Name: synthesis of immunotargeted magneto-plasmonic nanoclusters
Uploaded: 2014-08-22T16:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 43 s
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Este trabajo fue apoyado en parte por las subvenciones del NIH R01 y R01 CA103830 EB008101.

1. Aparatos y Preparación Cristalería <ol><li> Use el equipo adecuado de protección, es decir, una bata de laboratorio, guantes desechables y protección ocular. </li><li> Conecte un matraz de fondo redondo a un condensador y sumergirlo en un baño de aceite de silicona con un monitoreo de la temperatura con un termómetro. Coloque una fuente de calor (por ejemplo, la placa caliente) en el baño de aceite (Figura 1). Use un termómetro capaz de medir la temperatura superior a 260 ° C. </li></ol> Nanopartículas 2 Síntesis de híbrido Primaria Magneto-plasmónicas <ol><li> Haciendo magnética Core nanopartículas <ol><li> Añadir 353,2 mg (1 mmol) de hierro acetilacetonato (III), 1 ml (2 mmol) de ácido oleico, 1 ml (2 mmol) oleilamina, 1,292 g (5 mmol) de 1,2-hexadecanodiol, y 10 ml de éter de fenilo para una ronda frasco -fondo. </li><li> Se agita la mezcla vigorosamente utilizando un agitador de varilla y el calor magnético de 250-260 ° C durante 1 hora a reflujo. Luego, esperar a que se enfríe la solucióna RT. Asegúrese de que la temperatura es inferior a 260 ° C para evitar la ebullición del éter de fenilo y evitar una explosión de la mezcla de reacción desde el matraz de fondo redondo al condensador. PRECAUCIÓN: La mezcla de reacción es extremadamente caliente y los productos químicos puede causar irritación. Debe operar bajo una campana de humos y llevar equipo de protección personal adecuado. Asegurar una ventilación adecuada para el baño de aceite. NOTA: El baño de aceite se mantiene a 250-260 º C de temperatura durante 1 hora durante la síntesis de las nanopartículas magnéticas. En principio, un plato de vidrio Pyrex se puede utilizar para este propósito. Sin embargo, la temperatura máxima continua de vidrio Pyrex es de ~ 260 º C de acuerdo con la información del proveedor. Por lo tanto, un recipiente de metal proporciona una opción más segura para la reacción, ya que puede resistir una temperatura más alta y durar más tiempo durante múltiples carreras. </li></ol></li><li> Deposición de una concha de oro en nanopartículas de núcleo magnético <ol><li> Añadir 411,5 mg (1,1 mmol) as oroTate, 0,25 ml (0,75 mmol) de ácido oleico, 1,5 ml (3,0 mmol) oleilamina, 775,3 mg (3 mmol) de 1,2-hexadecanodiol, y 15 ml de éter de fenilo a un matraz de fondo redondo. </li><li> Añadir 5 ml de suspensión de nanopartículas magnéticas desde el paso 2.1. Calentar la mezcla de reacción a 180 ° C y mantener a reflujo durante 1 h. Esperar a que la solución se enfríe a temperatura ambiente. </li><li> Añadir 50 ml de etanol para precipitar las nanopartículas híbridas primarias seguido por centrifugación a 3250 × g durante 15 min. </li><li> Resuspender el precipitado en 25 ml de hexano usando un sonicador de baño. Añadir 25 ml de etanol para precipitar las nanopartículas híbridas primarios. Centrifugar a 3250 xg durante 15 min y resuspender el precipitado en hexano. Repita este paso tres veces. </li><li> Secar las nanopartículas híbridas primaria precipitados en un desecador de vacío O / N. Confirme que las partículas estén completamente secas. </li></ol></li></ol> Nanoclusters 3. híbrido Magneto-plasmónicas Síntesis y Tamaño Separación <ol><li&gt; Resuspender 5 mg de nanopartículas híbridas primarias secos en 1 ml de hexano usando un sonicador de baño. Sonicar la suspensión de nanopartículas hasta que no precipitado visible está presente. </li><li> Añadir la solución del paso 3,1 a 10 ml de solución acuosa de dodecilsulfato de sodio (2,8 mg / ml) en un vial de vidrio de 20 ml con tapas fijadas. Añadir la suspensión de nanopartículas híbridas primaria gota a gota para evitar la mezcla de las dos fases antes del siguiente paso. </li><li> Sonicar la solución de dos fases en un baño de ultrasonido durante 2 horas, seguido de calentamiento en un baño de agua a 80 ° C durante 10 min. Esperar a que la solución se enfríe a temperatura ambiente. <ol><li> Llenar de agua hasta la