Name: utilization of plasmonic and photonic crystal nanostructures for enhanced micro- and nanoparticle manipulation
Uploaded: 2011-09-27T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation at JoVE.com

Wij zouden ook graag Xiaoyu Miao en Ben Wilson bedanken voor de ontwikkeling van de meeste van de beschreven methoden binnen. Dit werk werd gefinancierd door National Science Foundation (DBI 0.454.324) en het National Institute of Health (R21 EB005183) en door PHS NRSA T32 GM07270 van NIGMS naar ECK.

1. Random Au Nanodeeltje Array Fabrication 8,10,12,14 <ol><li> De Au nanodeeltjes array wordt gevormd door eerst het creëren van een sjabloon die is gemaakt van een dichte laag van willekeurig geadsorbeerd latex bolletjes met een gemiddelde diameter van 454 nm. Dit wordt bereikt door eerst verdampen goud op een glazen dekglaasje tot een dikte van 20 nm met behulp van chroom als de hechting laag. </li><li> De polystyreen bol monolaag is dan zelf-geassembleerde door het blootstellen van de goud gecoate subst...

<ol>
	<li>Jones, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electromechanics of Particles. , (1995).</li><li>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=Optical+trapping+and+manipulation+of+neutral+particles+using+lasers.">Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 4853-4853 (1997).</li><li>Neuman, K. C., Chadd, E. H., Liou, G. F., Bergman, 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=Characterization+of+photodamage+to+Escherichia+coli+in+optical+traps.">Characterization of photodamage to Escherichia coli in optical traps.</a> Biophys. J. 77, 2856-2856 (1999).</li><li>Chiou, P. C., Ohta, A. T., Wu, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Massively+parallel+manipulation+of+single+cells+and+microparticles+using+optical+images.">Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images.</a> Nature. 436, 370-370 (2005).</li><li>Hsu, H. Y., Ohta, A. T., Chiou, P. Y., Jamshidi, A., Nealea, S. L., Wua, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phototransistor-based+optoelectronic+tweezers+for+dynamic+cell+manipulation+in+cell+culture+media.">Phototransistor-based optoelectronic tweezers for dynamic cell manipulation in cell culture media.</a> Lab Chip. 10, 165-172 (2010).</li><li>Righini, M., Ghenuche, P. S., Cherukulappurath, V., Myroshnychenko, F. J., Garcia de Abajo, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quidant+Nano-optical+Trapping+of+Rayleigh+Particles+Escherichia+coli+Bacteria+with+Resonant+Optical+Antennas.">Quidant Nano-optical Trapping of Rayleigh Particles Escherichia coli Bacteria with Resonant Optical Antennas.</a> Nano Letters. 9, 3387-3391 (2009).</li><li>Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parallel+and+Selective+Trapping+in+a+Patterned+Plasmonic+Landscape.">Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape.</a> Nature Physics. 3, 477-480 (2007).</li><li>Miao, X., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+dielectrophoresis+force+and+torque+induced+by+localized+surface+plasmon+resonance+of+a+cap-shaped+Au+nanoparticle+array.">Large dielectrophoresis force and torque induced by localized surface plasmon resonance of a cap-shaped Au nanoparticle array.</a> Opt. Lett. 32, 295-297 (2007).</li><li>Wilson, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Manipulation of Nanoparticles and Biological Samples through Enhanced Optical Forces [dissertation]. , (2009).</li><li>Miao, X. Y., Wilson, B. K., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+manipulation+of+micron/submicron+sized+particles+and+biomolecules+through+plasmonics.">Optical manipulation of micron/submicron sized particles and biomolecules through plasmonics.</a> Optics Exp. 16, 13517-13525 (2008).</li><li>Wilson, B. K., Mentele, T., Bachar, S., Knouf, E., Bendoraite, A., Tewari, M., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanostructure-enhanced+laser+tweezers+for+efficient+trapping+and+alignment+of+particles.">Nanostructure-enhanced laser tweezers for efficient trapping and alignment of particles.</a> Optics. Exp. 18, 16005-16013 (2010).</li><li>Miao, X., Wilson, B. K., Cao, G., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+Rotation+of+Nanowires+Assisted+by+Surface+Plasmons.">Trapping and Rotation of Nanowires Assisted by Surface Plasmons.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 15, 1515-1520 (2009).</li><li>Miao, X. Y., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+manipulation+of+biological+particles+through+a+plasmonic+platform.">Trapping and manipulation of biological particles through a plasmonic platform.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13, 1655-1662 (2007).</li><li>Miao, X. <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 for Micro/Nano Manipulation and Optofluidics [dissertation]. , (2008).</li></ol>

De betekenis van deze methoden van vangen is dat ze de optische intensiteit die nodig zijn voor een duurzame vangen van ergens daling in de orde van 10 3 μW / um 2 tot ergens in de orde van 10 μW / um 2. 10,11 De beperkingen van deze technieken zijn dat de gouden nanodeeltjes reeks verwarming kwesties die moeten worden overwonnen ervaringen. Om dit probleem, kan een 2D fotonisch kristal structuur die is samengesteld uit een diëlektrisch materiaal worden gebruikt. Een dergelijke struct...

