Name: construction and operation of a light-driven gold nanorod rotary motor system
Uploaded: 2018-06-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System at JoVE.com

この作品は、クヌートとアリス バレンベリー財団、スウェーデン研究評議会、事前ナノサイエンスとナノテクノロジーのチャルマーズ エリアによって支えられました。

<ol>
	<li>Andr&#233;n, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+photothermal+effects+on+optically+trapped+gold+nanorods+by+simultaneous+plasmon+spectroscopy+and+brownian+dynamics+analysis.">Probing photothermal effects on optically trapped gold nanorods by simultaneous plasmon spectroscopy and brownian dynamics analysis.</a> ACS Nano. 11 (10), 10053-10061 (2017).</li><li>Shao, L., Yang, Z. -. J., Andr&#233;n, D., Johansson, P., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanorod+rotary+motors+driven+by+resonant+light+scattering.">Gold nanorod rotary motors driven by resonant light scattering.</a> ACS Nano. 9 (12), 12542-12551 (2015).</li><li>Lehmuskero, A., Ogier, R., Gschneidtner, T., Johansson, P., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+spinning+of+gold+nanoparticles+in+water+using+circularly+polarized+light.">Ultrafast spinning of gold nanoparticles in water using circularly polarized light.</a> Nano Letters. 13 (7), 3129-3134 (2013).</li><li>&#352;&#237;pov&#225;, H., Shao, L., Odebo L&#228;nk, N., Andr&#233;n, D., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photothermal+DNA+release+from+laser-tweezed+individual+gold+nanomotors+driven+by+photon+angular+momentum.">Photothermal DNA release from laser-tweezed individual gold nanomotors driven by photon angular momentum.</a> ACS Photonics. , (2018).</li><li>Hajizadeh, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brownian+fluctuations+of+an+optically+rotated+nanorod.">Brownian fluctuations of an optically rotated nanorod.</a> Optica. 4 (7), 746-751 (2017).</li><li>Tong, L., Miljkovic, V. D., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alignment,+rotation,+and+spinning+of+single+plasmonic+nanoparticles+and+nanowires+using+polarization+dependent+optical+forces.">Alignment, rotation, and spinning of single plasmonic nanoparticles and nanowires using polarization dependent optical forces.</a> Nano Letters. 10 (1), 268-273 (2009).</li><li>Lehmuskero, A., Li, Y., Johansson, P., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmonic+particles+set+into+fast+orbital+motion+by+an+optical+vortex+beam.">Plasmonic particles set into fast orbital motion by an optical vortex beam.</a> Optics Express. 22 (4), 4349-4356 (2014).</li><li>Lehmuskero, A., Johansson, P., Rubinsztein-Dunlop, H., Tong, L., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+trapping+of+colloidal+metal+nanoparticles.">Laser trapping of colloidal metal nanoparticles.</a> ACS Nano. 9 (4), 3453-3469 (2015).</li><li>Shao, L., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-driven+rotation+of+plasmonic+nanomotors.">Light-driven rotation of plasmonic nanomotors.</a> Advanced Functional Materials. , (2018).</li><li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles.">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Optics letters. 11 (5), 288-290 (1986).</li><li>Neuman, K. C., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping.">Optical trapping.</a> Review of scientific instruments. 75 (9), 2787-2809 (2004).</li><li>Chu, S., Hollberg, L., Bjorkholm, J. E., Cable, A., Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+viscous+confinement+and+cooling+of+atoms+by+resonance+radiation+pressure.">Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure.</a> Physical Review Letters. 55 (1), 48 (1985).</li><li>Svoboda, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+of+metallic+Rayleigh+particles.">Optical trapping of metallic Rayleigh particles.</a> Optics Letters. 19 (13), 930-932 (1994).</li><li>Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stretching+DNA+with+optical+tweezers.">Stretching DNA with optical tweezers.</a> Biophysical journal. 72 (3), 1335-1346 (1997).</li><li>Friese, M. E. J., Nieminen, T. A., Heckenberg, N. R., Rubinsztein-Dunlop, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+alignment+and+spinning+of+laser-trapped+microscopic+particles.">Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles.</a> Nature. 394 (6691), 348-350 (1998).</li><li>Gao, W., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthetic+micro/nanomotors+in+drug+delivery.">Synthetic micro/nanomotors in drug delivery.</a> Nanoscale. 6 (18), 10486-10494 (2014).</li><li>Li, M., Lohm&#252;ller, T., Feldmann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+injection+of+gold+nanoparticles+into+living+cells.">Optical injection of gold nanoparticles into living cells.</a> Nano Letters. 15 (1), 770-775 (2014).</li><li>Nelson, B. J., Kaliakatsos, I. K., Abbott, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microrobots+for+minimally+invasive+medicine.">Microrobots for minimally invasive medicine.</a> Annual review of biomedical engineering. 12, 55-85 (2010).</li><li>Balk, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kilohertz+rotation+of+nanorods+propelled+by+ultrasound,+traced+by+microvortex+advection+of+nanoparticles.">Kilohertz rotation of nanorods propelled by ultrasound, traced by microvortex advection of nanoparticles.</a> ACS Nano. 8 (8), 8300-8309 (2014).</li><li>Chen, H., Shao, L., Li, Q., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanorods+and+their+plasmonic+properties.">Gold nanorods and their plasmonic properties.</a> Chemical Society Reviews. 42 (7), 2679-2724 (2013).</li><li>Maier, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Plasmonics: fundamentals and applications. , (2007).</li><li>Xu, H., Bjerneld, E. J., K&#228;ll, M., B&#246;rjesson, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectroscopy+of+single+hemoglobin+molecules+by+surface+enhanced+Raman+scattering.">Spectroscopy of single hemoglobin molecules by surface enhanced Raman scattering.