Utilización de nanoestructuras fotónicas de cristal plasmónicos y para la manipulación mejorada de Micro y nanopartículas

Bioengineering

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Summary

Pinzas y plasmónica nanoestructuras fotónicas de cristal se muestran para producir mejoras útiles en el control de la eficiencia y la orientación de la óptica de captura de micro-y nano partículas.

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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

Un método para manipular la posición y orientación de las partículas submicrónicas no destructiva sería una herramienta muy útil para la investigación biológica básica. Tal vez la fuerza más utilizado física para lograr la manipulación de pequeñas partículas no invasiva ha sido dielectroforesis (DEP). 1 Sin embargo, el DEP por sí solo carece de la versatilidad y precisión que se desee en la manipulación de las células, ya que se hace tradicionalmente con electrodos estacionarios. Las pinzas ópticas, que utilizan un gradiente de tres dimensiones del campo electromagnético que ejercen fuerzas sobre las partículas pequeñas, lograr esta versatilidad y precisión deseada. 2 Sin embargo, una desventaja importante de este enfoque es la intensidad de radiación de alta necesarias para lograr la fuerza necesaria para atrapar una partícula que puede dañar las muestras biológicas 3 Una solución que permite la captura y clasificación de menores intensidades ópticas son optoelectrónicos pinzas (OET), pero OET tienen limitaciones con la manipulación fina de partículas pequeñas;.. siendo DEP basado en la tecnología también pone restricciones en la propiedad de la solución 4 , 5

En este artículo se describen dos de vídeo métodos que disminuyen la intensidad de la radiación necesaria para la manipulación óptica de las células vivas, y también describe un método para controlar la orientación. El primer método es usar unas pinzas plasmónica que una nanopartícula de oro al azar (AUNP), matriz como un sustrato para la muestra, como se muestra en la Figura 1. La matriz AUNP convierte los fotones incidentes en plasmones de superficie localizados (LSP) que consisten en momentos de dipolo resonante que irradian y generan un campo de radiación con dibujos con un gradiente importante en la solución de células. El trabajo inicial de plasmones de superficie atrapando mejorada por Righini y otros, y nuestro modelo propio han demostrado los campos generados por el sustrato plasmónica reducir la intensidad inicial requerido por el aumento de la gradiente de campo, que atrapa las partículas. 6,7,8 El enfoque plasmónica permite fina orientación de control de partículas elipsoidales y las células con baja intensidad óptica debido a una conversión más eficiente de la energía óptica en energía mecánica y un campo de radiación del dipolo-dependiente. Estos campos se muestran en la figura 2 y la intensidad de captura baja se detallan en las figuras 4 y 5. Los principales problemas con las pinzas plasmónica es que la LSP es generar una considerable cantidad de calor y de la captura es de sólo dos dimensiones. Este calor genera corrientes de convección y thermophoresis que puede ser lo suficientemente potente como para expulsar partículas submicrónicas de la trampa de 9,10. El segundo método que vamos a describir es la utilización de nanoestructuras periódicas dieléctrico para dispersar la luz incidente de manera muy eficiente en los modos de difracción, como se muestra en la figura 6 11. Lo ideal sería que esta estructura de un material dieléctrico para evitar los problemas de calefacción misma experiencia con la plasmónica pinzas, pero en nuestro enfoque de aluminio recubierto de rejilla de difracción se utiliza como dieléctrico una nanoestructura unidimensional periódica. Aunque no es un semiconductor, no ha sufrido un calentamiento significativo y eficaz atrapadas pequeñas partículas con una intensidad baja captura, como se muestra en la figura 7. Alineación de las partículas con el sustrato conceptual rejilla valida la proposición de que un cristal fotónico en 2-D podría permitir la rotación precisa de partículas no esféricas micras de tamaño. 10 La eficiencia de estas trampas ópticas se incrementan debido a los campos de mayor producción de las nanoestructuras se describe en el este trabajo.

Protocol

1. Nanopartículas de Au matriz aleatoria Fabricación 8,10,12,14

  1. La matriz de nanopartículas de Au se forma en primer lugar, la creación de una plantilla que se hace de una densa capa de azar adsorbido esferas de látex con diámetro medio de 454 nm. Esto se logra primera medalla de oro se evapora en un cubreobjetos de vidrio con un espesor de 20 nm con cromo en forma de la capa de adherencia.
  2. La monocapa esfera de poliestireno es entonces auto-ensambladas mediante la exposición del sustrato recubierto de oro a una mezcla de 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) clorhidrato carbodiimida (EDC), la suspensión de látex esfera y el agua de-ionizada.
  3. El proceso de adsorción se le permite una duración de aproximadamente una hora y las esferas no absorbido se lavan con agua abundante.
  4. La monocapa se forma deja secar al aire.
  5. Por último, otra de 20 nm de oro se evapora en la monocapa esfera de látex para formar la matriz de nanopartículas de oro al azar.
  6. Si el SEM está disponible, la matriz AUNP se puede ver en la SEM para parecerse a la Figura 1 y un diagrama del proceso se muestra en la figura 8.