<table border="1"><tr><td> Materiaal Naam </td><td> Type </td><td> Vennootschap </td><td> Catalogusnummer </td><td> Commentaar </td></tr><tr><td> Axio Imager Microscoop </td><td> D1M </td><td> Zeiss </td><td> D1M </td><td> Zeiss Axio Imager.D1M </td></tr><tr><td> Microscoop Doel </td><td> 50x/0.55 </td><td> Zeiss </td><td></td><td> LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC </td></tr><tr><td> Zeiss Microscoop Camera </td><td> Axiocam MRc </td><td> Zeiss </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Helium Neon Laser </td><td> 35 mW </td><td> Onderzoek Electro-Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Variabele Attenuator </td><td> Continu Variabele ND </td><td> Thorlabs </td><td> NDC-100C-4M </td><td> Voor het instellen van de intensiteit microscoop </td></tr><tr><td> Zeiss Filter Set </td><td> Filter Set # 17 </td><td> Zeiss </td><td> 488017-9901-000 </td><td> Filter Set # 17 </td></tr><tr><td> Objectglaasjes </td><td> 0,5 mm dik </td><td> VWR </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 3T3 muis celkernen </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td> Bewaar zo koud mogelijk </td></tr><tr><td> Acridine Oranje kleurstof </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> Bovine Serum Albumine </td><td> 1-10 rantsoen in PBS </td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> 454 nm polystyreen latex bolletjes </td><td></td><td> Polysciences, Inc </td><td></td><td></td></tr><tr><td> carbodiimide hydrochloride (EDC) </td><td> 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) </td><td> G-Biosciences </td><td> BC25-1 </td><td></td></tr><tr><td> goud (voor depositie) </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Reflecterende regeerde diffractierooster </td><td></td><td> Edmund Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) </td><td> Dulbecco&#39;s fosfaat gebufferde zoutoplossing (D-PBS) (1X) </td><td> Invitrogen </td><td> 14190-144 </td><td></td></tr></table>

utilization of plasmonic and photonic crystal nanostructures for enhanced micro- and nanoparticle manipulation

Een methode om de positie en oriëntatie van submicron deeltjes te manipuleren niet-destructief zou een ongelooflijk nuttig instrument voor fundamenteel biologisch onderzoek. Misschien wel de meest gebruikte fysieke kracht om niet-invasieve manipulatie van kleine deeltjes te bereiken is dielectrophoresis (DEP). 1 echter DEP op eigen mist de veelzijdigheid en precisie die gewenst zijn voor het manipuleren van cellen, omdat het traditioneel gedaan met stationaire elektroden. Optisch pincet, die een driedimensionaal elektromagnetisch veld gradiënt om de krachten op de kleine deeltjes uit te oefenen te gebruiken, deze gewenste veelzijdigheid en precisie te bereiken. Maar twee, een belangrijk nadeel van deze aanpak is de hoge stralingsintensiteit nodig is om de nodige kracht te bereiken een deeltje val die kan schade aan biologische monsters 3 Een oplossing die het mogelijk maakt vangen en te sorteren met een lagere optische intensiteit zijn opto-elektronische pincet (OET) maar OET&#39;s hebben beperkingen met fijne manipulatie van kleine deeltjes,.. dat DEP-gebaseerde technologie stelt ook beperkingen op het terrein van de oplossing 4 , 5 Deze video artikel zal beschrijven twee methoden die de intensiteit van de straling die nodig zijn voor optische manipulatie van levende cellen te verminderen en ook een beschrijving van een methode voor oriëntatie controle. De eerste methode is plasmonische pincet, die een willekeurig gouden nanodeeltjes (AUNP) array te gebruiken als een substraat voor het monster zoals aangegeven in figuur 1. De AUNP serie zet de invallende fotonen in gelokaliseerde oppervlakteplasmonen (LSP), die bestaan ​​uit resonerende dipool momenten die uitstralen en het genereren van een patroon stralingsveld met een grote gradiënt in de cel oplossing. Eerste werkzaamheden op het oppervlak van plasmon verbeterd trapping door Righini et al. en onze eigen modellen hebben aangetoond dat de velden opgewekt door de plasmonische substraat de initiële intensiteit te verminderen door het verbeteren van de gradiënt veld dat de vallen het deeltje. 6,7,8 De plasmonische aanpak maakt voor fijn oriëntatie controle van ellipsoïdale deeltjes en cellen met een lage optische intensiteit als gevolg van efficiëntere optische energie omgezet in mechanische energie en een dipool-afhankelijke stralingsveld. Deze velden zijn weergegeven in figuur 2 en de lage vangen intensiteiten worden beschreven in de figuren 4 en 5. De belangrijkste problemen met plasmonische pincet zijn dat de LSP is een aanzienlijke hoeveelheid warmte te genereren en de vangst is slechts twee dimensionaal. Deze warmte genereert convectieve stromen en thermophoresis die kunnen worden krachtig genoeg om submicron deeltjes uit de val te verdrijven. 9,10 De tweede aanpak die we beschrijven is een periodieke diëlektrische nanostructuren gebruik te verstrooien invallend licht zeer efficiënt in het diffractie-modi, zoals aangegeven in figuur 6 . 11 Idealiter zou een te maken deze structuur uit van een diëlektrisch materiaal om dezelfde warmte problemen met de plasmonische pincet te vermijden, maar in onze aanpak een aluminium gecoate diffractierooster wordt gebruikt als een eendimensionale periodieke diëlektrische nanostructuur. Hoewel het niet een halfgeleider, heeft zij niet ervaren significant verwarming en effectief gevangen kleine deeltjes met een lage intensiteit vangen, zoals weergegeven in figuur 7. Afstemming van de deeltjes met het substraat rooster valideert conceptueel de stelling dat een 2-D fotonisch kristal zou kunnen precieze rotatie van niet-sferische micron deeltjes mogelijk te maken. 10 De efficiëntie van deze optische vallen zijn toegenomen als gevolg van de verhoogde velden geproduceerd door de nanostructuren zoals beschreven in dit papier.

