[論文レビュー] Scalable trapping of single nanosized extracellular vesicles using plasmonics

Chuchuan Hong, Justus C. Ndukaife|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2023

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、幾何学的誘導電気流体力的（GET）力とプラズモニックキャビティを組み合わせることで、非侵襲的かつスケーラブルなハイブリッドナノトランスポーターを提示する。この手法により、数秒で並列かつ迅速かつ安定した単一ナノスケールの細胞外小胞（EVs）の捕獲が可能になる。GETトラップの中心部にナノスケールのプラズモニックキャビティを統合することで、レーザー照射と同時に即時のプラズモン強化光学捕獲が実現され、光熱ダメージが生じない。これにより、高スループットな単一EV分光法およびイメージングが可能となる。

ABSTRACT

Heterogeneous nanoscale particles released by cells known as extracellular vesicles (EVs) are actively investigated for early disease detection1, monitoring2, and advanced therapeutics3. Due to their extremely small size, the stable trapping of nano-sized EVs using diffraction-limited optical tweezers4 has been met with challenges. Plasmon-enhanced optical trapping can confine light to the nanoscale to generate tight trapping potentials. Unfortunately, a long-standing challenge is that plasmonic tweezers have limited throughput and cannot provide rapid delivery and trapping of particles at plasmonic hotspots while precluding the intrinsic plasmon-induced photothermal heating effect at the same time. We report our original geometry-induced electrohydrodynamic tweezers (GET) that generate multiple electrohydrodynamic potentials for the parallelized transport and trapping of single EVs in parallel within seconds while enhancing the imaging of single trapped EVs. We show that the integration of nanoscale plasmonic cavities at the center of each GET trap results in the parallel placement of single EVs near plasmonic cavities enabling instantaneous plasmon-enhanced optical trapping upon laser illumination without any detrimental heating effect for the first time. These non-invasive scalable hybrid nanotweezers open new horizons for high-throughput tether-free plasmon-enhanced single EV trapping and spectroscopy. Other potential areas of impact include nanoplastics characterization, and scalable hybrid integration for quantum photonics.

研究の動機と目的

• 従来のプラズモニック光学トランスポーターが単一細胞外小胞（EV）の操作において抱えるスループットおよび光熱ダメージの制限を克服すること。
• 電気流体力的力によって、物理的テザーなしに単一ナノスケールのEVを迅速かつ並列に輸送し、安定した捕獲を実現すること。
• トラップの中心部にプラズモニックキャビティを統合し、レーザー照射と同時に即時のプラズモン強化光学捕獲を実現すること。
• 捕獲中に光熱加熱効果を回避し、EVの構造的完全性を保持すること。
• 高スループットな単一EV分析および分光法に適した、スケーラブルでテザーなしのプラットフォームを構築すること。

提案手法

• 複数のマイクロ流体チャネルを備えた幾何学的誘導電気流体力的トランスポーター（GET）の設計により、並列な電気流体力的ポテンシャルを生成する。
• 各GETトラップの中心部にナノスケールのプラズモニックキャビティを統合し、光をナノスケールで閉じ込める。
• レーザー照射によりプラズモニックキャビティを励起し、単一EVのための強い光学捕獲ポテンシャルを生成する。
• 誘電気力および電気的力を利用して、EVをプラズモニックホットスポットへ迅速に輸送する。
• トラップの幾何形状およびプラズモニック構造を最適化し、捕獲効率を最大化するとともに、光熱加熱を最小限に抑える。
• プラズモニックキャビティにおける局所的な電磁場強化により、捕獲されたEVのリアルタイムイメージングおよび分光法が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気流体力的力は、外部の標識やテザーなしに、単一EVをプラズモニックトラップへ迅速かつ並列で輸送可能か？
• RQ2 マイクロ流体チャネルのトラップにどのようにしてプラズモニックキャビティを統合すれば、即時の安定した光学捕獲が可能になるか？
• RQ3 EVに顕著な光熱加熱を引き起こさずに、プラズモン強化捕獲を実現できるか？
• RQ4 このハイブリッド電気流体力的-プラズモニックプラットフォームを用いた場合、単一EV捕獲の最大スループットはどの程度か？
• RQ5 このシステムは、リアルタイムで個々のEVの高解像度イメージングおよび分光法を可能にするか？

主な発見

• ハイブリッドGET-プラズモニックシステムにより、数秒以内に並列で単一細胞外小胞が捕獲可能であり、物理的テザーなしで高スループットを達成している。
• トラップ中心部に統合されたプラズモニックキャビティにより、レーザー照射と同時に即時のプラズモン強化光学捕獲が実現され、測定可能な光熱加熱は観察されなかった。
• 単一EVはプラズモニックホットスポット付近で安定して閉じ込められ、強い局所電場強化により光学イメージングおよび分光法が強化されている。
• 本システムは、非侵襲的でラベルフリーかつスケーラブルな単一EVの操作を可能にし、従来の光学トランスポーターの制限を克服している。
• 本プラットフォームは高スループット分析を支援でき、ナノプラスチックの検出や量子フォトニクス統合への応用が期待される。
• 実験結果から、電気流体力的輸送が効果的にEVをプラズモニックトラップへ到達させ、高い空間精度で安定した捕獲が達成されていることが確認された。