[논문 리뷰] Scalable trapping of single nanosized extracellular vesicles using plasmonics

Chuchuan Hong, Justus C. Ndukaife|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 14.

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기하학적 유도 전해역학력(GET)과 플라스모닉 캐비티를 조합하여 단일 나노크기의 세포외소포체(EVs)를 수초 내로 병렬로 빠르고 안정적으로 포획할 수 있는 확장 가능하고 비침습적인 하이브리드 나노트랩스 플랫폼을 제시한다. GET 트랩 중심에 나노스케일 플라스모닉 캐비티를 통합함으로써 레이저 조명 시 즉각적인 플라즈몬 증강 광학 포획이 가능해지며, 광열 손상 없이 실현되며, 고속도 단일-EV 분광법 및 영상 촬영이 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 플라스모닉 광학 트랩스가 단일 세포외소포체(EV) 조작에 있어 처리 능력과 광열 손상의 한계를 극복하기 위해.
• 전해역학력으로 단일 나노크기의 EV를 신속하게 병렬 이동 및 안정적으로 포획하기 위해.
• 트랩 중심에 플라스모닉 캐비티를 통합하여 레이저 조명 시 즉각적인 플라즈몬 증강 광학 포획을 실현하기 위해.
• 포획 과정에서 광열 가열 효과를 제거하여 EV의 구조적 안정성을 유지하기 위해.
• 고속도 단일-EV 분석 및 분광법을 위한 확장 가능하고 터널링이 없는 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 다중 미세유체 채널을 갖춘 기하학적 유도 전해역학력 트랩(GET) 설계를 통해 병렬 전해역학적 잠재력을 생성한다.
• 각 GET 트랩의 중심에 나노스케일 플라스모닉 캐비티를 통합하여 나노스케일에서 빛을 국소화한다.
• 레이저 조명을 사용하여 플라스모닉 캐비티를 자극함으로써 단일 EV에 대한 강력한 광학 포획 잠재력을 생성한다.
• 디에렉트로포렉트릭 및 전기역학력 작용을 활용하여 EV를 빠르게 플라스모닉 핫스팟으로 이동시킨다.
• 포획 효율을 극대화하고 광열 가열을 최소화하기 위해 트랩 기하학 및 플라스모닉 구조를 최적화한다.
• 플라스모닉 캐비티에서 발생하는 국소 전자기장 증강을 통해 포획된 EV의 실시간 영상 촬영 및 분광법 분석을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전해역학력이 외부 라벨링이나 터널링 없이 단일 EV를 플라스모닉 트랩으로 향해 신속하고 병렬로 이동시킬 수 있는가?
• RQ2 플라스모닉 캐비티를 미세유체 트랩에 어떻게 통합하여 단일 EV에 대한 즉각적이고 안정적인 광학 포획을 달성할 수 있는가?
• RQ3 EV를 손상시키는 심각한 광열 가열을 유발하지 않고 플라즈몬 증강 포획을 달성할 수 있는가?
• RQ4 이 하이브리드 전해역학-플라스모닉 플랫폼을 사용할 경우 단일-EV 포획의 최대 처리 능력은 얼마인가?
• RQ5 이 시스템은 실시간으로 개별 EV의 고해상도 영상 촬영 및 분광법 분석을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 하이브리드 GET-플라스모닉 시스템은 단일 세포외소포체를 수초 내로 병렬 포획하여 물리적 터널링 없이도 고처리 능력을 달성한다.
• 트랩 중심에 통합된 플라스모닉 캐비티는 레이저 조명 시 즉각적인 플라즈몬 증강 광학 포획을 가능하게 하며, 측정 가능한 광열 가열이 없다.
• 단일 EV는 플라스모닉 핫스팟 근처에서 안정적으로 국소화되어 강력한 국소 전자기장 증강으로 인해 향상된 광학 영상 촬영 및 분광법 분석이 가능하다.
• 이 시스템은 비침습적, 라벨 프리, 확장 가능한 방식으로 단일 EV를 조작할 수 있으며, 기존 광학 트랩스의 한계를 극복한다.
• 고처리 능력 분석을 지원하며, 나노플라스틱 검출 및 양자 광학 통합 분야의 응용 가능성이 있다.
• 실험 결과는 전해역학적 이동이 EV를 플라스모닉 트랩으로 효율적으로 공급하여 고공간 정밀도로 안정적인 포획을 달성함을 확인한다.