Watch this Scientific Journal Video about Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation at JoVE.com

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

Plasmonische pincet en fotonische kristal nanostructuren worden getoond om nuttige verbeteringen te produceren in de efficiëntie en de oriëntatie controle van optisch trapping micro-en nano-deeltjes.

Gebruik van plasmonische en fotonisch kristal nanostructuren voor Enhanced micro-en nanodeeltjes Manipulatie

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Vlakke en Three-Dimensional Printing van geleidende inkten

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical ...

Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

Synthese, Vergadering, en de karakterisatie van monolaag Protected gouden nanodeeltjes Films voor eiwit monolaag Elektrochemie

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently ...

Evaluation of Polymeric Gene Delivery Nanoparticles by Nanoparticle Tracking Analysis and High-throughput Flow Cytometry

Evaluatie van polymere Gene Delivery Nanodeeltjes door Nanodeeltje Tracking Analyse en High-throughput Flow cytometrie

Non-viral gene delivery using polymeric nanoparticles has emerged as an attractive approach for gene therapy to treat genetic diseases1 and as a ...

Micro-particle Image Velocimetry for Velocity Profile Measurements of Micro Blood Flows

Micro-stromingsvisualisatie voor Velocity Profiel Metingen van Micro Blood Flows

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows. The images are cross-correlated to ...

ECM Protein Nanofibers and Nanostructures Engineered Using Surface-initiated Assembly

ECM Eiwit nanovezels en nanostructuren Engineered behulp-Surface geïnitieerde Vergadering

The extracellular matrix (ECM) in tissues is synthesized and assembled by cells to form a 3D fibrillar, protein network with tightly regulated fiber ...

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

Voorbereiding van de Monodomain Liquid Crystal Elastomers en Liquid Crystal elastomeer Nanocomposieten

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and ...

Techniques for the Evolution of Robust Pentose-fermenting Yeast for Bioconversion of Lignocellulose to Ethanol

Technieken voor de evolutie van de Robuuste Pentose hoge gisting Gist voor Bioconversie van omzetting van lignocellulose Ethanol

Lignocellulosic biomass is an abundant, renewable feedstock useful for production of fuel-grade ethanol and other bio-products. Pretreatment and enzyme ...

Microfluidic Buffer Exchange for Interference-free Micro/Nanoparticle Cell Engineering

Microfluïdische Buffer Exchange voor Interference-free Micro / nanodeeltjes Cel engineering

Engineering cells with active-ingredient-loaded micro/nanoparticles (NPs) is becoming an increasingly popular method to enhance native therapeutic ...

Targeted Plasma Membrane Delivery of a Hydrophobic Cargo Encapsulated in a Liquid Crystal Nanoparticle Carrier

Gerichte plasmamembraan Levering van een hydrofobe Cargo ingekapseld in een Liquid Crystal nanodeeltjes Carrier

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. ...

Synthesis of Biocompatible Liquid Crystal Elastomer Foams as Cell Scaffolds for 3D Spatial Cell Cultures

Synthese van biocompatibel Liquid Crystal elastomeerschuimen als Cell Stellingen voor 3D Ruimtelijke Cell Cultures

Here, we present a step-by-step preparation of a 3D, biodegradable, foam-like cell scaffold. These scaffolds were prepared by cross-linking star block ...