línea de nivel operativo del baño de ultrasonidos. Centre el vial de vidrio en el baño de ultrasonidos. Se forma una emulsión inmediatamente entre las dos fases. Agite la solución de dos fases a mano después de inicio del tratamiento con ultrasonidos; esto facilita la mezcla entre la fase que contiene nanopartículas híbridas primarios y la fase acuosa inferior. NOTA: Tenga en cuenta That sonicador se calentará después de 2 horas de funcionamiento. </li></ol></li><li> Centrifugar la suspensión híbrida nanocluster a 100 xg durante 30 min. Recoger tanto el precipitado y el sobrenadante. Resuspender el precipitado en 0,1 mM citrato de sodio por debajo de 10 min sonicación. El tamaño esperado de los nanoclusters es de ~ 180 nm de diámetro. </li><li> Transferir el sobrenadante de la etapa 3.3 a un nuevo tubo cónico. </li><li> Centrifugar la suspensión de la etapa 3.4 a 400 xg durante 30 min. Recoger tanto el precipitado y el sobrenadante. Resuspender el precipitado en 0,1 mM citrato de sodio por debajo de 10 min sonicación. El tamaño esperado de los nanoclusters es de ~ 130 nm de diámetro. </li><li> Transferir el sobrenadante de la etapa 3.5 a un nuevo tubo cónico. </li><li> Centrifugar la suspensión de la etapa 3.6 a 1.500 xg durante 30 min. Recoger el precipitado y resuspender en citrato de sodio 0,1 mM en 10 min sonicación. El tamaño esperado de los nanoclusters es de ~ 90 nm de diámetro. </li><li> Añadir 300 _6; l de suspensión nanocluster a un lector de microplacas de 96 pocillos para medir un espectro de absorción UV-Vis-NIR. Caiga 10 suspensión nanocluster l en rejilla de cobre recubierta de carbono para obtener imágenes TEM. </li></ol> 4. Conjugación de anticuerpos monoclonales a Nanoclusters <ol><li> Preparar 100 l solución de anticuerpo monoclonal (1 mg / ml) en PBS, pH 7,2, por ejemplo, anti-Receptor del Factor de Crecimiento Epidérmico 2 (HER2) anticuerpos o receptor 1 del factor de crecimiento (EGFR) anticuerpos contra-epidérmica. </li><li> Añadir la solución de anticuerpo de la etapa 4.1 a 3.9 ml 4 mM HEPES, pH 7,2. Centrifugar la solución a través de un filtro centrífugo 10 k MWCO a 3.250 xg durante 20 min a 8 ° C. Resuspender el anticuerpo en 4 mM HEPES, pH 7,2, hasta un volumen final de 100 l. NOTA: Este paso se lleva a cabo para reemplazar el medio original en la solución de anticuerpo con HEPES. </li><li> Añadir 10 l de 100 mM NAIO 4 a 100 l de solución de anticuerpos. Cubrir el vial de reacción con un allámina uminum a TA y se mezcla durante 30 min utilizando un agitador orbital. </li><li> Interrumpir la reacción mediante la adición de 500 l de 1x PBS. </li><li> Añadir 2 l de solución de enlazador 46,5 mM (dithiolaromatic peg6-CONHNH 2) a la solución de anticuerpo de la etapa 4.4 y agitar durante 1 hora a TA. </li><li> Filtrar la solución usando un filtro de centrífuga de 10 k MWCO a 3.250 xg durante 20 min a 8 ° C. Resuspender el anticuerpo en 1X PBS hasta un volumen final de 100 l que conduce a una concentración de anticuerpo de ~ 1 mg / ml. </li><li> Mezclar 100 l de suspensión nanocluster a una DO de 1,0 ~ 1 l con anticuerpos modificados de la etapa 4.6 (1 mg / ml) durante 120 min a RT. </li><li> Añadir 10 l de 10 -3 M 5 kDa tiol PEG y agitar durante 15 minutos a temperatura ambiente. </li><li> Centrifugar la solución a 830 x g durante 3 min. Desechar el sobrenadante y resuspender el sedimento en 100 l 2% w / v de PEG 5 kDa en PBS, pH 7,2. </li><li> Medir el espectro de absorción de los nanoclusters-anticuerpo conjugado y comparar a tél absorbancia espectro de los nanoclusters desnudas. Espere un par de nanómetros corrimiento al rojo después de la conjugación. </li><li> Si las nanopartículas agregadas como se muestra por un cambio significativo con un aumento de OD en la región del rojo-NIR, aumentar la concentración de PEG tiol a 5 x 10 -3 M. También, aumentar el tiempo de incubación con PEG tiol a 30 min y disminuir la velocidad centrífuga en incrementos de 200 xg. </li><li> Para el cáncer de ensayo de marcaje celular, añadir el anticuerpo nanopartículas conjugadas desde el paso 4.9 de la suspensión de células cancerosas, ya sea en medio o 1x PBS (1 ml ~ 10 6 células) y se mezcla durante 60 min. </li></ol>