</a> Physical Review Letters. 83 (21), 4357 (1999).</li><li>Chen, H., Kou, X., Yang, Z., Ni, W., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape-and+size-dependent+refractive+index+sensitivity+of+gold+nanoparticles.">Shape-and size-dependent refractive index sensitivity of gold nanoparticles.</a> Langmuir. 24 (10), 5233-5237 (2008).</li><li>Ruijgrok, P. V., Verhart, N. R., Zijlstra, P., Tchebotareva, A. L., Orrit, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brownian+fluctuations+and+heating+of+an+optically+aligned+gold+nanorod.">Brownian fluctuations and heating of an optically aligned gold nanorod.</a> Physical Review Letters. 107 (3), 037401 (2011).</li><li>Pelton, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+alignment+of+single+gold+nanorods+by+using+plasmon+resonances.">Optical trapping and alignment of single gold nanorods by using plasmon resonances.</a> Optics Letters. 31 (13), 2075-2077 (2006).</li><li>Hansen, P. M., Bhatia, V. K., Harrit, N., Oddershede, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Expanding+the+optical+trapping+range+of+gold+nanoparticles.">Expanding the optical trapping range of gold nanoparticles.</a> Nano Letters. 5 (10), 1937-1942 (2005).</li><li>Ni, W., Ba, H., Lutich, A. A., J&#228;ckel, F., Feldmann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancing+Single-Nanoparticle+Surface-Chemistry+by+Plasmonic+Overheating+in+an+Optical+Trap.">Enhancing Single-Nanoparticle Surface-Chemistry by Plasmonic Overheating in an Optical Trap.</a> Nano Letters. 12 (9), 4647-4650 (2012).</li><li>Liu, M., Zentgraf, T., Liu, Y., Bartal, G., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-driven+nanoscale+plasmonic+motors.">Light-driven nanoscale plasmonic motors.</a> Nature nanotechnology. 5 (8), 570-573 (2010).</li><li>Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-optical+control+of+microfluidic+components+using+form+birefringence.">All-optical control of microfluidic components using form birefringence.</a> Nature Materials. 4 (7), 530-533 (2005).</li><li>Jones, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rotation+detection+in+light-driven+nanorotors.">Rotation detection in light-driven nanorotors.</a> ACS Nano. 3 (10), 3077-3084 (2009).</li><li>Bonin, K. D., Kourmanov, B., Walker, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+torque+nanocontrol,+nanomotors+and+nanorockers.">Light torque nanocontrol, nanomotors and nanorockers.</a> Optics Express. 10 (19), 984-989 (2002).</li><li>Arita, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rotational+dynamics+and+heating+of+trapped+nanovaterite+particles.">Rotational dynamics and heating of trapped nanovaterite particles.</a> ACS Nano. 10 (12), 11505-11510 (2016).</li><li>Lee, Y. E., Fung, K. H., Jin, D., Fang, N. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+torque+from+enhanced+scattering+by+multipolar+plasmonic+resonance.">Optical torque from enhanced scattering by multipolar plasmonic resonance.</a> Nanophotonics. 3 (6), 343-350 (2014).</li><li>Kyrsting, A., Bendix, P. M., Stamou, D. G., Oddershede, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+profiling+of+three-dimensionally+optically+trapped+gold+nanoparticles+using+vesicle+cargo+release.">Heat profiling of three-dimensionally optically trapped gold nanoparticles using vesicle cargo release.</a> Nano Letters. 11 (2), 888-892 (2010).</li><li>Andres-Arroyo, A., Wang, F., Toe, W. J., Reece, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+heating+in+optically+trapped+au+nanoparticles+measured+by+dark-field+spectroscopy.">Intrinsic heating in optically trapped au nanoparticles measured by dark-field spectroscopy.</a> Biomedical Optics Express. 6 (9), 3646-3654 (2015).</li><li>Ye, X., Zheng, C., Chen, J., Gao, Y., Murray, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+binary+surfactant+mixtures+to+simultaneously+improve+the+dimensional+tunability+and+monodispersity+in+the+seeded+growth+of+gold+nanorods.">Using binary surfactant mixtures to simultaneously improve the dimensional tunability and monodispersity in the seeded growth of gold nanorods.</a> Nano Letters. 13 (2), 765-771 (2013).</li><li>Arias-Gonz&#225;lez, J. R., Nieto-Vesperinas, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+forces+on+small+particles:+attractive+and+repulsive+nature+and+plasmon-resonance+conditions.">Optical forces on small particles: attractive and repulsive nature and plasmon-resonance conditions.</a> JOSA A. 20 (7), 1201-1209 (2003).</li><li>Berg-S&#246;rensen, K., Flyvbjerg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power+spectrum+analysis+for+optical+tweezers.">Power spectrum analysis for optical tweezers.</a> Review of Scientific Instruments. 75 (3), 594-612 (2004).</li><li>Gittes, F., Schmidt, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interference+model+for+back-focal-plane+displacement+detection+in+optical+tweezers.">Interference model for back-focal-plane displacement detection in optical tweezers.</a> Optics Letters. 23 (1), 7-9 (1998).</li><li>Verre, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metasurfaces+and+colloidal+suspensions+composed+of+3D+chiral+Si+nanoresonators.">Metasurfaces and colloidal suspensions composed of 3D chiral Si nanoresonators.</a> Advanced Materials. 29 (29), (2017).</li><li>Verre, R., Odebo L&#228;nk, N., Andr&#233;n, D., &#352;&#237;pov&#225;, H., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+fabrication+of+shaped+high+index+dielectric+nanoparticles+on+a+substrate+and+in+solution.">Large-scale fabrication of shaped high index dielectric nanoparticles on a substrate and in solution.</a> Advanced Optical Materials. , (2018).</li></ol>