2. Preparación de la muestra biológica 9,11

  1. Preparación de muestras para los núcleos celulares de ratón óptico de captura se muestra ahora.
  2. Núcleos de células de ratón 3T3 etiquetados con tinte naranja de acridina se obtuvieron a partir del grupo Tewari en el Fred Hutchinson Cancer Research Center.
  3. 10% de albúmina de suero bovino (BSA) en tampón fosfato salino (PBS) se añade a los núcleos de células de ratón en una concentración de aproximadamente 1: 10 (BSA: Los núcleos celulares de ratón). La BSA ayuda a evitar que los núcleos se adhieran al sustrato.
  4. Mezclar la solución con ultrasonidos.
  5. 5 uL de nuestra solución se deposita sobre el cubreobjetos de aluminio amplia rejilla. Es mejor realizar este paso con la rejilla de aluminio de la platina del microscopio de modo que usted no tiene que transportar la muestra después de que la solución se deposita.
  6. Dos pilas de dos 1 "por 1" cubreobjetos son utilizados para apoyar un cubreobjetos quinto a través del cual se considera la muestra.
  7. Coloque la muestra bajo el microscopio para verlas.

3. Método de captura

  1. Las pinzas ópticas son construidos mediante el envío de 35 mW láser de neón helio a través de un Imager.D1M Zeiss Axio equipado con un conjunto de buenas prácticas agrarias 17 de filtro que se ha modificado para permitir que la radiación láser 633 nm para llegar a la muestra.
  2. A Zeiss LD CE Epiplan - Neofluar objetivo 50x se utiliza para la imagen del núcleo de las células que se encuentran a 5 micras de diámetro.
  3. Después de la muestra se coloca en el objetivo, enfocar el microscopio en la matriz de las nanopartículas de oro o de rejilla de difracción.
  4. Traducir microscopio vertical hasta que se logre el enfoque en los núcleos que el deseo de atrapar.
  5. Láser de posición al contado trampa más de las partículas y las partículas del entonces debe mantener su posición en el punto del láser, aun cuando el escenario se traduce.

4. Los resultados representativos:

El oro al azar procedimientos serie de nanopartículas debe depositar una monocapa de AUNP es que se pueden ver en un SEM para parecerse a la Figura 1. La fuerza de captura creados por estas pinzas plasmónica puede ser 10-20 veces la fuerza generada por la norma pinzas ópticas. Las intensidades mínimas requeridas por las pinzas plasmónica para lograr el confinamiento de partículas se muestran para partículas de diferentes tamaños en la Figura 4. 9,10 La red de difracción lograr la alineación y la captura de 20 veces mayor eficiencia de captura de la nanopuntos de oro y podían atrapar con tan poco de 17 uW / um 2 (Figura 7). 11

Figura 1
Figura 1 10 (a) Micrografía SEM de las nanopartículas de oro auto-ensambladas. El diámetro de las nanopartículas de oro individual es de unos 450 nm. (B) NSOM imagen del sustrato plasmónica donde la distribución de las nanopartículas es escasa, mostrando que la radiación de campo cercano. La longitud de onda del láser de excitación es de 633 nm. (C) punto de vista de gran aumento del área marcada con el cuadrado rojo en (b). (D) eficiencia del espectro de dispersión del sustrato plasmónica, que muestra el pico a 624 nm. (E) eficiencia del espectro de absorción del sustrato plasmónica, que muestra el pico a 668 nm.

Figura 2
Figura 2 13 (a) Au nanoesferas distribuidos al azar en un dominio 2D 1 x 1 m 2. Cada punto azul representa el centro de la nanoesfera (a = 60 nm). Dispersión de las distribuciones de campo en los aviones de observación, que son paralelas a la matriz nanoesfera al azar se muestran en (b) - (e). La matriz nanoesfera es uniformemente iluminada por una onda plana en la longitud de onda de 540 nm. El índice de refracción del medio circundante es de 1,33. La Polarización dirección de los puntos de la onda plana a lo largo del eje X (horizontal en (a)). La magnitud del campo eléctrico incidente se supone que es uno en el cálculo. La separación entre el plano de la observación y la matriz se define como nanoesfera h. b) h = a. c) h = 2a. d) h = λ. e) h = 2λ.

Figura 3
Figura 3 9 Esquema de configuración personalizada microscopio de fluorescencia incluyendo un filtro de excitación por alto y una dicroica reemplazado viga-divisor. Esta es la configuración que se utilizan para la captura simultánea de imágenes de fluorescencia.

Figura 4
Figura 4 10 La intensidad del láser mínimo para mantener la trampa en función de la velocidad de flujo de fluido alrededor de la utilización de trampas plasmónica. Todas las intensidades ópticas se miden en el plano de la muestra bajo el objetivo del microscopio. (A) - (f) muestran los resultados de la medición de bolas de poliestireno con un diámetro de solo 7,3, 6,3 (no esférica), 5.0, 3.9, 2.5 y 1.1 micras, respectivamente. El recuadro muestra las imágenes correspondientes microscópica de las partículas. Las barras de escala en todas las imágenes representan el 5 micras de longitud.