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Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Los pasos críticos en la síntesis exitosa de nanoclusters magneto plasmónica incluyen la fabricación altamente monodispersas de oro primario shell / hierro nanopartículas núcleo de óxido y la dirección de auto-ensamblaje de las partículas primarias en nanoclusters. Una relación molar entre las partículas primarias y tensioactivos juegan un papel importante en la determinación de la distribución del tamaño de los nanoclusters. Distribución de tamaño no uniforme de nanopartículas primarias puede causar la...

Nanopartículas híbridas que comprendan diferentes materiales con propiedades fisicoquímicas distintas pueden abrir nuevas oportunidades en aplicaciones biomédicas, incluyendo imágenes multimodal molecular, el suministro de terapia y el seguimiento, nuevo cribado y ensayos de diagnóstico 1-3. La combinación de propiedades plasmónicas y magnéticos en una sola nanopartícula es de particular interés, ya que proporciona una muy fuerte dispersión de luz y de absorción secciones transversales asociados con resonancias de plasmones y la capacidad de respuesta a un campo magnético. Por ejemplo, se utilizaron nanopartículas magneto-plasmónicas para aumentar el contraste en las imágenes de campo oscuro de células marcadas mediante la aplicación de una modulación de la señal temporal a través de un electroimán externa 3-5. Más recientemente, un principio similar se aplicó en el desarrollo de una nueva modalidad de imagen - imágenes magneto-fotoacústica, donde las nanopartículas magneto-plasmónica permiten grandes mejoras en el contraste y la rata de señal a fondoio 6,7. También se demostró que las nanopartículas híbridas pueden ser utilizados para la captura y la detección de células tumorales circulantes en la sangre entera e in vivo 8,9 simultánea. Además, las nanopartículas magneto-plasmónicas son prometedores agentes teranósticos que se pueden usar para formación de imágenes ópticas y MR específica molecular combinado con la terapia fototérmica de las células cancerosas 10. Se exploraron varios enfoques para la síntesis de nanopartículas magneto-plasmónica. Por ejemplo, Yu et al. Descomposición utilizado y la oxidación de Fe (CO) 5 sobre nanopartículas de oro para formar-mancuernas como bifuncionales Au-Fe 3 O 4 nanopartículas 11. Wang et al. Han sintetizado nanopartículas de óxido de hierro recubierto de oro utilizando el método de descomposición térmica 12. Algunos otros enfoques se basan en polímeros de amina o recubrimiento moléculas funcionales en nanopartículas de núcleo magnético, seguido por la deposición de agcáscara de edad sobre la superficie de polímero para crear el híbrido partículas de 7,13. Además, las nanopartículas de óxido de hierro se adjunta a nanorods de oro a través de interacciones electrostáticas o una reacción química 14,15. Aunque estos enfoques producen nanoestructuras magneto-plasmónicas, comprometen a algunas propiedades extensión de la combinación magneto-plasmónica tales como absorbancia óptica en el (NIR) ventana de infrarrojo cercano o un fuerte momento magnético ambos de los cuales son altamente deseables en aplicaciones biomédicas. Por ejemplo, pesa de gimnasia Au-Fe 3 O 4 nanopartículas tienen un pico de resonancia de plasmón a 520 nm lo que limita su utilidad in vivo debido a la alta turbidez tejido en este intervalo espectral. Además, las nanopartículas magneto-plasmónica producidos por los protocolos actuales se limitan a un solo 11 o pocos (menos de 10) 14,15 mitades superparamagnéticas (por ejemplo, nanopartículas de óxido de hierro) que es significativamente menor que podría ser ACHieved en una nanoestructura densamente poblado. Por ejemplo, una nanopartícula esférica de 60 nm de diámetro densamente poblado puede contener del orden de un millar de 6 nanopartículas superparamagnéticas nm. Por lo tanto, hay una gran sala para mejorar las propiedades magnéticas de las nanopartículas híbridas. Por otra parte, algunos de los protocolos descritos anteriormente son relativamente complejos y requieren optimización cuidadosa para evitar la agregación de partículas durante la síntesis de 14,15. Aquí se describe un protocolo para la síntesis de nanopartículas magneto-plasmónica con un fuerte momento magnético y una fuerte absorbancia NIR que aborda las principales limitaciones de la técnica actual. La síntesis tiene sus orígenes en el método 16 microemulsión de aceite en agua. Se basa en el montaje de las nanopartículas de un tamaño deseado de unas partículas primarias mucho más pequeñas. Este enfoque ha sido utilizado con éxito para producir nanoestructuras de un solo material, como oro, óxido de hierro, y pri semiconductormary partículas 16. Nos extendió a la síntesis de nanopartículas magneto-plasmónica por, primero, haciendo que las partículas de núcleo de óxido de concha de oro diámetro de 6 nm / hierro y, a continuación, el montaje de las partículas híbridas primarios en la nanoestructura esférica final. Montaje de partículas primarias en nanoclusters no sólo permite la mejora de las propiedades de las nanopartículas constituyentes, tales como el logro de un momento magnético más fuerte, mientras que la preservación de propiedades superparamagnéticas, pero también se aprovecha de las interacciones entre las nanopartículas individuales creando así nuevas características ausentes de las nanopartículas constituyentes, tales como fuerte absorbancia óptica en la ventana de NIR. Este protocolo produce nanopartículas híbridas con una alta densidad de funcionalidades magnéticas y plasmónica. Después de partículas primarias se sintetizan, nuestro método es esencialmente una reacción de una etapa simple. La fuerza total de resonancia de plasmón y momento magnético son determinados por un número de partículas primarias y, therntes, puede ser fácilmente optimizada en función de una aplicación. Además, también hemos desarrollado un procedimiento para la conjugación del anticuerpo a las nanopartículas híbridas para diversas aplicaciones biomédicas que requieren orientación específica molecular. Los anticuerpos están unidos a través de la fracción Fc dejando la porción Fab que es responsable de la unión disponibles para la orientación antígeno.

