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

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.

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 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. La monocapa esfera de poliestireno es entonces auto-ensambladas mediante la exposición del s…

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 ti…

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