तरह की एक संरचना सैद्धांतिक रूप से कम ऑप्टिकल तीव्रता और नियंत्रण में फँसाने का उत्पादन कर सकता है माइक्रो और नैनो कणों रोटेशन और इनपुट ध्रुवीकरण को नियंत्रित करने के द्वारा एक सटीक ढंग से की स्थिति में है. आंकड़े 6 और 7 में झंझरी परिणाम यह 1D मामले के लिए सच हो सकता है दिखाने के लिए. अगले कदम के लिए एक 2d photonic क्रिस्टल बनाने के लिए और एक photonic क्रिस्टल चिमटी सरणी है कि कई जैविक अनुसंधान अनुप्रयोगों सुविधा होगी प्रदर्शित होगा.

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Disclosures

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

Acknowledgments

हम भी Xiaoyu Miao और बेन विल्सन में वर्णित विधियों की सबसे अधिक विकसित करने के लिए धन्यवाद देना चाहूंगा. यह काम राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (0,454,324 DBI) और राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (EB005183 R21) द्वारा और Eck के लिए NIGMS से T32 एनआरएसए GM07270 PHS द्वारा वित्त पोषित किया गया था.

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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