著者が明らかに何もありません。

このプロトコルで記述されている光学トラップのセットアップは商業倒立顕微鏡周辺や赤色レーザー光を使用しています。ただし、記載されている技術は多目的で、最も商業的または自作顕微鏡、両方直立周り円偏光ピンセットを構築し、反転とのわずかな変化に使用することができます。光学部品および検出器の残りの部分は、この特定の波長で機能する限り、ワイド表示-近赤外スペクトル内トラップ レーザー波長を選択できます。それにもかかわらず、レーザーの波長を選択すると、サイズと操作される粒子の共鳴スペクトル近く考慮すべき光捕捉力と回転性能2、5に影響があるので光熱効果1、およびトラッピング安定性26の大きさ。我々 は以前正常に 660, 785, 830、1064 nm のレーザー光の波長を用いた円偏波レーザー ピンセットで働いています。
光学トラップのセットアップの最も重要なコンポーネントの 1 つは、対物レンズです。このプロトコルの目的は NA と乾燥系対物レンズ = 0.95。乾燥系対物レンズの使用は実験的、セットアップの簡単な実現しかし、それは、サンプル細胞インターフェイスの屈折による収差に します。今回のケースでは、結果は回折限界 (~0.4 μ m) と比較してわずかに拡大フォーカス スポット (~1.2 μ m) が、これはプラットフォームの一般的なまたはロータリー パフォーマンス大幅変わりません。プリンシパル、顕微鏡対物レンズの広い範囲を使用、トラッピング波長、良い偏光メンテナンスおよび顕微鏡カバー スリップと水の層を介してトラップを実行するのに十分な長さの作動距離で良好な伝送を持って提供することができます。2 D トラップの場合 NA でき比較的低が実験全体が簡単になりますフォーカスで円偏波クリーナーを提供します。ただし、高いレーザー高 NA 対物の場合よりも必要があります。我々 の経験では、トラッピング、最高のパフォーマンスで回転と暗視野の分光は、NA 0.7-0.95 の目的で取得されますが高いと同様に低 NA の目標を使用することが可能です。
回転運動の相関測定良い光子を取得、高速単一ピクセル検出器が必要です。少なくとも 2 つの帯域幅を検出器の選択、シェープファクター縮退とトラッピング波長に高い感度を乗じた予想回転数以上できれば 10 回使用します。増幅された Si 受光素子、単一光子計数 Apd、および光電子増倍管は、当社の研究所で異なる設定で成功を収めて使用されています。計測・粒子の並進変位パワー スペクトル解析5など十分に確立された技術を使用して分析し、たとえばトラップ剛性上の追加情報を取得できます。以前の出版物の数は、この技術38,39の異なる亜種をについて説明します。DF 分光法は、様々 なフリー スペースを使用して実行できますまたはファイバー結合分光と選択計画の研究に必要な時間分解能の波長とスペクトルの範囲に基づく必要があります。
トラップ実験を実行すると、追加のパーティクルは誤ってトラップを入力可能性があります。これは、障害により強く変動回転周波数を監視することで検出できます。DF 顕微鏡による目視検査が追加の粒子の存在を確認する使用できます、その場合さらに妨害を避けるために舞台を移動できるまたは実験は、再起動する必要があります。
上記システムは、2 D の閉じ込めと金属ナノ粒子の回転を実現するためにシンプルかつ効率的な方法です。ただし、一部のアプリケーション、3 D トラップに付属している操作のための余分な自由度が重要ですは、現在の構成制限。ただし、3次元閉じ込めと回転可能性があります達成可能なレーザー ピンセットやエキゾチックなトラップ構成を反映するカウンターを用いた。
粒子とシステムのパラメーターは、ここで説明は、4~ 15 K の下に暖房光熱を減らすように最適化することができます。、温度上昇の金属ナノ粒子のプラズモン励起に関連付けられている特定の問題が発生することができます。アプリケーション。さらに熱を低減可能なルートは、プラズモニック粒子ではなく高指数誘電体ナノ粒子を使用することです。このような粒子は強い三重型散乱光の共振をサポートが、同時に低固有の吸収係数を示します。我々 は最近この点40,41に有用証明するかもしれないコロイド状共振 Si のナノ粒子を製造することができた。