<table><tbody><tr><td>PYREX 50 ml round bottom boiling flask with short neck &amp;amp; 24/40 [ST] joint</td><td>Corning</td><td>4320A-50</td><td>Thermal decomposition reaction</td></tr><tr><td>PYREX 41 x 300 mm 5-bulb Allihn condenser with 24/40 [ST] outer/inner joints</td><td>Corning</td><td>2480-300</td><td>Thermal decomposition reaction</td></tr><tr><td>Silicone oil</td><td>Fisher</td><td>S159-500</td><td>Oil bath</td></tr><tr><td>Hot plate stirrer</td><td>Corning</td><td>PC-351</td><td>Heat the reacton with stirring function</td></tr><tr><td>Thermometer</td><td>ThermoWorks</td><td>221-092</td><td>Measure temperature</td></tr><tr><td>Iron(III) acetylacetonate</td><td>Fisher</td><td>AC11913-0250</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Oleic acid 99%</td><td>Fisher</td><td>A195-500</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Gold(III) acetate</td><td>Fisher</td><td>AA3974206</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Hexane</td><td>Fisher</td><td>H292-1</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Phenyl ether 99%</td><td>Fisher</td><td>AC13060-0025</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>1,2-Hexadecanediol 90%</td><td>Sigma</td><td>213748-50G</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Oleylamine 70%</td><td>Sigma</td><td>O7805-100G</td><td>Material for primary hybrid nanoparticles synthesis</td></tr><tr><td>Sodium dodecyl sulfate</td><td>Fisher</td><td>BP166-100</td><td>Cluster synthesis</td></tr><tr><td>Sodium citrate dihydrate</td><td>Sigma</td><td>W302600</td><td>Cluster synthesis</td></tr><tr><td>Monoclonal anti-EGF receptor antibody</td><td>Sigma</td><td>E2156</td><td>Cell labeling specificity test</td></tr><tr><td>Monoclonal anti-HER2 antibody</td><td>Sigma</td><td>AMAB90627</td><td>Cell labeling specificity test</td></tr><tr><td>Sodium periodate</td><td>Sigma</td><td>311448</td><td>Oxidate Fc region of antibodies</td></tr><tr><td>Dithiolaromatic PEG6-CONHNH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>SensoPath Technologies</td><td>SPT-0014B</td><td>Heterofunctional linker for antibody conjugation to nanoclusters</td></tr><tr><td>Methoxy-PEG-thiol, 5 k</td><td>Creative PEGworks</td><td>PLS-604</td><td>Passivate the remaining gold surface after antibody conjugation</td></tr><tr><td>Amicon Ultra-4 centrifugal filter unit with Ultracel-10 membrane</td><td>Millipore</td><td>UFC801008</td><td>Protein purification</td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma</td><td>H3375</td><td>Buffer</td></tr><tr><td>PBS, 1x solution</td><td>Fisher</td><td>BP2438-20</td><td>Buffer</td></tr><tr><td>UV-Vis spectroscopy</td><td>BioTek&amp;nbsp;</td><td>Synergy HT</td><td>Obtain spectrum</td></tr><tr><td>Centrifuge</td><td>Eppendorf</td><td>5810R</td><td>Separation</td></tr><tr><td>Transmission Electron Microscope</td><td>FEI</td><td>TECNAI G2 F20 X-TWIN</td><td>Obtain morphology of nanostructures</td></tr><tr><td>Upright microscope</td><td>Leica</td><td>DM6000</td><td>Obtain dark-field images</td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson</td><td>1510</td><td>Sonication</td></tr><tr><td>Carbon film 300 mesh grid</td><td>EMS</td><td>CF300-Cu</td><td>TEM imaging</td></tr><tr><td>96-well plate</td><td>Corning</td><td>09-761-145</td><td>UV-Vis reading plate</td></tr></tbody></table>

