Utnyttjande av Plasmoniska och fotoniska kristaller nanostrukturer för förbättrade mikro-och nanopartiklar Manipulation

Summary

Plasmoniska pincett och fotoniska nanostrukturer kristaller visas att producera användbara förbättringar i effektivitet och orientering kontroll av optiskt fånga mikro-och nano-partiklar.

Abstract

En metod för att manipulera position och orientering submicron partiklar icke-förstörande skulle vara ett otroligt användbart verktyg för grundläggande biologisk forskning. Kanske den mest använda fysiskt våld för att uppnå icke-invasiv manipulation av små partiklar har dielectrophoresis (DEP). ¹ saknar dock DEP på egen hand den mångsidighet och precision som önskas när manipulera celler eftersom det traditionellt gjort med stationära elektroder. Optisk pincett, som utnyttjar en tredimensionell lutning elektromagnetiska fält för att utöva krafter på små partiklar, uppnå detta önskade mångsidighet och precision. ² är dock en stor nackdel med denna metod den höga strålningen intensitet som krävs för att uppnå den nödvändiga kraft för att fälla en partikel som kan skada biologiska prov ³ En lösning som gör att fångst och sortering med lägre optisk intensitet är optoelektronisk pincett (OET) men OET s har begränsningar med fina manipulation av små partiklar,.. är DEP-baserad teknik också lägger hinder för egendom av lösningen ^{4 , 5}

Denna video artikeln kommer att beskriva två metoder som minskar intensiteten av den strålning som behövs för optisk manipulation av levande celler och även beskriva en metod för orientering kontroll. Den första metoden är plasmoniska pincett som använder en slumpmässig guld nanopartiklar (AuNP) array som ett substrat för provet som visas i figur 1. Den AuNP array omvandlar incidenten fotoner till lokaliserade ytan plasmoner (LSP) som består av resonanta dipolmoment som utstrålar och genererar en mönstrad strålfält med en stor lutning i cellen lösningen. Inledande arbete på ytan plasmon ökad fångst av Righini et al och våra egna modeller har visat fält som genereras av plasmoniska substrat minskar den initiala intensiteten som krävs genom att öka lutningen fält som fällor partikeln. ^6,7,8 Den plasmoniska tillvägagångssätt gör det möjligt för fina orientering kontroll över ellipsoidisk partiklar och celler med låg optisk intensitet på grund av effektivare optiska energin omvandlas till mekanisk energi och en dipol beroende strålfältet. Dessa fält visas i figur 2 och den låga fångsten intensitet beskrivs i siffror 4 och 5. De största problemen med plasmoniska pincett är att LSP är generera en betydande mängd värme och fångsten är bara tvådimensionell. Denna värme genererar konvektiva flöden och thermophoresis som kan vara tillräckligt kraftfull för att driva ut submicron partiklar från fällan. ^9,10 Den andra metoden som vi kommer att beskriva är att utnyttja periodisk dielektrisk nanostrukturer att sprida infallande ljus mycket effektivt i diffraktion lägen, som visas i figur 6 ^11. Helst skulle man göra denna struktur ur ett dielektriskt material för att undvika samma värme problem med plasmoniska pincett, men i vårt förhållningssätt en aluminium-belagd diffraktionsgitter används som en endimensionell periodisk dielektrisk nanostruktur. Även om det inte är en halvledare, gjorde det upplever inte signifikant uppvärmning och effektivt fångade små partiklar med låg fånga intensitet, som visas i figur 7. Anpassningen av partiklar med gallret substrat validerar begreppsmässigt påståendet att en 2-D fotoniska kristaller kan ge exakt rotation av icke-sfäriska micron stora partiklar. ¹⁰ Effektivitetsvinsterna av dessa optiska fällor är ökade på grund av den förbättrade fält som produceras av nanostrukturer som beskrivs i detta dokument.

Protocol

1. Slumpmässiga Au nanopartiklar Array Fabrication 8,10,12,14 Au nanopartiklar arrayen bildas genom att först skapa en mall som är gjord av ett tätt skikt av slumpmässigt adsorberat latex kulor med en genomsnittlig diameter på 454 nm. Detta uppnås genom att först avdunsta guld på ett glas täckglas till en tjocklek på 20 nm med krom som vidhäftning lager. Den polystyren sfären cellslager är sedan själv ihop genom att exponera det guld-belagda substrat för en blandning av 1-…

Discussion

Betydelsen av dessa fångstmetoder är att de minskar den optiska intensiteten nödvändiga för en hållbar fångst från någonstans i storleksordningen 10 ³ μW / ìm ² till någonstans i storleksordningen 10 μW / ìm ^{2. 10,11} Begränsningarna för dessa tekniker är att guldet nanopartiklar rad upplevelser värme problem som måste övervinnas. För att lösa detta problem kan en 2D fotoniska kristaller struktur som består av ett dielektriskt material användas. En sådan struktur …

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