الاستفادة من النانو كريستال Plasmonic والضوئية لتعزيز التلاعب الصغرى ، والجسيمات النانوية

Summary

وترد وملاقط Plasmonic النانو الكريستال الضوئية لإنتاج تحسينات مفيدة في السيطرة والتوجيه من الكفاءة محاصرة بصريا المتناهية الصغر ومتناهية الصغر.

Abstract

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological research. Perhaps the most widely used physical force to achieve noninvasive manipulation of small particles has been dielectrophoresis(DEP).¹ However, DEP on its own lacks the versatility and precision that are desired when manipulating cells since it is traditionally done with stationary electrodes. Optical tweezers, which utilize a three dimensional electromagnetic field gradient to exert forces on small particles, achieve this desired versatility and precision.² However, a major drawback of this approach is the high radiation intensity required to achieve the necessary force to trap a particle which can damage biological samples.³ A solution that allows trapping and sorting with lower optical intensities are optoelectronic tweezers (OET) but OET's have limitations with fine manipulation of small particles; being DEP-based technology also puts constraint on the property of the solution.^4,5

This video article will describe two methods that decrease the intensity of the radiation needed for optical manipulation of living cells and also describe a method for orientation control. The first method is plasmonic tweezers which use a random gold nanoparticle (AuNP) array as a substrate for the sample as shown in Figure 1. The AuNP array converts the incident photons into localized surface plasmons (LSP) which consist of resonant dipole moments that radiate and generate a patterned radiation field with a large gradient in the cell solution. Initial work on surface plasmon enhanced trapping by Righini et al and our own modeling have shown the fields generated by the plasmonic substrate reduce the initial intensity required by enhancing the gradient field that traps the particle.^6,7,8 The plasmonic approach allows for fine orientation control of ellipsoidal particles and cells with low optical intensities because of more efficient optical energy conversion into mechanical energy and a dipole-dependent radiation field. These fields are shown in figure 2 and the low trapping intensities are detailed in figures 4 and 5. The main problems with plasmonic tweezers are that the LSP's generate a considerable amount of heat and the trapping is only two dimensional. This heat generates convective flows and thermophoresis which can be powerful enough to expel submicron particles from the trap.^9,10 The second approach that we will describe is utilizing periodic dielectric nanostructures to scatter incident light very efficiently into diffraction modes, as shown in figure 6.¹¹ Ideally, one would make this structure out of a dielectric material to avoid the same heating problems experienced with the plasmonic tweezers but in our approach an aluminum-coated diffraction grating is used as a one-dimensional periodic dielectric nanostructure. Although it is not a semiconductor, it did not experience significant heating and effectively trapped small particles with low trapping intensities, as shown in figure 7. Alignment of particles with the grating substrate conceptually validates the proposition that a 2-D photonic crystal could allow precise rotation of non-spherical micron sized particles.¹⁰ The efficiencies of these optical traps are increased due to the enhanced fields produced by the nanostructures described in this paper.

Protocol

1. عشوائية صفيف الاتحاد الافريقي nanoparticle التصنيع ^{8،10،12،14}

1. يتم تشكيل مجموعة جسيمات متناهية الصغر من خلال إنشاء الاتحاد الافريقي لأول مرة القالب الذي يتكون من طبقة كثيفة من المجالات اللاتكس كثف عشوائيا مع قطر يعني من 454 نانومتر. ويتم تحقيق هذا عن طريق التبخير أول ذهبية على الزجاج ساترة لبسمك 20 نانومتر باستخدام الكروم والتصاق طبقة.
2. والبوليسترين المونولاير المجال ومن ثم تجميعها ذاتيا من خلال تعريض الركيزة المغلفة الذهب إلى خليط من 1 إيثيل - 3 - (3 - dimethylaminopropyl) carbodiimide هيدروكلوريد (EDC) ، واللثي تعليق المجال ، والمياه غير المتأينة.
3. ولا يسمح للعملية الامتصاص تستمر لحوالي ساعة واحدة ويتم غسلها المجالات غير استيعابها بعيدا مع كمية وفيرة من المياه.
4. ولا يسمح للأحادي الطبقة تشكلت في الهواء الجاف.
5. أخيرا ، يتم تبخير آخر 20 نانومتر من الذهب على المونولاير المجال اللاتكس لتشكيل جزيئات النانو الذهب عشوائية صفيف.
6. إذا كان متوفرا SEM ، يمكن أن ينظر إليه في إطار مجموعة AuNP SEM لتبدو مثل الشكل 1 ويظهر رسم بياني للعملية في الشكل 8.

