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Li, Miao (2016): Optical cellular delivery and intracellular sensing of fN forces using gold nanoparticles. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Gold-Nanopartikel sind in den vergangenen Jahren zu einem wichtigen Werkzeug der Nanowissenschaften geworden. Die starke Kopplung zwischen sichtbarem Licht und Goldnanopartikeln verursacht zum einen eine große nichtradiativen Energieumwandlung, das sogenannte plasmonische Heizen, welches einen kontrollierbaren Temperaturanstieg in der Partikelumgebung ermöglicht. Zum anderen wirken auf Goldnanopartikel optische Kräfte, die für deren optische Manipulation genutzt werden können. In dieser Dissertation wird gezeigt, wie diese Effekte für das Injizieren einzelner Nanopartikel in Zellen sowie für intrazelluläre Messungen verwendet werden können. Zuerst wird eine neuartige Methode, um Goldnanopartikel (80nm Durchmesser) in lebende Zellen einzubringen, vorgestellt. Dazu werden diese zuerst durch optische Kräfte mit einem fokussierten Laserstrahl auf die Oberfläche lebender Zellen aufgebracht. Anschließend können die Goldnanopartikel einzeln durch eine Kombination aus plasmonischem Heizen und optischen Kräften injiziert werden. Der Prozess wurde sowohl durch chemische, als auch durch optische Methoden charaktierisiert. Weiter wurde beobachtet, dass die erfolgreiche Partikelinjektion mit der Ausbildung einer Kavitationsblase einhergeht, welche eine Perforation der Zellmembran verursacht. Die Überlebensrate der Zellen für diesen Prozess lag dabei bei über 70%. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Nutzung von Goldnanopartikeln, welche in lebende Zellen entweder injiziert oder durch Endozytose eingeschleust wurden, als Messsonden durch Fourieranalyse ihrer Trajektorien. Durch das periodische Heizen eines Goldnanopartikels in Zellnähe wird eine Kavitationsblase erzeugt, die einen periodischen Kraftübertrag auf die Zelle verursacht, was zu Nicht-Gleichgewichts Fluktuationen der Detektorpartikel in der Zelle führt. Die spektrale Leistungsanalyse der Partikelbewegung gibt sowohl Aufschluss über die physikalischen Eigenschaften der Partikelumgebung, als auch über die Größe der wirkenden Kraft.

Abstract

Gold nanoparticles (AuNPs) have emerged as a powerful tool in nanoscience. The light-AuNP interaction gives rise to several applications, among which the plasmonic heating and optical forces have received great interest. The former enables the controllable increase of the temperature at the gold nanoparticle surface, while the latter allows for the remote manipulation of a single gold nanoparticle using light. This thesis presents studies on how these properties can be used in the application of single particle cellular delivery and intracellular sensing. First, a novel optical way to deliver the gold nanoparticles to a single living cell is presented. It is shown that the individual gold nanoparticles (80 nm in diameter) can be patterned on the surface of living cells with a continuous wave laser beam. Then, these optically printed gold nanoparticles can be injected into the cell, one-by-one, through a combination of plasmonic heating and optical forces. Both chemical and optical methods were used to characterize the optical injection process. It was also found that successful optical injection was achieved by the generation of bubbles that perforated the cell membrane. The cell survival rate was maintained above 70% during the injection process. Second, this study shows how gold nanoparticles that were injected or endocytosed into a living cell were used as detectors and precisely readout the local perturbations by Fourier analysis of their motions. The perturbations were generated by heating a gold nanoparticle that was sitting in the vicinity of the cell using a chopped laser beam. The heating induced the periodic formation of a cavity bubble around the particle and sent out a series of force pulses that were applied to the cell, causing non-equilibrium fluctuations to the movement of the detector particles inside the cell. We demonstrate that the power spectral analysis of particle motion reveals the physical characteristics of the nanodetector environment and the quantity of the applied force.