この記事で紹介した方法は、金ナノロッドの光駆動モータに影響を及ぼすナノスケール光熱効果を研究する私たちの前の作業1で使用されているレプリケートします。実験プラットフォームの亜種がいくつか出版物を関連付けた2,3,4,5,6,7,8、で使用されています9。
光ピンセットは広く物理学、生物学、工学10、11,12,13,14 の小さい長さのスケールの位置、力および直線的運動量伝達の制御に使用します。.円偏光によって運ばれる角運動量は、それは継続的に閉じ込められたオブジェクト15にトルクを伝達するため追加モーション コントロールを使用できます。組み合わせることで光の線形および角運動量の伝達、それは単一セル16,17ナノスケールに薬物送達などの多様なアプリケーションの可能性と非侵襲的なロータリー ナノモーターを構築することは、手術18、およびアクティブな流体素子19、他の中で。
光駆動操作の対象として金属ナノ粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴 (LSPR) 大きい光横断、環境の変化や大規模なフィールドに高い感度を提供するの利点を活用 1 つ強化20,21,22,23。これはプラズモニクスと光マニピュレーション8,24,25,26,27間界面研究の富をもたらした。LSPR によって提供される強力な光と物質の相互作用は、円偏光レーザー ピンセット、水2でレコードの回転周波数で回転する金属ナノロッドを駆動可能なプラットフォームを設計することになりました。回転ナノロッドのブラウン運動を追跡するには、その環境と温度の詳細については、3、5に取得できます。同時分光分析は、分析のローカル温度の追加独立した情報チャネルと回転ナノロッド1の形態安定性を提供します。システムおよび構成の範囲は勉強、光ピンセット、フィールド15,28,29,30内の重要な洞察力を生成する回転運動を適用するために使用されています。,31,32します。 ただし、これらの研究のほとんどを扱っているオブジェクト直径数 μ m 単一ナノロッドは、ナノメートル サイズの政体にアクセス中です。さらに、時金ナノロッドは、ロータリー ナノモータ、トルクとして使用される効率的に移転主を介して散乱2,33これは捕捉粒子3,34,35の過熱のリスクを減少させます。
次の方法で効率的な光トラッピングと金属ナノ粒子の回転の可能なシステムの構築に必要な手順の概要を説明します。これらの研究において金ナノロッド高散乱断面積、放射圧が伝播方向に取り消さない限り勾配力よりも強いことが判明します。まだ 3 D で粒子を閉じ込めて、ガラス面からのクーロン斥力と伝搬方向のレーザー散乱力バランス力を駆使します。この 2 D トラップ構成標準の 3 D 光学ピンセットと比較すると、トラップ可能な粒子の幅が大きく広がるし、暗視野イメージングと分光と簡単に組み合わせることができます。
閉じ込められ回転金属ナノ粒子はその環境を操作し、この相互作用の詳細については、その動きとスペクトル特性に含まれています。円偏光光ピンセットを構築する方法を説明した後したがってもまとめました回転ダイナミクスを探るため、実験のセットアップでレイリー散乱スペクトルを測定するための計測器を統合する方法。結果は、物理学、化学、生物学におけるナノスケール回転現象の研究のため汎用性の高いプラットフォームです。
このプロトコルでは、研究者に適したコロイド金属ナノ粒子、できれば単一結晶金ナノロッドにアクセスがあることを前提としています。金ナノロッドは、専門にされた会社から購入または湿式化学方法を使用して家の中を合成できます。実験に用いたナノロッドがあなたがたに記載されている種を介した成長法によって作られたet al.201336。形態とナノ粒子の光学特性がよく特徴付けられる、たとえば光消光測定、走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して場合有利です。図 1は、代表ナノロッドの種類1のような測定から記録されたデータを表示します。
プロトコルの概要は以下のとおりです: 最初のセクションで円偏波に基づく光学ピンセットの構築について述べる。2 番目のセクションでその回転力学および散乱特性を記録することによってナノモータから情報を抽出する方法について述べる。ローテーションの頻度と捕捉粒子の回転ブラウン運動によって測定される光子相関分光法を用いた反射レーザー光高速単一ピクセル検出器3の直線偏光子で濾過します。理論的自己相関関数にデータを書き込むことによって回転周波数と回転ブラウン拡散の減衰時間は、抽出された2,3をすることができます。閉じ込められ回転ナノ粒子の光学特性は、粒子とその環境に関する補足情報を提供する暗視野分光法を用いた測定されます。3 番目のセクションでのトラッピングと金ナノロッドの回転実験手順をについて説明します。
ここまで説明されているプロトコルは、ナノ粒子の回転の機能偏光ピンセット システムへの簡単なパスです。しかし、時々 問題が発生する追加の注意を要求します。4 番目のセクションでは、我々 は発生した一般的な問題のいくつかとそれらに対処する方法を概説します。これらの貧しいトラップ安定性 (4.1) につながるナノ粒子の光学特性に関連する問題があります、最適な円偏光ビームスプリッター複屈折 (4.2) によって引き起こされるため回転周波数を低ガラス面にナノ粒子の付着不十分なクーロン斥力 (4.3) と特徴的な自己相関信号 (4.4) からの偏差。

<table><tbody><tr><td>Gold nanoparticles</td><td></td><td></td><td>Purchased or home-grown</td></tr><tr><td>Commersial inverted microscope</td><td>Nikon</td><td>Eclipse TI</td><td></td></tr><tr><td>Trapping laser</td><td>Cobolt</td><td>Flamenco 05-01&amp;nbsp;</td><td>660 nm</td></tr><tr><td>Objective</td><td>Nikon</td><td>CFI Plan Apo Lambda 40X</td><td></td></tr><tr><td>Laser safety googles</td><td>Thorlabs</td><td>LG4</td><td></td></tr><tr><td>Assorted optomechanical components for mounting optics.</td><td></td><td></td><td>A range of mounts, posts and components from any company</td></tr><tr><td>Lens 1 Keplarian telescope</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-035-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Lens 2 Keplarian telescope</td><td>Thorlabs</td><td>LA1725-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Silver coated mirrors</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Kinematic mirror mounts</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>Translation stage</td><td>Thorlabs</td><td>PT1/M</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>50/50 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21000</td><td></td></tr><tr><td>CMOS camera</td><td>Andor</td><td>Zyla 5.5</td><td></td></tr><tr><td>Quarter waveplate (QWP, &amp;lambda;/4)</td><td>Thorlabs</td><td>AQWP05M-600</td><td></td></tr><tr><td>Power meter</td><td>Thorlabs</td><td>PM100USB</td><td></td></tr><tr><td>Photodiode Power Sensors</td><td>Thorlabs</td><td>S121C</td><td></td></tr><tr><td>Linear polarizer</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td>For laser polarization measurement</td></tr><tr><td>360&amp;deg; rotation mount</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>Half waveplate (HWP, &amp;lambda;/2)</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td>Used if polarization is not sufficient with only QWP</td></tr><tr><td>Oil DF condenser</td><td>Nikon</td><td>C-DO Dark Field Condenser Oil&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>30/70 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21009</td><td></td></tr><tr><td>Fast Si detector</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Data Acquisition Module</td><td>National Instruments</td><td>USB-6361</td><td></td></tr><tr><td>Fiber 400 &amp;micro;m core size</td><td>Thorlabs</td><td>M74L01</td><td></td></tr><tr><td>xy-translation mount</td><td>Thorlabs</td><td>LM1XY/M</td><td></td></tr><tr><td>Linear polarizer</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td></td></tr><tr><td>Spectrometer</td><td>Princeton Instruments&amp;nbsp;</td><td>IsoPlane SCT320&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>CCD camera for spectrometer</td><td>Princeton Instruments&amp;nbsp;</td><td>PyLoN&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Notch filter</td><td>Semrock</td><td>NF03-658E-25</td><td></td></tr><tr><td>Notch filter</td><td>Thorlabs</td><td>NF658-26</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic cleaner bath</td><td>Branson</td><td>Branson 3510&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Microscope slide</td><td>Ted Pella</td><td>260202</td><td></td></tr><tr><td>No. 1.5 Coverslips</td><td>VWR</td><td>630-2873</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Basic detergent</td><td>Hellma</td><td>Hellmanex III</td><td>Cleaning if particle sticking is an issue</td></tr><tr><td>Secure-Seal Spacer</td><td>Thermo Fisher</td><td>S24735</td><td>Spacer tape with hole, for making sample cell</td></tr><tr><td>Immersion Oil</td><td>Zeiss</td><td>444960-0000-000&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PS beads</td><td>Microparticles GmbH</td><td>PS-R-5.0</td><td></td></tr><tr><td>Spectrophotometer</td><td>Agilent</td><td>Cary 5000 UV-Vis-NIR</td><td></td></tr><tr><td>SEM</td><td>Zeiss</td><td>Ultra 55 FEG SEM</td><td></td></tr><tr><td>Tweezers</td><td></td><td></td><td>Any brand</td></tr></tbody></table>

