L'utilisation de nanostructures cristal plasmonique et photoniques pour la manipulation des micro-et nanoparticules améliorée

Summary

Brucelles plasmonique et nanostructures cristaux photoniques sont présentés à produire des améliorations utiles dans le contrôle de l'efficacité et l'orientation de piégeage optique des micro-et nano-particules.

Abstract

Une méthode pour manipuler la position et l'orientation des particules submicroniques non destructive serait un outil incroyablement utile pour la recherche biologique fondamentale. Peut-être la force la plus largement utilisée pour réaliser la manipulation physique non invasif de petites particules a été diélectrophorèse (DEP). ¹ Cependant, DEP sur son propre manque de la polyvalence et la précision qui sont souhaités lors de la manipulation des cellules, car il se fait traditionnellement avec des électrodes fixes. Pinces optiques, qui utilisent une durée de trois dimensions du gradient du champ électromagnétique d'exercer des forces sur de petites particules, de réaliser cette polyvalence souhaitée et la précision. ² Toutefois, un inconvénient majeur de cette approche est l'intensité du rayonnement élevées requises pour atteindre la force nécessaire pour piéger une particule qui peut endommager les échantillons biologiques ³ Une solution qui permet de piégeage et de tri avec une intensité moindre optiques sont optoélectroniques pincettes (OET), mais OET ont des limites à la manipulation fine de petites particules;.. étant DEP technologie basée met également contrainte sur la propriété de la solution ^{4 , 5}

Cet article vidéo décrivent deux méthodes qui diminuent l'intensité du rayonnement nécessaire pour la manipulation optique des cellules vivantes et aussi de décrire une méthode pour le contrôle de l'orientation. La première méthode est une pince à épiler plasmonique qui utilisent une nanoparticule d'or aléatoire (AUNP) tableau comme un substrat pour l'échantillon comme dans la Figure 1. Le tableau AUNP convertit les photons incidents dans les plasmons de surface localisés (LSP) qui se composent de résonance moments dipolaires qui rayonnent et de générer un champ de rayonnement à motifs avec un gradient important dans la solution de cellules. Le travail initial sur les plasmons de surface améliorée piégeage par Righini et al et de notre propre modélisation ont montré les champs générés par le substrat plasmonique de réduire l'intensité initiale requise par l'amélioration du champ de gradient qui piège les particules. ^6,7,8 L'approche plasmonique permet de bien contrôler l'orientation des particules ellipsoïdales et les cellules avec de faibles intensités optiques à cause de la conversion d'énergie plus efficaces optiques en énergie mécanique et un champ de rayonnement dipolaire-dépendante. Ces champs sont présentés dans la figure 2 et les intensités faibles piégeage sont détaillés dans les figures 4 et 5. Les principaux problèmes avec des pincettes plasmonique sont que le LSP générer une quantité considérable de chaleur et le piégeage est à seulement deux dimensions. Cette chaleur génère des flux de convection et thermophorèse qui peut être assez puissant pour expulser les particules submicroniques du piège de ^9,10. La seconde approche que nous allons décrire est l'utilisation des nanostructures périodiques diélectriques à la lumière incidente dispersent de façon très efficace dans des modes de diffraction, comme le montre la figure 6 ^11. Idéalement, il faudrait rendre cette structure d'un matériau diélectrique pour éviter les problèmes de chauffage mêmes expérimentés avec les pincettes, mais plasmonique dans notre approche en aluminium revêtu de réseau de diffraction est utilisé comme une nanostructure unidimensionnelle diélectriques périodiques. Même s'il n'est pas un semi-conducteur, il n'a pas l'expérience de chauffage importants et efficacement les petites particules piégées avec des intensités faibles piégeage, comme le montre la figure 7. L'alignement des particules avec le substrat grille valide conceptuellement l'idée que un cristal photonique en 2-D pourraient permettre une rotation précise des particules non sphériques microns de taille ^10. L'efficacité de ces pièges optiques sont augmentées en raison de l'amélioration des champs produits par les nanostructures décrites dans ce document.

Protocol

1. Au hasard de fabrication de nanoparticules tableau 8,10,12,14 Le tableau est formé de nanoparticules de Au en créant d'abord un modèle qui est constitué d'une couche dense de sphères de latex adsorbées au hasard avec un diamètre moyen de 454 nm. Ceci est réalisé par évaporation d'or d'abord sur une lamelle de verre d'une épaisseur de 20 nm à l'aide de chrome comme couche d'adhérence. La monocouche sphère en polystyrène est alors auto-assemblé…

Discussion

L'importance de ces méthodes de piégeage est qu'ils diminuent l'intensité optique nécessaires pour le piégeage soutenue de quelque part sur ​​l'ordre de 10 ³ uW / um de ² à quelque part sur ​​l'ordre de 10 uW / um ^{2. 10,11} Les limitations de ces techniques sont que le tableau de nanoparticules d'or les expériences de chauffage des questions qui doivent être surmontés. Pour surmonter ce problème, une structure cristalline 2D photoniques qui est co…

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