synthesis of immunotargeted magneto-plasmonic nanoclusters

Propiedades magnéticas y plasmónicas combinados en una sola nanopartícula proporcionan una sinergia que es ventajoso en un número de aplicaciones biomédicas, incluyendo la mejora del contraste en nuevas modalidades de imagen magnetomotrices, captura simultánea y la detección de células tumorales circulantes (CTC), y la imagen molecular multimodal combinada con la terapia fototérmica de las células cancerosas. Estas aplicaciones han fomentado el interés en el desarrollo de protocolos para la síntesis de nanopartículas magneto-plasmónica con absorción óptica en la región del infrarrojo cercano (NIR) y un fuerte momento magnético. Aquí, se presenta un protocolo novedoso para la síntesis de tales nanopartículas híbridas que se basa en un método de microemulsión de aceite en agua. La característica única del protocolo descrito en este documento es la síntesis de nanopartículas magneto-plasmónica de diversos tamaños de los bloques primarios que también tienen características magneto-plasmónicas. Este enfoque produce nanopartículas con una alta densidad de funcionalidades magnéticos y plasmónicas que se distribuyen de manera uniforme en todo el volumen de nanopartículas. Las nanopartículas híbridas pueden ser fácilmente funcionalizados mediante la unión de anticuerpos a través de la fracción Fc dejando la porción Fab que es responsable de la unión disponibles para la orientación antígeno.

Un esquema para la síntesis de nanoclusters magneto-plasmónica immunotargeted se muestra en la Figura 2. Primer lugar, magnéticos Fe 3 O 4 nanopartículas de óxido de hierro se sintetizan a través de método de descomposición térmica. Entonces, una cáscara delgada de oro alrededor de 1 nm se deposita sobre las partículas de núcleo de óxido de hierro a través de la descomposición térmica. Las nanopartículas híbridas primaria ca. 6 nm sirven...

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Synthesis of Immunotargeted Magneto-plasmonic Nanoclusters

Aquí se describe un protocolo para la síntesis de nanopartículas magneto-plasmónica con un fuerte momento magnético y un fuerte en el infrarrojo cercano (NIR) absorbancia. El protocolo también incluye conjugación de anticuerpos a las nanopartículas a través de la fracción Fc para diversas aplicaciones biomédicas que requieren orientación específica molecular.

Nanoclusters Síntesis de Immunotargeted Magneto-plasmónica

Magnetic and plasmonic properties combined in a single nanoparticle provide a synergy that is advantageous in a number of biomedical applications ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

15.2K vistas.  University of Texas at Austin.  Aquí se describe un protocolo para la síntesis de nanopartículas magneto-plasmónica con un fuerte momento magnético y un fuerte en el infrarrojo cercano (NIR) absorbancia. El protocolo también incluye conjugación de anticuerpos a las nanopartículas a través de la fracción Fc para diversas aplicaciones biomédicas que requieren orientación específica molecular. 

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Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

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.

Plasmonic tweezers and photonic crystal nanostructures are shown to produce useful enhancements in the efficiency and orientation control of optically trapping micro- and nano-particles.

