Gebruik van plasmonische en fotonisch kristal nanostructuren voor Enhanced micro-en nanodeeltjes Manipulatie

Summary

Plasmonische pincet en fotonische kristal nanostructuren worden getoond om nuttige verbeteringen te produceren in de efficiëntie en de oriëntatie controle van optisch trapping micro-en nano-deeltjes.

Abstract

Een methode om de positie en oriëntatie van submicron deeltjes te manipuleren niet-destructief zou een ongelooflijk nuttig instrument voor fundamenteel biologisch onderzoek. Misschien wel de meest gebruikte fysieke kracht om niet-invasieve manipulatie van kleine deeltjes te bereiken is dielectrophoresis (DEP). ¹ echter DEP op eigen mist de veelzijdigheid en precisie die gewenst zijn voor het manipuleren van cellen, omdat het traditioneel gedaan met stationaire elektroden. Optisch pincet, die een driedimensionaal elektromagnetisch veld gradiënt om de krachten op de kleine deeltjes uit te oefenen te gebruiken, deze gewenste veelzijdigheid en precisie te bereiken. Maar ^twee, een belangrijk nadeel van deze aanpak is de hoge stralingsintensiteit nodig is om de nodige kracht te bereiken een deeltje val die kan schade aan biologische monsters ³ Een oplossing die het mogelijk maakt vangen en te sorteren met een lagere optische intensiteit zijn opto-elektronische pincet (OET) maar OET's hebben beperkingen met fijne manipulatie van kleine deeltjes,.. dat DEP-gebaseerde technologie stelt ook beperkingen op het terrein van de oplossing ^{4 , 5}

Deze video artikel zal beschrijven twee methoden die de intensiteit van de straling die nodig zijn voor optische manipulatie van levende cellen te verminderen en ook een beschrijving van een methode voor oriëntatie controle. De eerste methode is plasmonische pincet, die een willekeurig gouden nanodeeltjes (AUNP) array te gebruiken als een substraat voor het monster zoals aangegeven in figuur 1. De AUNP serie zet de invallende fotonen in gelokaliseerde oppervlakteplasmonen (LSP), die bestaan ​​uit resonerende dipool momenten die uitstralen en het genereren van een patroon stralingsveld met een grote gradiënt in de cel oplossing. Eerste werkzaamheden op het oppervlak van plasmon verbeterd trapping door Righini et al. en onze eigen modellen hebben aangetoond dat de velden opgewekt door de plasmonische substraat de initiële intensiteit te verminderen door het verbeteren van de gradiënt veld dat de vallen het deeltje. ^6,7,8 De plasmonische aanpak maakt voor fijn oriëntatie controle van ellipsoïdale deeltjes en cellen met een lage optische intensiteit als gevolg van efficiëntere optische energie omgezet in mechanische energie en een dipool-afhankelijke stralingsveld. Deze velden zijn weergegeven in figuur 2 en de lage vangen intensiteiten worden beschreven in de figuren 4 en 5. De belangrijkste problemen met plasmonische pincet zijn dat de LSP is een aanzienlijke hoeveelheid warmte te genereren en de vangst is slechts twee dimensionaal. Deze warmte genereert convectieve stromen en thermophoresis die kunnen worden krachtig genoeg om submicron deeltjes uit de val te verdrijven. ^9,10 De tweede aanpak die we beschrijven is een periodieke diëlektrische nanostructuren gebruik te verstrooien invallend licht zeer efficiënt in het diffractie-modi, zoals aangegeven in figuur 6 . ¹¹ Idealiter zou een te maken deze structuur uit van een diëlektrisch materiaal om dezelfde warmte problemen met de plasmonische pincet te vermijden, maar in onze aanpak een aluminium gecoate diffractierooster wordt gebruikt als een eendimensionale periodieke diëlektrische nanostructuur. Hoewel het niet een halfgeleider, heeft zij niet ervaren significant verwarming en effectief gevangen kleine deeltjes met een lage intensiteit vangen, zoals weergegeven in figuur 7. Afstemming van de deeltjes met het substraat rooster valideert conceptueel de stelling dat een 2-D fotonisch kristal zou kunnen precieze rotatie van niet-sferische micron deeltjes mogelijk te maken. ¹⁰ De efficiëntie van deze optische vallen zijn toegenomen als gevolg van de verhoogde velden geproduceerd door de nanostructuren zoals beschreven in dit papier.

Protocol

1. Random Au Nanodeeltje Array Fabrication 8,10,12,14 De Au nanodeeltjes array wordt gevormd door eerst het creëren van een sjabloon die is gemaakt van een dichte laag van willekeurig geadsorbeerd latex bolletjes met een gemiddelde diameter van 454 nm. Dit wordt bereikt door eerst verdampen goud op een glazen dekglaasje tot een dikte van 20 nm met behulp van chroom als de hechting laag. De polystyreen bol monolaag is dan zelf-geassembleerde door het blootstellen van de goud gecoate subst…

Discussion

De betekenis van deze methoden van vangen is dat ze de optische intensiteit die nodig zijn voor een duurzame vangen van ergens daling in de orde van 10 ³ μW / um ² tot ergens in de orde van 10 μW / um ^{2. 10,11} De beperkingen van deze technieken zijn dat de gouden nanodeeltjes reeks verwarming kwesties die moeten worden overwonnen ervaringen. Om dit probleem, kan een 2D fotonisch kristal structuur die is samengesteld uit een diëlektrisch materiaal worden gebruikt. Een dergelijke struct…

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