construction and operation of a light-driven gold nanorod rotary motor system

生成して回転とナノスケールでトルクを測定する可能性研究と生物と人工ナノモーターのアプリケーションに基本的な関心は、単一細胞解析へ新ルート、非平衡の研究を提供することが熱力学、及びナノスケール システムの機械的作動。ドライブ回転する安易な方法は、ピンセットで円偏光レーザー光を使用します。このアプローチを使用すると、金属ナノ粒子を水で前例のない回転周波数で回転効率の高い散乱駆動ロータリー モーターとして操作できます。
このプロトコルでは、我々 は建設とナノ粒子回転の円偏光の光ピンセットの操作概要し、ブラウン動力学と捕捉粒子のレイリー散乱を記録するために必要なインストルメンテーションを記述します。回転運動と散乱スペクトル、ナノ粒子および直近の環境の特性に独立した情報を提供します。実験プラットフォームは、粘度とナノロッドと分子コーティングの形態学的変化を追跡するためのローカル温度のナノメートル ゲージおよびトランスデューサーと光熱と熱力学的プロセスのプローブとして有用な証明されています。

回転と円偏光レーザー ピンセットで捕捉されて正しく金ナノロッドの回転ブラウン運動は、シングル ピクセル検出器を用いた光散乱強度変動 (図 3 a) を記録することによって検出できます。この信号の自己相関スペクトルには、振動のコンポーネントには、図 3bに示すようが含まれています。これは、理論的な自己相関関数に合うことができます。継ぎ手は、ローテーションの頻度とナノロッドの回転ブラウン変動に関連している自己相関の減衰時間を抽出できます。
プロトコル (4.4.2 命令) で述べたように、光子相関分光法の反射レーザー光を収集するために十分に太い光ファイバーのコアの使用が不可欠です。場合はない場合は、プローブ ボリュームのうち粒子翻訳に関連する追加の崩壊という用語は相関関数に存在する、図 4を参照してください。これはシステムの詳細についてを提供できるを通じて慎重な分析ただし、データに含まれる回転ブラウン動力学の解析が複雑になります。
セクション 3.5 で説明されているように閉じ込められたナノ粒子から正しい DF 散乱スペクトルを取得、生のスペクトル データを校正する必要があります。これは、バック グラウンド スペクトル (図 5 a) と同様、照明ランプのスペクトルを記録することによって行われます。高強度レーザー光に対して、ナノロッドが閉じ込められて、基板などのガラス面に着目したときいくつかの蛍光が発生する可能性が (図 5 aのバック グラウンド スペクトルの赤いスペクトルの貢献を参照してください)。この蛍光汚染は、溶融石英基板を用いた削減できます。しかし、とにかく強くお勧め正しいレーザー パワーで空の光学ピンセットでバック グラウンド スペクトルを記録します。とき散乱スペクトルが記録され、スペクトルは、情報を抽出する bi ローレンツピークプロファイル フィット関数とエネルギー スケールで合うことができるため、実際のナノ粒子散乱に関連していないすべてのスペクトル成分を補償されている関連、LSPR ピーク位置 (図 5 b)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> 図 1: SEM 像とアンサンブル絶滅スペクトルの 2 つのバッチから代表的なナノ粒子、)スケール バーは、200 nm。b)レッド/隣接の SEM イメージ、) それぞれ赤/青のスペクトルに対応します。横と縦の LSPRs に関連するスペクトルのピークが明確に区別できます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> 図 2: ナノ粒子の回転の測定のための光ピンセット セットアップの模式図.レーザー光は平行しケプラー式望遠鏡で拡大し、その後 (M1, M2) 2 つの可動式ミラーを使用して客観的かつビームスプリッター (BS) に誘導。レーザーの経路に 2 波長板は、光学ピンセット (λ/4、λ/2) の円偏光を最適化します。後方散乱のレーザー光は、直線偏光子光子相関分光法と回転ダイナミクス計測後収集できます。レーザー光を取り出したら、散乱白色光が分光計やカメラに導かれます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> 図 3: カーブを持つ代表的な強度と相関データに適した閉じ込められ回転ナノロッド、) 。1 と変動の拡大のプロットの直線偏光子後単一ピクセル検出器によって記録された強度が変動します。b)反射レーザー光から収集された回転金ナノロッド (ブルー ポイント) の強度ゆらぎの Autocorrelated データ。データは、いくつかの期間の後崩壊の振動を示しています。振動減衰は回転ブラウン運動のために対し、ナノロッドの回転周波数に関連しています。A 理論的な自己相関関数にフィットを実行fの回転周波数を抽出する (赤い線) = 24285 ± 45 Hz と相関減衰時間τ0 = 40.9 ± 1.06 μ s。Fとτ0の不確実性は、フィット、0.9877 の定量 (R2) の係数の 95% 信頼区間を表しています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> 図 4: の光子相関分光測定あまりにも小さなプローブ ボリュームの問題、) 。回転金ナノロッドの自己相関データ収集厚 (400 μ m、青いデータ) と、薄い (62.5 μ m、赤のデータ) を使用して光ファイバー。太い繊維を使用して、コレクションを保証、ナノロッドがプローブ ボリューム内で常に限られていることおよび自己相関関数が回転力学のみを測定します。並進ブラウン運動のため追加崩壊用語は、プローブ ボリュームが十分でない場合です。B)とc)、効果の模式図と裏面照射型のコレクション領域の画像を表示します。スケール バーは、2 μ m.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> 図 5: 660 nm のレーザー光により光捕捉された金ナノロッドの模範的な暗視野散乱スペクトル記録します。630 670 nm (1.85 1.97 eV) がトラップ レーザー光を遮断するために必要なノッチ フィルターにより歪んでスペクトルの地域。、)生散乱スペクトル (紺) 粒子の散乱に固有ではないのためにキャリブレーションする必要がありますの機能を表示します。高集束レーザー光によって励起された蛍光を含むバック グラウンド スペクトル (赤)、および白の光励起スペクトルが含まれます (オレンジ、ノッチ フィルターなしで記録された)。キャリブレーション後修正された散乱スペクトル (ライトブルー) は期待どおりに 2 つの異なる LSPR ピークを示しています。矢印は、各スペクトルのスケールを示します。b) (ライトブルー、オレンジ) 成分 (赤) bi ローレンツピークプロファイル モデル関数に合わせると共に閉じ込められたナノロッド (ブルー ポイント) の散乱スペクトル。データのフィッティングで歪んだスペクトル領域を無視して、フィットが 0.9975 のR2 .<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