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

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

Investigación

Bioingeniería

Synthesis, Characterization, and Functionalization of Hybrid Au/CdS and Au/ZnS Core/Shell Nanoparticles

Plasmonic nanoparticles are an attractive material for light harvesting applications due to their easily modified surface, high surface area and large extinction coefficients which can be tuned across the visible spectrum. Research into the plasmonic enhancement of optical transitions has become popular, due to the possibility of altering and in some cases improving photo-absorption or emission properties of nearby chromophores such as molecular dyes or quantum dots. The electric field of the plasmon can couple with the excitation dipole of a chromophore, perturbing the electronic states involved in the transition and leading to increased absorption and emission rates. These enhancements can also be negated at close distances by energy transfer mechanism, making the spatial arrangement of the two species critical. Ultimately, enhancement of light harvesting efficiency in plasmonic solar cells could lead to thinner and, therefore, lower cost devices. The development of hybrid core/shell particles could offer a solution to this issue. The addition of a dielectric spacer between a gold nanoparticles and a chromophore is the proposed method to control the exciton plasmon coupling strength and thereby balance losses with the plasmonic gains. A detailed procedure for the coating of gold nanoparticles with CdS and ZnS semiconductor shells is presented. The nanoparticles show high uniformity with size control in both the core gold particles and shell species allowing for a more accurate investigation into the plasmonic enhancement of external chromophores.

The synthesis of uniform gold nanoparticles coated with semiconductor shells of CdS or ZnS is performed. The semiconductor coating is conducted by first depositing a silver sulfide shell and exchanging the silver cations for zinc or cadmium cations.

Síntesis, caracterización y funcionalización de híbridos Au / CdS y Au / ZnS Core / Shell nanopartículas

Plasmonic nanoparticles are an attractive material for light harvesting applications due to their easily modified surface, high surface area and large ...

Química

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to neutral gold Au(0) by reducing agents, such as sodium citrate or sodium borohydride. The extension of this method to decorate iron oxide or similar nanoparticles with gold nanoparticles to create multifunctional hybrid Fe2O3-Au nanoparticles is straightforward. This approach yields fairly good control over Au nanoparticle dimensions and loading onto Fe2O3. Additionally, the Au metal size, shape, and loading can easily be tuned by changing experimental parameters (e.g., reactant concentrations, reducing agents, surfactants, etc.). An advantage of this procedure is that the reaction can be done in air or water, and, in principle, is amenable to scaling up. The use of such optically tunable Fe2O3-Au nanoparticles for hyperthermia studies is an attractive option as it capitalizes on plasmonic heating of gold nanoparticles tuned to absorb light strongly in the VIS-NIR region. In addition to its plasmonic effects, nanoscale Au provides a unique surface for interesting chemistries and catalysis. The Fe2O3 material provides additional functionality due to its magnetic property. For example, an external magnetic field could be used to collect and recycle the hybrid Fe2O3-Au nanoparticles after a catalytic experiment, or alternatively, the magnetic Fe2O3 can be used for hyperthermia studies through magnetic heat induction. The photothermal experiment described in this report measures bulk temperature change and nanoparticle solution mass loss as functions of time using infrared thermocouples and a balance, respectively. The ease of sample preparation and the use of readily available equipment are distinct advantages of this technique. A caveat is that these photothermal measurements assess the bulk solution temperature and not the surface of the nanoparticle where the heat is transduced and the temperature is likely to be higher.

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

We describe the synthesis and properties of multifunctional Fe2O3-Au nanoparticles produced by a wet chemical approach and investigate their photothermal properties using laser irradiation. The composite Fe2O3-Au nanoparticles retain the properties of both materials, creating a multifunctional structure with excellent magnetic and plasmonic properties.

Multifuncional híbrido Fe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; -Au Nanopartículas para la calefacción eficiente plasmónicas

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to ...

Ingeniería

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic nanoscale patch antennas. This includes a detailed procedure for the fabrication of thin films with a well-controlled thickness over macroscopic areas using layer-by-layer deposition of polyelectrolyte polymers, namely poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and polystyrene sulfonate (PSS). These polyelectrolyte spacer layers serve as a dielectric gap in between silver nanocubes and a gold film. By controlling the size of the nanocubes or the gap thickness, the plasmon resonance can be tuned from about 500 nm to 700 nm. Next, we demonstrate how to incorporate organic sulfo-cyanine5 carboxylic acid (Cy5) dye molecules into the dielectric polymer gap region of the nanopatch antennas. Finally, we show greatly enhanced fluorescence of the Cy5 dyes by spectrally matching the plasmon resonance with the excitation energy and the Cy5 absorption peak. The method presented here enables the fabrication of plasmonic nanopatch antennas with well-controlled dimensions utilizing colloidal synthesis and a layer-by-layer dip-coating process with the potential for low cost and large-scale production. These nanopatch antennas hold great promise for practical applications, for example in sensing, ultrafast optoelectronic devices and for high-efficiency photodetectors.