2. إعداد العينات البيولوجية ^9،11

1. يظهر الآن إعداد نموذج لمحاصرة بصريا الماوس نواة الخلية.
2. تم الحصول على نواة الخلية 3T3 ماوس المفتاحية أكريدين الصبغة البرتقالية من مجموعة تيواري في مركز فريد هاتشينسون لأبحاث السرطان.
3. 10 ٪ يضاف مصل الزلال البقري (BSA) في الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) إلى نواة الخلية الماوس في تركيز حوالي 1 : 10 (BSA : الفأر نواة الخلية). جيش صرب البوسنة يساعد على منع النواة من الالتصاق إلى الركيزة.
4. الحل باستخدام مزيج صوتنة.
5. وتودع 5 ماي من حلنا على الصفيف ساترة الألومنيوم صريف. فمن الأفضل لتنفيذ هذه الخطوة مع صريف الألومنيوم في المرحلة المجهر بحيث لم يكن لديك لنقل العينة بعد إيداع الحل.
6. وتستخدم اثنين من اثنين من مداخن 1 "في موعد أقصاه 1" لدعم coverslips ساترة الخامسة عن طريق وهو ينظر إلى العينة.
7. موقف العينة تحت المجهر للعرض.

3. طريقة لاصطياد

1. هي التي شيدت في ملاقط بصرية عن طريق إرسال 35 ميغاواط ليزر الهليوم نيون من خلال محوري Imager.D1M زايس مجهزة بمجموعة 17 GFP التصفية التي يتم تعديلها للسماح لأشعة الليزر 633 نانومتر لتصل العينة.
2. يستخدم NEOFLUAR 50x صورة موضوعية لنواة الخلية التي ما يقرب من 5 ميكرون في القطر -- ألف دينار زايس EC Epiplan.
3. بعد يتم وضع العينة في إطار الهدف ، والتركيز المجهر على صفيف الذهب جسيمات متناهية الصغر أو مقضب الحيود.
4. ترجمة المجهر عموديا حتى يتحقق التركيز على النواة التي كنت ترغب في الفخ.
5. وينبغي أن موقف فخ بقعة الليزر أكثر من الجسيمات والجسيمات في المحافظة ومن ثم وضعها في بقعة الليزر حتى عندما تتم ترجمة هذه المرحلة.

4. ممثل النتائج :

ينبغي للجسيمات متناهية الصغر إجراءات الذهب مجموعة عشوائية من إيداع المونولاير AuNP والتي يمكن عرضها في إطار SEM لتبدو مثل الشكل 1. يمكن محاصرة القوة التي أوجدتها هذه plasmonic ملاقط يكون 10-20 أضعاف القوة التي تم إنشاؤها بواسطة ملاقط بصرية القياسية. وتظهر شدة الدنيا المطلوبة لتحقيق plasmonic ملاقط الحبس الجسيمات عن جسيمات ذات أحجام مختلفة في الشكل 4. ^9،10 صريف حيود تحقيق المواءمة والملائمة مع كفاءة أعلى 20 مرة من محاصرة nanodots الذهب ، ويمكن تحقيق الملائمة مع اقل كما يسكونس 17 / ام ² (الشكل 7). ¹¹

الشكل 1 ¹⁰ (أ) صورة مجهرية SEM من جزيئات الذهب الذاتي تجميعها. القطر من جزيئات الذهب الفرد حوالي 450 نانومتر. (ب) صورة NSOM الركيزة plasmonic حيث توزيع متناثر جسيمات متناهية الصغر ، والتي تبين الأشعة القريبة من الميدان. الطول الموجي لليزر الإثارة هو 633 نانومتر. (ج) عرض التكبير السامي للمنطقة مع وضع علامة حمراء في مربع (ب). (د) كفاءة الطيف نثر الركيزة plasmonic ، والتي تبين الذروة في 624 نانومتر. (ه) الطيف كفاءة امتصاص الركيزة plasmonic ، والتي تبين الذروة في 668 نانومتر.