Watch this Scientific Journal Video about Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System at JoVE.com

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

金ナノロッドのプラズモンを液体の中に閉じ込めし、円偏光の光ピンセットによる kHz の周波数で回転できます。研究と科学のさまざまな分野のアプリケーションのための強力なシステムにつながるブラウン動力学解析と光分光のためのツールを紹介します。

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

construction-operation-light-driven-gold-nanorod-rotary-motor

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Moment of Inertia

Rotation and Rigid Bodies

SCIENTISTS IN ACTION

8.8K ビュー.  Chalmers University of Technology. 金ナノロッドのプラズモンを液体の中に閉じ込めし、円偏光の光ピンセットによる kHz の周波数で回転できます。研究と科学のさまざまな分野のアプリケーションのための強力なシステムにつながるブラウン動力学解析と光分光のためのツールを紹介します。

ビデオ: Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

工学

Preparation of ZnO Nanorod/Graphene/ZnO Nanorod Epitaxial Double Heterostructure for Piezoelectrical Nanogenerator by Using Preheating Hydrothermal

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we describe a one-step fabrication technique to synthesis freestanding ZnO nanorod/graphene/ZnO nanorod double heterostructure. The preparation of the double heterostructure is performed by using thermal chemical vapor deposition (CVD) and preheating hydrothermal technique. In addition, the morphological properties were characterized by using the scanning electron microscopy (SEM). The utility of freestanding double heterostructure is demonstrated by fabricating the piezoelectric nanogenerator. The electrical output is improved up to 200% compared to that of a single heterostructure owing to the coupling effect of the piezoelectricity between the arrays of ZnO nanorods on the top and bottom of graphene. This unique double heterostructure have a tremendous potential for applications of electrical and optoelectrical devices where the high number density and specific surface area of nanorod are needed, such as pressure sensor, immuno-biosensor and dye-sensitized solar cells.

One-step fabrication method for obtaining freestanding epitaxial double heterostructure is presented. This approach could achieve ZnO coverage with a higher number density than that of the epitaxial single heterostructure, leading to a piezoelectric nanogenerator with an increased output electrical performance.

予熱水熱を利用したピエゾ電気NanogeneratorためのZnOナノロッド/グラフェン/ ZnOのナノロッドエピタキシャルダブルヘテロ構造の作製

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we ...

Design and Assembly of an Ultra-light Motorized Microdrive for Chronic Neural Recordings in Small Animals

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of neural circuits underlying a variety of natural behaviors, including navigation1 , decision making 2,3, and the generation of complex motor sequences4,5,6. Advances in precision machining has allowed for the fabrication of light-weight devices suitable for chronic recordings in small animals, such as mice and songbirds. The ability to adjust the electrode position with small remotely controlled motors has further increased the recording yield in various behavioral contexts by reducing animal handling.6,7
 Here we describe a protocol to build an ultra-light motorized microdrive for long-term chronic recordings in small animals. Our design evolved from an earlier published version7, and has been adapted for ease-of use and cost-effectiveness to be more practical and accessible to a wide array of researchers. This proven design 8,9,10,11 allows for fine, remote positioning of electrodes over a range of ~ 5 mm and weighs less than 750 mg when fully assembled. We present the complete protocol for how to build and assemble these drives, including 3D CAD drawings for all custom microdrive components.

The design, fabrication and assembly of an ultra-light motorized microdrive is described. The device provides a cost-effective and easy-to-use solution for chronic recordings of single units in small behaving animals.

小動物の慢性神経録音用超軽量電動マイクロドライブの設計およびアセンブリ

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of ...