A protocol for the colloidal synthesis of silver nanocubes and fabrication of plasmonic nanoscale patch antennas with sub-10 nm gaps is presented.

Coloidal Síntesis de Nanopatch antenas para aplicaciones en Plasmonics y Nanofotónica

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing in combination with new nanofabrication techniques. A plasmon is a quantum of charge density oscillation that lends nanoscale metals such as gold and silver unique optical properties. In particular, gold and silver nanoparticles exhibit localized surface plasmon resonances-collective charge density oscillations on the surface of the nanoparticle-in the visible spectrum. Here, we focus on the fabrication of periodic arrays of anisotropic plasmonic nanostructures. These half-shell (or nanocup) structures can exhibit additional unique light-bending and polarization-dependent optical properties that simple isotropic nanostructures cannot. Researchers are interested in the fabrication of periodic arrays of nanocups for a wide variety of applications such as low-cost optical devices, surface-enhanced Raman scattering, and tamper indication. We present a scalable technique based on colloidal lithography in which it is possible to easily fabricate large periodic arrays of nanocups using spin-coating and self-assembled commercially available polymeric nanospheres. Electron microscopy and optical spectroscopy from the visible to near-infrared (near-IR) was performed to confirm successful nanocup fabrication. We conclude with a demonstration of the transfer of nanocups to a flexible, conformal adhesive film.

We demonstrate the fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithographic techniques and discuss the importance of nanoplasmonic films.

Fabricación de matrices Nanocup oro periódicas usando litografía coloidal

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

Enrich and Expand Rare Antigen-specific T Cells with Magnetic Nanoparticles

We have developed a tool to both enrich and expand antigen-specific T cells. This can be helpful in cases such as to A) detect the existence of antigen-specific T cells, B) probe the dynamics of antigen-specific responses, C) understand how antigen-specific responses affect disease state such as autoimmunity, D) demystify heterogeneous responses for antigen-specific T cells, or E) utilize antigen-specific cells for therapy. The tool is based on a magnetic particle that we conjugate antigen-specific and T cell co-stimulatory signals, and that we term as artificial antigen presenting cells (aAPCs). Consequently, since the technology is simple to produce, it can easily be adopted by other laboratories; thus, our purpose here is to describe in detail the fabrication and subsequent use of the aAPCs. We explain how to attach antigen-specific and co-stimulatory signals to the aAPCs, how to utilize them to enrich for antigen-specific T cells, and how to expand antigen-specific T cells. Furthermore, we will highlight engineering design considerations based on experimental and biological information of our experience with characterizing antigen-specific T cells.

Antigen-specific T cells are difficult to characterize or utilize in therapies due to their extremely low frequency. Herein, we provide a protocol to develop a magnetic particle which can bind to antigen-specific T cells to enrich these cells and then to expand them several hundred-fold for both characterization and therapy.

Enriquecer y ampliar las células T específicas de antígeno raro con nanopartículas magnéticas

We have developed a tool to both enrich and expand antigen-specific T cells. This can be helpful in cases such as to A) detect the existence of ...

Cell Labeling and Targeting with Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles

Targeted delivery of cells and therapeutic agents would benefit a wide range of biomedical applications by concentrating the therapeutic effect at the target site while minimizing deleterious effects to off-target sites. Magnetic cell targeting is an efficient, safe, and straightforward delivery technique. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) are biodegradable, biocompatible, and can be endocytosed into cells to render them responsive to magnetic fields. The synthesis process involves creating magnetite (Fe3O4) nanoparticles followed by high-speed emulsification to form a poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) coating. The PLGA-magnetite SPIONs are approximately 120 nm in diameter including the approximately 10 nm diameter magnetite core. When placed in culture medium, SPIONs are naturally endocytosed by cells and stored as small clusters within cytoplasmic endosomes. These particles impart sufficient magnetic mass to the cells to allow for targeting within magnetic fields. Numerous cell sorting and targeting applications are enabled by rendering various cell types responsive to magnetic fields. SPIONs have a variety of other biomedical applications as well including use as a medical imaging contrast agent, targeted drug or gene delivery, diagnostic assays, and generation of local hyperthermia for tumor therapy or tissue soldering.