الشكل 2 ¹³ (أ) الاتحاد الافريقي nanospheres موزعة بشكل عشوائي على نطاق 2D 1 × 1 ميكرومتر ^2. كل نقطة زرقاء تمثل مركز nanosphere (أ = 60 نانومتر). وتظهر التوزيعات مجال تناثر على طائرات المراقبة التي هي موازية لمجموعة nanosphere عشوائي في الفقرة (ب) -- (ه). غير مضاءة بشكل موحد الصفيف nanosphere موجة الطائرة في الطول الموجي من 540 نانومتر. معامل الانكسار من الوسط المحيط هو 1.33. وبولاالاتجاه rization من النقاط على طول موجة الطائرة المحور السيني (الأفقي في الفقرة (أ)). ويفترض أن حجم الحقل الكهربائي الحادث لكي تكون 1 في الحساب. يتم تعريف الفاصل بين الطائرة والمراقبة الصفيف nanosphere كما ح ب) ح = أ. ج) ح = 2A. د) ح = λ. ه) ح = 2λ.

الرقم 3 ⁹ تخطيطي لتكوين مخصص المجهر مضان بما في ذلك تصفية الإثارة وتجاوز مزدوج اللون استبدال الحزم الخائن. هذا هو التكوين تستخدم لمحاصرة في وقت واحد والتصوير مضان.

الرقم 4 ¹⁰ كثافة الليزر للحفاظ على الحد الأدنى في فخ بوصفها وظيفة من معدل تدفق السوائل المحيطة الاستفادة من محاصرة plasmonic. ويتم قياس جميع الكثافات الضوئية على الطائرة العينة تحت المجهر الهدف. (أ) -- (و) تظهر نتائج القياس للالخرز البوليسترين واحد بقطر 7.3 و 6.3 (غير كروي) ، 5.0 ، 3.9 ، 2.5 و 1.1 ميكرومتر ، على التوالي. وinsets عرض الصور المجهرية المقابلة من الجسيمات. أشرطة النطاق في كل الصور تمثل 5 ميكرون في الطول.

الشكل 5 ¹⁰ المنحدر من خط تركيبها من خلال الأصل في الشكل. 4 مقابل حجم الجسيمات لمحاصرة plasmonic. أشرطة الخطأ تظهر الانحرافات المعيارية ليناسب الخطية. المنحدر من خط المجهزة (النسبة بين شدة العتبة البصرية ومعدل التدفق) في الشكل. 4 وجود علاقة خطية تقريبا مع حجم الجسيمات كما هو مبين في هذا الشكل ، مما يدل على الاستفادة من محاصرة plasmonic وخاصة بالنسبة للجسيمات أصغر.

الشكل 6 ¹¹ (أ) رسم تخطيطي لمحاصرة تعزيز الاستفادة من النانو البصرية الدوري 1 - D. شعاع الحادث diffracted من البنية النانوية الدوري في الميدان حتى الآن. (ب) توزيع شدة الضوء مع اثنين من البنية النانوية متعامد الاستقطابات في حقل بعيد. (ب) توزيع شدة الضوء مع اثنين من الاستقطاب المتعامد على السطح من صريف الألومنيوم مع فترة 417 نانومتر تم الحصول عليها باستخدام المحاكاة FDTD. هو تطبيع توزيعها على كثافة على سطح الألومنيوم مسطح. (ج) و (د) إمكانية ملائمة للجسيمات مباشرة فوق سطح صريف مقابل موقع للجسيمات لالبوليسترين ألف (ج) 350 نانومتر حبة و (د) والبوليسترين 1 ميكرومتر حبة. الدوائر البيضاء توضيح أحجام الجسيمات. Insets تظهر إمكانات محاصرة فوق سطح الالومنيوم شقة لحجم الجسيمات نفس المقارنات. تم تطبيع القيم لكل حجم الجسيمات. لجميع الأرقام محاكاة FDTD مجال الرؤية هو 10 × 8 ² ميكرون.

