ניצול של ננו גבישים פוטוניים Plasmonic ו מניפולציה מיקרו ו Nanoparticle משופרת
Summary
פינצטה Plasmonic ננו גבישים פוטוניים מוצגים לייצר שיפורים שימושיים בשליטה היעילות ואת האוריינטציה של אופטית השמנה מיקרו ו ננו חלקיקים.
Abstract
שיטה לתפעל את המיקום ואת הכיוון של חלקיקים submicron nondestructively יהיה כלי שימושי מאוד עבור מחקר ביולוגי בסיסי. אולי כוח פיזי הנפוצה ביותר להשיג מניפולציה לא פולשנית של חלקיקים קטנים כבר dielectrophoresis (DEP). 1 עם זאת, DEP בכוחות עצמה חסרה את צדדיות ודיוק כי הם הרצויה כאשר מניפולציה בתאי מאז זה נעשה באופן מסורתי עם אלקטרודות נייח. פינצטה אופטית, אשר מנצלים תלת מימדי שדה אלקטרומגנטי שיפוע מפעילים כוחות על חלקיקים קטנים, להשיג זאת צדדיות הרצוי דיוק. 2 עם זאת, החיסרון העיקרי של גישה זו היא עוצמת קרינה גבוהה הנדרש כדי להשיג את הכוח הדרוש כדי ללכוד חלקיק אשר עלולה לגרום נזק דגימות ביולוגיות 3 פתרון המאפשר לכידה ומיון עם עוצמות אופטיות נמוכות יותר אופטו פינצטה (OET) אבל זה OET יש מגבלות עם מניפולציה קנס של חלקיקים קטנים,.. להיות DEP מבוססי טכנולוגיה גם מכניס אילוץ על הנכס של הפתרון 4 , 5
מאמר זה יתאר וידאו שתי שיטות להקטין את עוצמת הקרינה הדרושה מניפולציה אופטית של תאים חיים וכן לתאר שיטה מלאה אוריינטציה. השיטה הראשונה היא פינצטה plasmonic אשר משתמשות זהב אקראי nanoparticle (AuNP) מערך כמו מצע למדגם כפי שמוצג באיור 1. מערך AuNP הופכת את הפוטון לתוך האירוע plasmons משטח מקומי (LSP) אשר מורכב של רגעים דיפול התהודה כי להקרין וליצור שדה קרינה בדוגמת עם שיפוע גדול פתרון התא. עבודה ראשונית על השמנה plasmon משטח משופרת על ידי Righini ואח' דוגמנות שלנו הראו את השדות שנוצר על ידי המצע plasmonic להפחית את עוצמת הראשונית הנדרשת על ידי שיפור בתחום שיפוע כי מלכודות החלקיקים. 6,7,8 הגישה plasmonic מאפשר קנס התמצאות מלאה של חלקיקי תאים אליפסואידי עם עוצמות אופטי נמוך בשל המרת אנרגיה יעיל יותר אופטיים לאנרגיה מכנית שדה דיפול תלויי קרינה. שדות אלה מוצגים בתרשים 2 ואת עוצמות השמנה נמוך מפורטים נתוני 4 ו -5. הבעיות העיקריות עם פינצטה plasmonic הן כי LSP של לייצר כמות ניכרת של חום השמנה היא רק שני מימדי. חום זה יוצר זרמי הסעה ו thermophoresis אשר יכול להיות חזק מספיק כדי לגרש חלקיקים submicron מהמלכודת. 9,10 הגישה השנייה כי נתאר הוא ניצול ננו דיאלקטרי תקופתית לאור התקרית לפזר ביעילות רבה לתוך מצבי עקיפה, כפי שמוצג באיור 6 . 11 אידיאלי, אפשר היה להפוך את המבנה מתוך חומר דיאלקטרי, כדי למנוע את בעיות החימום באותו מנוסה עם פינצטה plasmonic אבל הגישה שלנו אלומיניום מצופה סריג עקיפה משמש nanostructure חד ממדיות דיאלקטרי תקופתיות. למרות זאת הוא לא מוליכים למחצה, זה לא ניסיון חימום משמעותי ביעילות לכודים חלקיקים קטנים עם השמנה בעוצמות נמוכות, כפי שמוצג באיור 7. המערך של חלקיקים עם המצע צורמת מושגית מאמת את ההנחה כי גביש 2-D פוטוניים עלולה לאפשר סיבוב מדויק של אי – כדורית חלקיקים בגודל מיקרון. 10 יעילות של אלה מלכודות אופטיות הם מוגברת בשל שדות משופר המיוצר על ידי ננו המתואר זה נייר.
Protocol
Discussion
המשמעות של שיטות אלה של השמנה היא שהם להפחית את עוצמת אופטי הכרחי השמנה מתמשכת ממקום בסדר גודל של 10 3 μW / 2 מיקרומטר למקום על סדר μW 10 / 2 מיקרומטר. 10,11 המגבלות על טכניקות אלו הם כי מערך nanoparticle זהב חוויות בעיות חימום שיש להתגבר עליו. כדי להתגבר על בע?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנחנו רוצים גם להודות Xiaoyu מיאו ובן וילסון לפיתוח רוב השיטות המתוארות מבפנים. עבודה זו מומנה על ידי הקרן הלאומית למדע (DBI 0454324) לבין המכון הלאומי לבריאות (R21 EB005183) ועל ידי PHS NRSA T32 GM07270 מ NIGMS אל אק.
Materials
| Material Name | Type | Company | Catalog Number | Comment |
| Axio Imager Microscope | D1M | Zeiss | D1M | Zeiss Axio Imager.D1M |
| Microscope Objective | 50x/0.55 | Zeiss | LD EC Epiplan – NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC | |
| Zeiss Microscope Camera | AxioCam MRc | Zeiss | ||
| Helium Neon Laser | 35 mW | Research Electro-Optics | ||
| Variable Attenuator | Continuously Variable ND | ThorLabs | NDC-100C-4M | For adjusting microscope intensity |
| Zeiss Filter Set | Filter Set #17 | Zeiss | 488017-9901-000 | Filter Set #17 |
| Microscope Slides | 0.5 mm thickness | VWR | ||
| 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 Optics | |||
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Dulbecco’s Phosphate-Buffered Saline (D-PBS) (1X) | Invitrogen | 14190-144 | |
References
- Jones, T. B. . Electromechanics of Particles. , (1995).
- Ashkin, A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 4853-4853 (1997).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape. Nature Physics. 3, 477-480 (2007).
- 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).
- Wilson, B. K. . Manipulation of Nanoparticles and Biological Samples through Enhanced Optical Forces [dissertation]. , (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Miao, X. . Plasmonics for Micro/Nano Manipulation and Optofluidics [dissertation]. , (2008).