Targeted cell delivery is useful in a variety of biomedical applications. The goal of this protocol is to use superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) to label cells and thereby enable magnetic cell targeting approaches for a high degree of control over cell delivery and localization.

Etiquetado Celular y Orientación con superparamagnético nanopartículas de óxido de hierro

Targeted delivery of cells and therapeutic agents would benefit a wide range of biomedical applications by concentrating the therapeutic effect at the ...

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical lattice consists of an array of nanostructures, which exhibit a variety of trapping and transport behaviors. We report the experimental procedures to trap micro-particles in a simple square nanoplasmonic optical lattice. We also describe the optical setup and the nanofabrication of a nanoplasmonic array. The optical potential is created by illuminating an array of gold nanodiscs with a Gaussian beam of 980 nm wavelength, and exciting plasmon resonance. The motion of particles is monitored by fluorescence imaging. A scheme to suppress photothermal convection is also described to increase usable optical power for optimal trapping. Suppression of convection is achieved by cooling the sample to a low temperature, and utilizing the near-zero thermal expansion coefficient of a water medium. Both single particle transport and multiple particle trapping are reported here.

We describe a procedure to optically trap micro-particles in nanoplasmonic optical lattice.

Captura de partículas Micro en enrejado óptico Nanoplasmonic

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical ...

Synthesis of Near-Infrared Emitting Gold Nanoclusters for Biological Applications

Over the past decade, fluorescent gold nanoclusters (AuNCs) have witnessed growing popularity in biological applications and enormous efforts have been devoted to their development. In this protocol, a recently developed, facile method for preparation of water soluble, biocompatible, and colloidally stable near-infrared emitting AuNCs have been described in detail. This room-temperature, bottom-up chemical synthesis provides easily functionalizable AuNCs capped with thioctic acid and thiol-modified polyethylene glycol in aqueous solution. The synthetic approach requires neither organic solvents or additional ligand exchange nor extensive knowledge of synthetic chemistry to reproduce. The resulting AuNCs offer free surface carboxylic acids, which can be functionalized with various biological molecules bearing a free amine group without adversely affecting the photoluminescent properties of the AuNCs. A quick, reliable procedure for flow cytometric quantification and confocal microscopic imaging of AuNC uptake by HeLa cells also been described. Due to the large Stokes shift, proper setting of filters in flow cytometry and confocal microscopy is necessary for efficient detection of near-infrared photoluminescence of AuNCs.

A reliable and easily reproducible method for preparation of functionalizable, near-infrared emitting photoluminescent gold nanoclusters and their direct detection inside HeLa cells by flow cytometry and confocal laser scanning microscopy is described.

Síntesis de nanoclusters de oro de emisión de infrarrojo cercano para aplicaciones biológicas

Over the past decade, fluorescent gold nanoclusters (AuNCs) have witnessed growing popularity in biological applications and enormous efforts have been ...

Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has been challenged. Here, we fabricate iron oxide nanoparticle shelled microbubbles (NSMs) through self-assembly, synergizing magnetic, acoustic, and optical responsiveness in one nanotherapeutic platform. Iron oxide nanoparticles serve as both magnetic and photothermal agents. Once intravenously injected, NSMs can be magnetically guided to the tumor site. Ultrasound triggers the release of iron oxide nanoparticles, facilitating the penetration of nanoparticles deep into the tumor due to the cavitation effect of microbubbles. Thereafter, magnetic hyperthermia and photothermal therapy can be performed on the tumor for combinational cancer therapy, a solution for cancer resistance due to the tumor heterogeneity. In this protocol, the synthesis and characterization of NSMs including structural, chemical, magnetic and acoustic properties were performed. In addition, the anti-cancer efficacy by thermal therapy was investigated using in vitro cell cultures. The proposed delivery strategy and combination therapy holds great promise in cancer treatment to improve both delivery and anticancer efficacies.

Presented here is a protocol for the fabrication of iron oxide nanoparticle-shelled microbubbles (NSMs) through self-assembly, synergizing magnetic, acoustic, and optical responsiveness in one nanotherapeutic platform for magnetic hyperthermia and photothermal combination cancer therapy.

Microburbujas magnéticas, acústicas y ópticas de triple respuesta para la hipertermia magnética y la terapia combinada de cáncer potototérmico

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has ...