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

Vi vill också tacka Xiaoyu Miao och Ben Wilson för att utveckla de flesta av de metoder som beskrivs inom. Detta arbete har finansierats av National Science Foundation (DBI 0.454.324) och National Institute of Health (K21 EB005183) och PHS NRSA T32 GM07270 från NIGMS till Eck.

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

<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>

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

<table border="1"><tr><td> Materialnamn </td><td> Typ </td><td> Företag </td><td> Katalognummer </td><td> Kommentar </td></tr><tr><td> Axio Imager Mikroskop </td><td> D1M </td><td> Zeiss </td><td> D1M </td><td> Zeiss Axio Imager.D1M </td></tr><tr><td> Mikroskop mål </td><td> 50x/0.55 </td><td> Zeiss </td><td></td><td> LD EG Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC </td></tr><tr><td> Zeiss mikroskopkamera </td><td> AxioCam MRc </td><td> Zeiss </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Helium Neon laser </td><td> 35 mW </td><td> Forskning elektrooptik </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Variabel Attenuator </td><td> Steglös ND </td><td> ThorLabs </td><td> NDC-100C-4M </td><td> För justering mikroskop intensitet </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> Objektglas </td><td> 0,5 mm tjocklek </td><td> VWR </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 3T3 mus cellkärnor </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td> Förvara så kallt som möjligt </td></tr><tr><td> Akridinorange färgämne </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> Bovint serumalbumin </td><td> 1 till 10 ranson i PBS </td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> 454 nm polystyren latex sfärer </td><td></td><td> Polysciences, Inc. </td><td></td><td></td></tr><tr><td> carbodiimide hydroklorid (EDC) </td><td> 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl) </td><td> G-Biosciences </td><td> BC25-1 </td><td></td></tr><tr><td> guld (för deponering) </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Reflekterande styrde diffraktionsgitter </td><td></td><td> Edmund Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Fosfatbuffrad saltlösning (PBS) </td><td> Dulbecco är fosfatbuffrad koksaltlösning (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

En metod för att manipulera position och orientering submicron partiklar icke-förstörande skulle vara ett otroligt användbart verktyg för grundläggande biologisk forskning. Kanske den mest använda fysiskt våld för att uppnå icke-invasiv manipulation av små partiklar har dielectrophoresis (DEP). 1 saknar dock DEP på egen hand den mångsidighet och precision som önskas när manipulera celler eftersom det traditionellt gjort med stationära elektroder. Optisk pincett, som utnyttjar en tredimensionell lutning elektromagnetiska fält för att utöva krafter på små partiklar, uppnå detta önskade mångsidighet och precision. 2 är dock en stor nackdel med denna metod den höga strålningen intensitet som krävs för att uppnå den nödvändiga kraft för att fälla en partikel som kan skada biologiska prov 3 En lösning som gör att fångst och sortering med lägre optisk intensitet är optoelektronisk pincett (OET) men OET s har begränsningar med fina manipulation av små partiklar,.. är DEP-baserad teknik också lägger hinder för egendom av lösningen 4 , 5 Denna video artikeln kommer att beskriva två metoder som minskar intensiteten av den strålning som behövs för optisk manipulation av levande celler och även beskriva en metod för orientering kontroll. Den första metoden är plasmoniska pincett som använder en slumpmässig guld nanopartiklar (AuNP) array som ett substrat för provet som visas i figur 1. Den AuNP array omvandlar incidenten fotoner till lokaliserade ytan plasmoner (LSP) som består av resonanta dipolmoment som utstrålar och genererar en mönstrad strålfält med en stor lutning i cellen lösningen. Inledande arbete på ytan plasmon ökad fångst av Righini et al och våra egna modeller har visat fält som genereras av plasmoniska substrat minskar den initiala intensiteten som krävs genom att öka lutningen fält som fällor partikeln. 6,7,8 Den plasmoniska tillvägagångssätt gör det möjligt för fina orientering kontroll över ellipsoidisk partiklar och celler med låg optisk intensitet på grund av effektivare optiska energin omvandlas till mekanisk energi och en dipol beroende strålfältet. Dessa fält visas i figur 2 och den låga fångsten intensitet beskrivs i siffror 4 och 5. De största problemen med plasmoniska pincett är att LSP är generera en betydande mängd värme och fångsten är bara tvådimensionell. Denna värme genererar konvektiva flöden och thermophoresis som kan vara tillräckligt kraftfull för att driva ut submicron partiklar från fällan. 9,10 Den andra metoden som vi kommer att beskriva är att utnyttja periodisk dielektrisk nanostrukturer att sprida infallande ljus mycket effektivt i diffraktion lägen, som visas i figur 6 11. Helst skulle man göra denna struktur ur ett dielektriskt material för att undvika samma värme problem med plasmoniska pincett, men i vårt förhållningssätt en aluminium-belagd diffraktionsgitter används som en endimensionell periodisk dielektrisk nanostruktur. Även om det inte är en halvledare, gjorde det upplever inte signifikant uppvärmning och effektivt fångade små partiklar med låg fånga intensitet, som visas i figur 7. Anpassningen av partiklar med gallret substrat validerar begreppsmässigt påståendet att en 2-D fotoniska kristaller kan ge exakt rotation av icke-sfäriska micron stora partiklar. 10 Effektivitetsvinsterna av dessa optiska fällor är ökade på grund av den förbättrade fält som produceras av nanostrukturer som beskrivs i detta dokument.

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

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

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

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

Plana och tredimensionella Tryckning av ledande bläck

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

Syntes, församling, och karakterisering av monolager skyddade guld nanopartiklar Films för protein monolager Elektrokemi

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

Utvärdering av polymera Gene Delivery nanopartiklar genom nanopartikel Tracking Analys och hög kapacitet flödescytometri

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-partikel Image Velocimetry för Mätningar hastighetsprofil av Micro blodflöden

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 Proteinnanofiber och nanostrukturer Engineered Använda Surface initierad Assembly

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

Framställning av monodomän Liquid Crystal Elastomers och Liquid Crystal Elastomer Nanokompositer

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

Tekniker för evolutionen av Robust pentosjäsande jäsa Jäst för bioomvandlingen av Lignocellulosa till etanol

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

Mikroflödesbuffertutbyte för Störningsfri Micro / nanopartiklar Cell 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

Riktade Plasma Membrane Leverans av en hydrofob Cargo inkapslad i en Liquid Crystal nanopartiklar 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

Syntes av biokompatibla Liquid Crystal Elastomer Skum som Cell Ställningar för 3D Spatial cellkulturer

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 ...