Optofluidic Photonic Crystal Fibres for Biomedical Research in Fibra Optofluidische Photonische Kristallfasern Zur Biomedizinischen Forschung in Fibra
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physics of light Optofluidic Photonic Crystal Fibres for Biomedical Research in fibra Optofluidische Photonische Kristallfasern zur Biomedizinischen Forschung in fibra Dissertation im Fachbereich Physik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Optofluidic Photonic Crystal Fibres for Biomedical Research in fibra Optofluidische Photonische Kristallfasern zur Biomedizinischen Forschung in fibra Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. vorgelegt von DIPL.-PHYS.SARAH UNTERKOFLER geboren in Schwäbisch Gmünd Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg "So eine Arbeit wird eigentlich nie fertig, man muß sie für fertig erklären, wenn man nach Zeit und Umständen das Möglichste getan hat." Johann Wolfgang VON GOETHE Abgabe bei den Berichterstattern 28. Januar 2013 Einreichung an der Universität (Umlauf) 2. April 2013 Mündliche Prüfung 28. Mai 2013 Promotionskommissionsvorsitzender Prof. Dr. Johannes BARTH Erstberichterstatter Prof. Philip St.J. RUSSELL, D.Phil. Zweitberichterstatterin Prof. Monika A. M. RITSCH-MARTE, Ph.D. Zusammenfassung Photonische Hohlkernfasern (engl.: hollow-core photonic crystal fibres – HC-PCFs) bieten die einzigartige Möglichkeit, eine wohldefinierte und lichtintensive optische Mode in einem Medium mit kleinem Brechungsindex zu leiten. Dies ist in einer konventionellen optischen Glasfaser ein Ding der Unmöglichkeit. Füllt man zudem die löchrige Struktur der Faser mit einer Flüssigkeit, so beträgt der Überlapp einer darin gelösten oder suspendierten Probe mit dem Lichtfeld fast 100 %. Gleichzeitig ist die Strahlungsintensität im etwa 20 µm kleinen Faserkern im Vergleich zu konventionellen opto-analytischen Methoden um mehrere Größenordnungen erhöht. Mit anderen Worten: Die Hohlkernfaser verwandelt sich in einen exzellenten optofluidischen Kanal, der eine noch nie da gewesene Licht-Materie-Wechselwirkung entlang seiner Länge erlaubt. Die Grundlagen für die vorliegende Arbeit finden sich im gesamten Gebiet der Naturwissenschaft und Technik. Ich werde daher zunächst eine einführende Übersicht der für meine Studien wichti- gen Themengebiete geben. Im Rahmen der aufstrebenden Forschungsgebiete Biophotonik und Optofluidik werde ich anschließend zwei ganz unterschiedliche Anwendungsmöglickeiten von HC-PCFs demonstrieren, die dazu dienen sollen die Forschung in den Lebenswissenschaften vo- ranzutreiben. Zum einen werden die einzigartigen Eigenschaften optofluidischer PCFs ausgenutzt um mittels optischer Kräfte einzelne Zellen über bislang unerreichte Strecken zu transportieren. Durch die Enge im Faserkern wirken auf die Zelloberfläche erhöhte Scherkräfte, welche die De- formation der Zelle hervorrufen. Dies wiederum zieht eine Veränderung der Propagations- geschwindigkeit nach sich, was wir auf praktische Weise mit einer bildgebungsfreien DOPPLER- Geschwindigkeitsmessung aufzeichnen. Aus diesem Grunde stellen optofluidische PCFs ein vielversprechendes neues Werkzeug für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften einer Zelle dar, die ein wichtiger Indikator für ihren Gesundheitszustand sind. Zum anderen werden optofluidische PCFs als photochemische Mikrodurchflussreaktoren verwen- det. Dabei zeigt sich, dass sich durch die mikrofluidische Integration der Faser die Effektivität einer massenspektrometrischen Analyse drastisch steigern lässt. Dies ist von besonderer Bedeu- tung für das Screening von potentiellen Medikamenten für die lichtaktivierbare Chemotherapie. Wenn man die Grenzen der Methode weiter ausreizt, wird es letztlich vielleicht sogar möglich sein detailliertere Informationen über deren Wirkmechanismus in situ zu erhalten. Die vorgestellten neuen Methoden für die Zellbiologie und Photochemie demonstrieren sowohl das vielversprechende Potential als auch die vielseitige Anwendbarkeit von optofluidischen PCFs. Dies eröffnet eine fundamental neue Möglichkeit: Biomedizinische Forschung in fibra – in der Faser. iii Abstract Hollow-core photonic crystal fibre (HC-PCF) features the unique possibility to guide a defined and bright optical mode in a low refractive index material. This is totally impossible in con- ventional optical fibres. Moreover, when filling PCF’s holey structure with liquid medium, the overlap of a dissolved or suspended sample with the light field is close to unity. At the same time the irradiance in the about 20 µm small fibre core is increased by several orders of magni- tude compared to conventional opto-analytical techniques. In other words: HC-PCF turns into an outstanding optofluidic channel to allow unprecedented light-matter interaction along its length. The foundations of this thesis