Figura 5
Figura 5 10 La pendiente de la línea de ajuste a través de origen en la figura. 4 frente al tamaño de las partículas para la captura de plasmónica. Las barras de error muestran la desviación estándar del ajuste lineal. La pendiente de la línea de ajuste (relación entre el umbral de intensidad y velocidad de flujo óptico) en la figura. 4 tiene una relación aproximadamente lineal con el tamaño de las partículas, como se muestra en esta figura, lo que indica la ventaja de atrapar plasmónica especialmente para las partículas más pequeñas.

Figura 6
Figura 6 11 (a) Esquema de la captura de una mayor utilización de ópticas de nanoestructuras periódicas 1-D. El haz incidente es difractada por la nanoestructura periódicas en campo lejano. (B) La intensidad de la distribución de la luz con dos polarizaciones ortogonales nanoestructura en campo lejano. (B) La distribución de la intensidad de la luz con dos polarizaciones ortogonales a la superficie de una rejilla de aluminio con un período de 417 nm obtenidos mediante simulaciones FDTD. La distribución está normalizada a la intensidad en una superficie plana de aluminio. (C) y (d) el potencial de captura de partículas directamente sobre la superficie de la rejilla frente a la ubicación de la partícula de (c) a 350 nm de poliestireno de cuentas y (d) de poliestireno 1 micra de cuentas. Los círculos blancos muestran el tamaño de las partículas. El recuadro muestra el potencial de captura sobre una superficie plana de aluminio del tamaño de partícula igual que las comparaciones. Los valores están normalizados para cada tamaño de partícula. Para todas las figuras de simulación FDTD el campo de visión es de 10 x 8 m 2.

Figura 7
Figura 7 11 (a) la eficiencia de la trampa y la intensidad de captura mínima medida de poliestireno de varios tamaños con la polarización del haz perpendicular a las líneas de rejilla. El recuadro muestra la trampa de la asimetría en la eficiencia de captura para la traducción de una perpendicular 3,87 um bolas de poliestireno y en paralelo a las reglas de la rejilla. La línea continua (gran asimetría) se obtiene con la luz polarizada incidente perpendicular a la reja, y la línea de guión (pequeña asimetría) se obtiene con la luz polarizada incidente paralelo a la reja. La unidad está en (pN [mW / m 2] -1). (B) - (d) la demostración de captura de un fluorescente de 590 nm de poliestireno de cuentas. El círculo rojo indica la posición del punto del láser como la luz del láser era demasiado débil para ser visto. Al principio, la partícula se encuentra atrapado en el lugar con mayor potencia, como el poder se reduce el movimiento browniano de las partículas supera la fuerza de trampas, lo que permite que la partícula escape. (E) - (g) la demostración de captura de un núcleo de la célula ovárica fluorescentes cáncer. La intensidad mínima necesaria para iniciar la captura de los 16 W / m 2 obtenido usando una lente de objetivo de 20x.

Figura 8
Figura 8 14 procedimiento de fabricación de las nanopartículas de oro en forma de límites máximos: a evaporación) de la capa de Cr y Au fina en el cubreobjetos. b) La exposición a la suspensión esfera de poliestireno y la adsorción de las esferas durante 1 hora. c) La eliminación de las esferas de poliestireno no adsorbida y el secado de la superficie. d) La evaporación de una capa de Au en la parte superior de las esferas de la plantilla. e) Esquema de la matriz de las nanopartículas en forma de tapa de Au, Au, donde sólo cubre la parte superior de las esferas de la plantilla.

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Discussion

La importancia de estos métodos de trampeo es que disminuyen la intensidad óptica necesarias para la captura sostenida desde algún lugar en el orden de 10 3 W / m 2 y en algún lugar del orden de 10 W / m 2. 10,11 Las limitaciones de estas técnicas es que la matriz de nanopartículas de oro experimenta problemas de calefacción que se deben superar. Para superar este problema, una estructura de cristal fotónico 2D que se compone de un material dieléctrico se puede utilizar. Este tipo de estructura podría teóricamente producir la captura en bajas intensidades ópticas y control de micro-y nano-partículas de la rotación y la posición de una manera precisa mediante el control de la polarización de entrada. Los resultados de roce en las figuras 6 y 7 muestran que esto es cierto para el caso 1D. El siguiente paso sería la creación de un cristal fotónico 2D y demostrar un cristal fotónico serie pinzas que facilitaría muchas aplicaciones de la investigación biológica.

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Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgments

También nos gustaría agradecer a Xiaoyu Miao y Ben Wilson para el desarrollo de la mayoría de los métodos descritos en su interior. Este trabajo fue financiado por la National Science Foundation (DBI 0454324) y el Instituto Nacional de Salud (R21 EB005183) y PHS NRSA T32 GM07270 de NIGMS de 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

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References

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