神経科学

Production of Dynein and Kinesin Motor Ensembles on DNA Origami Nanostructures for Single Molecule Observation

Cytoskeletal motors are responsible for a wide variety of functions in eukaryotic cells, including mitosis, cargo transport, cellular motility, and others. Many of these functions require motors to operate in ensembles. Despite a wealth of knowledge about the mechanisms of individual cytoskeletal motors, comparatively less is known about the mechanisms and emergent behaviors of motor ensembles, examples of which include changes to ensemble processivity and velocity with changing motor number, location, and configuration. Structural DNA nanotechnology, and the specific technique of DNA origami, enables the molecular construction of well-defined architectures of motor ensembles. The shape of cargo structures as well as the type, number and placement of motors on the structure can all be controlled. Here, we provide detailed protocols for producing these ensembles and observing them using total internal reflection fluorescence microscopy. Although these techniques have been specifically applied for cytoskeletal motors, the methods are generalizable to other proteins that assemble in complexes to accomplish their tasks. Overall, the DNA origami method for creating well-defined ensembles of motor proteins provides a powerful tool for dissecting the mechanisms that lead to emergent motile behavior.

The goal of this protocol is to form ensembles of molecular motors on DNA origami nanostructures and observe the ensemble motility using total internal reflection fluorescence microscopy.

単一分子観測のためのDNA折り紙ナノ構造に関するダインとキネシンモーターアンサンブルの製造

Cytoskeletal motors are responsible for a wide variety of functions in eukaryotic cells, including mitosis, cargo transport, cellular motility, and ...

生化学

Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging

The design and synthesis of a synthetic system that aims for the direct visualization of a synthetic rotary motor at the single molecule level on surfaces are demonstrated. This work requires careful design, considerable synthetic effort, and proper analysis. The rotary motion of the molecular motor in solution is shown by 1H NMR and UV-vis absorption spectroscopy techniques. In addition, the method to graft the motor onto an amine-coated quartz is described. This method helps to gain more insight into molecular machines.

The manuscript describes how to synthesize and graft a molecular motor on surfaces for single molecular imaging.

単一分子イメージングの表面上の光駆動の分子モーター

The design and synthesis of a synthetic system that aims for the direct visualization of a synthetic rotary motor at the single molecule level on surfaces ...

化学

Gold Nanorod-assisted Optical Stimulation of Neuronal Cells

Recent studies have demonstrated that nerves can be stimulated in a variety of ways by the transient heating associated with the absorption of infrared light by water in neuronal tissue. This technique holds great potential for replacing or complementing standard stimulation techniques, due to the potential for increased localization of the stimulus and minimization of mechanical contact with the tissue. However, optical approaches are limited by the inability of visible light to penetrate deep into tissues. Moreover, thermal modelling suggests that cumulative heating effects might be potentially hazardous when multiple stimulus sites or high laser repetition rates are used. The protocol outlined below describes an enhanced approach to the infrared stimulation of neuronal cells. The underlying mechanism is based on the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods, which can cause triggering of neuronal cell differentiation and increased levels of intracellular calcium activity. These results demonstrate that nanoparticle absorbers can enhance and/or replace the process of infrared neural stimulation based on water absorption, with potential for future applications in neural prostheses and cell therapies.

This protocol outlines how to use the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods to stimulate differentiation and intracellular calcium activity in neuronal cells. These results potentially open up new applications in neural prostheses and fundamental studies in neuroscience.

神経細胞の金ナノロッド補助光刺激

Recent studies have demonstrated that nerves can be stimulated in a variety of ways by the transient heating associated with the absorption of infrared ...

Rapid, Scalable Assembly and Loading of Bioactive Proteins and Immunostimulants into Diverse Synthetic Nanocarriers Via Flash Nanoprecipitation

Nanomaterials present a wide range of options to customize the controlled delivery of single and combined molecular payloads for therapeutic and imaging applications. This increased specificity can have significant clinical implications, including decreased side effects and lower dosages with higher potency. Furthermore, the in situ targeting and controlled modulation of specific cell subsets can enhance in vitro and in vivo investigations of basic biological phenomena and probe cell function. Unfortunately, the required expertise in nanoscale science, chemistry and engineering often prohibit laboratories without experience in these fields from fabricating and customizing nanomaterials as tools for their investigations or vehicles for their therapeutic strategies. Here, we provide protocols for the synthesis and scalable assembly of a versatile non-toxic block copolymer system amenable to the facile formation and loading of nanoscale vehicles for biomedical applications. Flash nanoprecipitation is presented as a methodology for rapid fabrication of diverse nanocarriers from poly(ethylene glycol)-bl-poly(propylene sulfide) copolymers. These protocols will allow laboratories with a wide range of expertise and resources to easily and reproducibly fabricate advanced nanocarrier delivery systems for their applications. The design and construction of an automated instrument that employs a high-speed syringe pump to facilitate the flash nanoprecipitation process and to allow enhanced control over the homogeneity, size, morphology and loading of polymersome nanocarriers is described.

Nanomaterials provide versatile mechanisms of controlled therapeutic delivery for both basic science and translational applications, but their fabrication often requires expertise that is unavailable in most biomedical laboratories. Here, we present protocols for the scalable fabrication and therapeutic loading of diverse self-assembled nanocarriers using flash nanoprecipitation.

高速でスケーラブルなアセンブリおよびフラッシュ Nanoprecipitation を介して多様な合成ナノキャリアへ生理活性タンパク質や生理の読み込み

Nanomaterials present a wide range of options to customize the controlled delivery of single and combined molecular payloads for therapeutic and imaging ...

生物工学

Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats

Monitoring the activity patterns of a large population of neurons over many days in awake animals is a valuable technique in the field of systems neuroscience. One key component of this technique consists of the precise placement of multiple electrodes into desired brain regions and the maintenance of their stability. Here, we describe a protocol for the construction of a 3D-printable hyperdrive, which includes eighteen independently adjustable tetrodes, and is specifically designed for in vivo extracellular neural recording in freely behaving rats. The tetrodes attached to the microdrives can either be individually advanced into multiple brain regions along the track, or can be used to place an array of electrodes into a smaller area. The multiple tetrodes allow for simultaneous examination of action potentials from dozens of individual neurons, as well as local field potentials from populations of neurons in the brain during active behavior. In addition, the design provides for simpler 3D drafting software that can easily be modified for differing experimental needs.

