[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种可扩展的、非侵入式的混合纳米镊子平台，结合几何诱导电水动力学（GET）力与等离子体腔体，实现在数秒内对单个纳米尺寸细胞外囊泡（EVs）进行并行、快速且稳定的捕获。通过在GET捕获中心集成纳米尺度等离子体腔体，该系统在激光照射下实现瞬时等离子体增强光学捕获，且无光热损伤，从而实现高通量单EV光谱分析与成像。

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.

研究动机与目标

• 克服传统等离子体光学镊子在单个细胞外囊泡（EV）操控中通量与光热损伤的局限性。
• 利用电水动力学力实现单个纳米尺寸EV的快速、并行传输与稳定捕获。
• 在捕获中心集成等离子体腔体，实现在激光照射下瞬时等离子体增强光学捕获。
• 在捕获过程中消除光热加热效应，保护EV完整性。
• 建立一种可扩展的、无束缚的平台，用于高通量单EV分析与光谱学。

提出的方法

• 设计具有多个微流体通道的几何诱导电水动力学镊子（GET），以生成并行电水动力学势。
• 在每个GET捕获中心集成纳米尺度等离子体腔体，以在纳米尺度上限制光场。
• 利用激光照射激发等离子体腔体，产生针对单个EV的紧密光学捕获势阱。
• 利用介电电泳力与电动力学力快速将EV输运至等离子体热点区域。
• 优化捕获结构与等离子体结构，以最大化捕获效率并最小化光热加热。
• 通过等离子体腔体处增强的局部电磁场，实现实时单EV成像与光谱学分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 电水动力学力是否能够在无需外部标记或束缚的情况下，实现单个EV向等离子体陷阱的快速、并行传输？
• RQ2 如何将等离子体腔体集成至微流体陷阱中，以实现单个EV的瞬时、稳定光学捕获？
• RQ3 是否可实现等离子体增强捕获，且不引起显著光热加热从而损伤EV？
• RQ4 该混合电水动力学-等离子体平台在单EV捕获中可实现的最大通量是多少？
• RQ5 该系统是否能够实现实时高分辨率单EV成像与光谱学分析？

主要发现

• 该混合GET-等离子体系统可在数秒内实现单个细胞外囊泡的并行捕获，实现高通量捕获且无需物理束缚。
• 在捕获中心集成的等离子体腔体可在激光照射后实现瞬时等离子体增强光学捕获，且无显著光热加热效应。
• 单个EV被稳定地限制在等离子体热点附近，由于局部场强显著增强，从而实现增强的光学成像与光谱学分析。
• 该系统实现了非侵入式、无标记、可扩展的单EV操控，克服了传统光学镊子的局限性。
• 该平台支持高通量分析，具有在纳米塑料检测与量子光子学集成方面应用的潜力。
• 实验结果证实，电水动力学输运能高效地将EV送至等离子体陷阱，实现高空间精度的稳定捕获。