can be found throughout all of science and technology. An intro- ductory review of the relevant fields of study will therefore be given. Within the framework of the emerging fields of biophotonics and optofluidics, I will then demonstrate two rather different applications of optofluidic PCFs for the advancement of the life sciences. Firstly, the unique properties of optofluidic PCFs are exploited for unchallenged long-range trans- portation of individual cells by radiation forces. Moreover, due to the confined space inside the core, shear forces on the cell surface are greatly enhanced and provoke deformation. This causes changes in propagation speed that are conveniently monitored using a non-imaging Doppler- velocimetric technique. Therefore, optofluidic PCFs represent a budding new tool for the inves- tigation of cellular mechanics, which is an important indicator of a cell’s state of health. Secondly, optofluidic PCFs are used as microflow photochemical reactors. It becomes clear that upon microfluidic integration of the fibre, the efficiency of a mass-spectrometry-based analysis is drastically enhanced. This is particularly important for the screening and study of potential drugs for photoactivated chemotherapy. Pushing the limits further, it might eventually be possible to retrieve detailed information on their mechanism of action in situ. The presented new methods for cell biology and photochemistry demonstrate both the impressive potential and the versatile applicability of optofluidic PCFs. This creates a fundamentally new approach: biomedical research in fibra – in the fibre. Contents 1 Introduction to the Matter – and how to bring it to Light1 2 Optofluidic Photonic Crystal Fibres5 2.1 Optofluidics and Optical Micromanipulation in the Life Sciences. 6 2.1.1 Basic Principles of Microfluidics................. 6 2.1.2 Optofluidic Sensors and Reactors for Biochemistry..... 11 2.1.3 Force Transducers and Sensors for Cell Mechanics...... 16 2.1.4 Optical Micromanipulation of Particles and Cells...... 18 2.2 Hollow-Core Photonic Crystal Fibres.................. 26 2.2.1 Historical Accounts........................ 26 2.2.2 Fabrication............................. 31 2.2.3 Light Guidance Mechanisms................... 32 2.2.4 Filling Hollow-Core PCFs with Liquid .......... 39 ! * 2.2.5 yields Unbeaten Optofluidic Channels.......... 44 * ! 3 Optical Guidance and Deformation Monitoring of Single Cells in fibra 51 3.1 Framework................................. 51 3.2 Instrumentation.............................. 53 3.2.1 Materials and Sample Preparation............... 53 3.2.2 Experiment............................. 55 3.3 Results and Discussion.......................... 62 3.3.1 Long-Distance Optical Cell Guidance.............. 62 3.3.2 Temperature Calibration..................... 63 3.3.3 Imaging-Free Deformation Monitoring............ 66 3.3.4 Theoretical Analysis........................ 68 3.4 Conclusions................................. 71 4 Optofluidic Integration of PCF Photochemical Microflow Reactors 73 4.1 Framework................................. 73 4.2 Instrumentation.............................. 76 4.2.1 Materials and Sample Preparation............... 76 4.2.2 Experiment............................. 79 v 4.3 Results and Discussion.......................... 89 4.3.1 Photoaquation of Vitamin B12 .................. 89 4.3.2 Photoactivation of Potential Anticancer Compounds.... 90 4.4 Conclusions................................. 98 5 Outlook 101 5.1 PCF Optofluidic Microparticle and Cell Guides............ 101 5.1.1 Guidance of Single Eukaryotic Cells.............. 101 5.1.2 Biomechanical Probing of Single Cells............. 103 5.1.3 Investigation of Optically-Bound Cell Chains......... 104 5.1.4 Improvement of the Setup and On-Chip Integration..... 106 5.1.5 Cell Mechanics Modelling.................... 107 5.1.6 In-Fibre Microenvironment Monitoring with Sensor Beads. 108 5.2 PCF Photochemical Flow Reactors.................... 109 5.2.1 Direct Injection of Online Photoactivated Agents into Tis- sue Culture............................. 109 5.2.2 Microflow Photochemical Synthesis.............. 110 Bibliography 111 Publications 137 Acknowledgements 141 vii 11 Introduction to the Matter – and how to bring it to Light "Wenn du eine weise Antwort verlangst, mußt du vernünftig fragen." Johann Wolfgang VON GOETHE (1749–1832) "And when the answer that you want is in the question that you state, come what may, come what may." ’Blood Red Summer’, COHEED &CAMBRIA (2004) We live in an age in which mankind strives towards enhancing efficiency in all aspects of life. Clearly, this concerns foremost science and technology which have always had a pioneering role in sociocultural evolution. The quest is therefore to increase the handling and cost efficiency in both production