الشكل 7 ¹¹ (أ) الكفاءة والحد الأدنى من شدة فخ نصب الفخاخ لقياس الخرز البوليسترين من مختلف الأحجام مع عمودي الاستقطاب شعاع لخطوط صريف. أقحم يظهر التفاوت في فخ الكفاءة الملائمة لترجمة والبوليسترين 3.87 عمودي أم حبة ومتوازية لقواعد صريف. يتم الحصول على خط الصلبة (التباين الكبير) مع عمودي الاستقطاب الحادث الضوء على صريف ، ويتم الحصول على خط شرطة (عدم التماثل الصغيرة) مع الحادث الضوء المستقطب موازية لصريف. وحدة في (PN [ميغاواط / ميكرون ^{2] -1).} (ب) -- (د) مظاهرة ملائمة لالفلورسنت 590 نانومتر حبة البوليسترين. دائرة حمراء تدل على موقف بقعة الليزر ضوء الليزر كما كانت خافتة جدا بحيث لا يمكن رؤيتها. في البداية محصورة الجسيمات داخل بقعة في أعلى السلطة ، كما هو خفض قوة الحركة البراونية للجسيمات يتغلب على قوة محاصرة ، والسماح للجسيمات من الفرار. (ه) -- (ز) مظاهرة ملائمة من نواة الخلية السرطانية المبيض الفلورسنت. كانت كثافة الحد الأدنى المطلوب لبدء محاصرة μW 16 / ² ميكرون تم الحصول عليها باستخدام عدسة الهدف 20X.

الشكل 8 التصنيع الداخلي ¹⁴ من جزيئات الذهب على شكل قبعة : أ التبخر) من الكروم والاتحاد الافريقي طبقة رقيقة على الزجاج ساترة. ب) التعرض للتعليق البوليسترين مجال من المجالات ، وامتصاص لمدة 1 ساعة. ج) إزالة المجالات البوليسترين غير كثف وتجفيف السطح. د) التبخر من طبقة أخرى من الاتحاد الافريقي على رأس مجالات القالب. ه) تخطيطي للصفيف سقف على شكل جسيمات متناهية الصغر الاتحاد الافريقي ، حيث لا يغطي سوى الاتحاد الافريقي في الجانب العلوي من المجالات القالب.

Discussion

المغزى من هذه الأساليب لأنها محاصرة انخفاض كثافة الضوئية اللازمة لمحاصرة مستمرة من مكان ما على ترتيب مكان للμW 10 ³ / ² ميكرون بناء على أمر من μW 10 / ² ميكرون. ^10،11 والقيود المفروضة على هذه التقنيات هي أن جسيمات متناهية الصغر مجموعة الذهب الخبرات الت...

Materials

اسم المادة	نوع	شركة	رقم كتالوج	تعليق
تصوير محوري مجهر	D1M	زايس	D1M	زايس محوري Imager.D1M
الهدف المجهر	50x/0.55	زايس		LD EC Epiplan -- NEOFLUAR 50x/0.55 HD مدينة دبي للإنترنت
زايس مجهر الكاميرا	AxioCam MRC	زايس
ليزر الهليوم نيون	35 ميغاواط	البحوث الكهربائية والبصريات
متغير المخفف	متغير باستمرار ND	ThorLabs	NDC - 100C - 4M	لضبط شدة المجهر
تصفية مجموعة زايس	تصفية مجموعة # 17	زايس	488017-9901-000	تصفية مجموعة # 17
المجهر الشرائح	سماكة 0.5 مم	VWR
3T3 نواة الخلية الماوس		فريد هاتشينسون لبحوث السرطان مركز		مثل البرد ممكن مخزن
أكريدين صبغ برتقالي		فريد هاتشينسون لبحوث السرطان مركز
الأبقار مصل الزلال	1-10 حصة في برنامج تلفزيوني	فريد هاتشينسون لبحوث السرطان مركز
454 نانومتر المجالات اللاتكس البوليسترين		Polysciences ، وشركة
carbodiimide هيدروكلوريد (EDC)	1 إيثيل - 3 - (3 - dimethylaminopropyl)	G - العلوم البيولوجية	BC25 - 1
الذهب (لترسب)
تعكس مقضب الحيود حكمت		ادموند بصريات
التخزين المؤقت المالحة الفوسفات (PBS)	Dulbecco والفوسفات مخزنة المالحة (D - PBS) (1X)	Invitrogen	14190-144