L'utilizzo di nanostrutture di cristallo plasmoniche e fotonici per Enhanced manipolazione micro e nanoparticelle

Summary

Pinzette plasmoniche e nanostrutture a cristalli fotonici sono mostrati utili per produrre miglioramenti nel controllo efficienza e l'orientamento ottico cattura micro-e nano-particelle.

Abstract

Un metodo per manipolare la posizione e l'orientamento delle particelle inferiori al micron non distruttivo sarebbe uno strumento incredibilmente utile per la ricerca biologica di base. Forse la forza più utilizzato per raggiungere la manipolazione fisica non invasiva di piccole particelle è stato dielettroforesi (DEP). ¹ Tuttavia, DEP da sola non ha la versatilità e la precisione che si desidera quando manipolare le cellule in quanto è tradizionalmente fatto con elettrodi fissi. Pinzette ottiche, che utilizzano un tridimensionale gradiente di campo elettromagnetico a esercitano delle forze sulle piccole particelle, ottenere questa versatilità e precisione desiderata. ² Tuttavia, un grave inconveniente di questo approccio è l'intensità della radiazione di alta richiesti per raggiungere la forza necessaria per intrappolare una particella che possono danneggiare i campioni biologici ³ Una soluzione che permette di cattura e di smistamento con minore intensità ottici sono optoelettronici pinzette (OET) ma OET hanno limitazioni con la manipolazione multa di piccole particelle;.. essere DEP tecnologia basata mette anche vincolo sulla proprietà della soluzione ^{4 , 5}

Questo articolo video descrivono due metodi che diminuire l'intensità della radiazione necessaria per manipolazione ottica di cellule viventi e anche descrivere un metodo per il controllo di orientamento. Il primo metodo è pinzette plasmoniche che utilizzano un casuale nanoparticelle d'oro (AuNP) array come substrato per il campione, come mostrato nella Figura 1. L'array AuNP converte i fotoni incidenti in plasmoni di superficie localizzata (LSP) che consistono in risonanza momenti di dipolo che irradia e generare un campo di radiazione fantasia con un gradiente di grandi dimensioni nella soluzione delle cellule. Il lavoro iniziale sulla cattura plasmonica di superficie maggiore di Righini et al modeling e la nostra stessa hanno mostrato i campi generati dal substrato plasmoniche ridurre l'intensità iniziale necessario, migliorando il gradiente di campo che intrappola le particelle. ^6,7,8 L'approccio plasmoniche permette di multa controllo l'orientamento delle particelle ellissoidali e cellule con una bassa intensità ottico a causa di una conversione più efficiente l'energia ottica in energia meccanica e un dipolo dipendente dal campo di radiazione. Questi campi sono mostrati in figura 2 e la cattura a bassa intensità sono dettagliati nelle figure 4 e 5. I principali problemi con le pinzette plasmoniche sono che il LSP's generano una considerevole quantità di calore e la cattura è solo bidimensionale. Questo calore genera flussi convettivi e thermophoresis che può essere abbastanza potente da espellere particelle inferiori al micron dalla trappola. ^9,10 Il secondo approccio che descriveremo è l'utilizzo di nanostrutture dielettrico periodici per diffondere la luce incidente in modo molto efficiente nelle modalità di diffrazione, come mostrato in figura 6 ^11. Idealmente, si potrebbe rendere questa struttura di un materiale dielettrico per evitare i problemi di riscaldamento stessa esperienza con la plasmoniche le pinzette, ma nel nostro approccio di alluminio rivestita reticolo di diffrazione viene utilizzato come unidimensionale nanostruttura dielettrica periodica. Anche se non è un semiconduttore, non ha subito un riscaldamento significativo ed efficace intrappolato piccole particelle con intensità di cattura basso, come mostrato in figura 7. L'allineamento delle particelle con il substrato grata convalida concettualmente l'idea che un 2-D cristalli fotonici potrebbe consentire la rotazione precisa di non sferiche micron di dimensioni. ¹⁰ L'efficienza di queste trappole ottiche sono aumentati a causa della maggiore campi prodotti dalle nanostrutture descritto nella questo documento.

Protocol

1. Array casuale Au Fabrication nanoparticelle 8,10,12,14 L'array nanoparticelle Au è formata creando prima un modello che è fatto di un denso strato di lattice in modo casuale assorbito sfere con diametro medio di 454 nm. Questo risultato è ottenuto dal primo oro evaporazione su un vetrino di vetro per uno spessore di 20 nm usando cromo come il livello di adesione. Il monostrato sfera di polistirolo è poi auto-assemblati esponendo l'oro rivestite substrato ad una miscela di 1…

Discussion

Il significato di questi metodi di cattura è che diminuire l'intensità ottica necessaria per la cattura sostenuta da qualche parte dell'ordine di 10 ³ μW / ² micron a qualche parte dell'ordine di 10 μW / micron ^{2. 10,11} I limiti su queste tecniche sono che la matrice di nanoparticelle d'oro esperienze problemi di riscaldamento che deve essere superato. Per ovviare a questo problema, una struttura a cristallo fotonico 2D che è composto di un materiale dielettrico può…

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