We present the construction of a 3D-printable hyperdrive with eighteen independently adjustable tetrodes. The hyperdrive is designed to record brain activity in freely behaving rats over a period of several weeks.

ラットの行動で大規模な神経細胞記録向上のマルチ ・ テトロード ハイパー ドライブの構築

Monitoring the activity patterns of a large population of neurons over many days in awake animals is a valuable technique in the field of systems ...

Hybrid Microdrive System with Recoverable Opto-Silicon Probe and Tetrode for Dual-Site High Density Recording in Freely Moving Mice

Multi-regional neural recordings can provide crucial information to understanding fine-timescale interactions between multiple brain regions. However, conventional microdrive designs often only allow use of one type of electrode to record from single or multiple regions, limiting the yield of single-unit or depth profile recordings. It also often limits the ability to combine electrode recordings with optogenetic tools to target pathway and/or cell type specific activity. Presented here is a hybrid microdrive array for freely moving mice to optimize yield and a description of its fabrication and reuse of the microdrive array. The current design employs nine tetrodes and one opto-silicon probe implanted in two different brain areas simultaneously in freely moving mice. The tetrodes and the opto-silicon probe are independently adjustable along the dorsoventral axis in the brain to maximize the yield of unit and oscillatory activities. This microdrive array also incorporates a set-up for light, mediating optogenetic manipulation to investigate the regional- or cell type-specific responses and functions of long-range neural circuits. In addition, the opto-silicon probe can be safely recovered and reused after each experiment. Because the microdrive array consists of 3D-printed parts, the design of microdrives can be easily modified to accommodate various settings. First described is the design of the microdrive array and how to attach the optical fiber to a silicon probe for optogenetics experiments, followed by fabrication of the tetrode bundle and implantation of the array into a mouse brain. The recording of local field potentials and unit spiking combined with optogenetic stimulation also demonstrate feasibility of the microdrive array system in freely moving mice.

This protocol describes the construction of a hybrid microdrive array that allows implantation of nine independently adjustable tetrodes and one adjustable opto-silicon probe in two brain regions in freely moving mice. Also demonstrated is a method for safely recovering and reusing the opto-silicon probe for multiple purposes.

自由に動くマウスの二重部位高密度記録のための回収可能なオプトシリコンプローブとテトロードを備えたハイブリッドマイクロドライブシステム

Multi-regional neural recordings can provide crucial information to understanding fine-timescale interactions between multiple brain regions. However, ...

Biophysical Characterization of Flagellar Motor Functions

The role of flagellar motors in bacterial motility and chemotaxis is well-understood. Recent discoveries suggest that flagellar motors are able to remodel in response to a variety of environmental stimuli and are among the triggers for surface colonization and infections. The precise mechanisms by which motors remodel and promote cellular adaptation likely depend on key motor attributes. The photomultiplier-based bead-tracking technique presented here enables accurate biophysical characterization of motor functions, including adaptations in motor speeds and switch-dynamics. This approach offers the advantage of real-time tracking and the ability to probe motor behavior over extended durations. The protocols discussed can be readily extended to study flagellar motors in a variety of bacterial species.

Recent findings suggest that bacterial flagellar motors sense a variety of environmental signals and remodel in response. The bead-assays discussed here are expected to help explain the role of remodeling in cellular adaptation to environmental stressors.

べん毛モーターの機能の生物物理学的特性評価

The role of flagellar motors in bacterial motility and chemotaxis is well-understood. Recent discoveries suggest that flagellar motors are able to remodel ...

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

要約

さらに動画を探す

この動画の章

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

予熱水熱を利用したピエゾ電気NanogeneratorためのZnOナノロッド/グラフェン/ ZnOのナノロッドエピタキシャルダブルヘテロ構造の作製

小動物の慢性神経録音用超軽量電動マイクロドライブの設計およびアセンブリ

単一分子観測のためのDNA折り紙ナノ構造に関するダインとキネシンモーターアンサンブルの製造

単一分子イメージングの表面上の光駆動の分子モーター

神経細胞の金ナノロッド補助光刺激

高速でスケーラブルなアセンブリおよびフラッシュ Nanoprecipitation を介して多様な合成ナノキャリアへ生理活性タンパク質や生理の読み込み

ラットの行動で大規模な神経細胞記録向上のマルチ・テトロードハイパードライブの構築

自由に動くマウスの二重部位高密度記録のための回収可能なオプトシリコンプローブとテトロードを備えたハイブリッドマイクロドライブシステム

べん毛モーターの機能の生物物理学的特性評価

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

要約

さらに動画を探す

この動画の章

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

予熱水熱を利用したピエゾ電気NanogeneratorためのZnOナノロッド/グラフェン/ ZnOのナノロッドエピタキシャルダブルヘテロ構造の作製

小動物の慢性神経録音用超軽量電動マイクロドライブの設計およびアセンブリ

単一分子観測のためのDNA折り紙ナノ構造に関するダインとキネシンモーターアンサンブルの製造

単一分子イメージングの表面上の光駆動の分子モーター

神経細胞の金ナノロッド補助光刺激

高速でスケーラブルなアセンブリおよびフラッシュ Nanoprecipitation を介して多様な合成ナノキャリアへ生理活性タンパク質や生理の読み込み

ラットの行動で大規模な神経細胞記録向上のマルチ ・ テトロード ハイパー ドライブの構築

自由に動くマウスの二重部位高密度記録のための回収可能なオプトシリコンプローブとテトロードを備えたハイブリッドマイクロドライブシステム

べん毛モーターの機能の生物物理学的特性評価

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

ラットの行動で大規模な神経細胞記録向上のマルチ・テトロードハイパードライブの構築