本实验方案的目的是详细介绍一种经过验证的方法,用于制备等离激元纳米颗粒样品,并利用微分干涉差显微镜(DIC)对其进行单颗粒光谱分析。
本实验方案的目的是详细介绍一种经过验证的方法,用于制备等离激元纳米颗粒样品,并利用微分干涉差显微镜(DIC)对其进行单颗粒光谱分析。
微分干涉差(DIC)显微镜是一种强大的成像工具,最常用于利用可见光范围对微米级物体进行成像。本实验方案的目的是详细介绍一种经过验证的等离子体纳米颗粒样品制备方法,并结合DIC显微镜对其进行单颗粒光谱分析。为了实现可重复的光谱实验,必须严格遵循若干关键步骤。首先,可在样品基底上刻蚀标记点,以帮助定位样品表面,并在实验过程中追踪目标区域。其次,必须彻底清洁基底上的碎屑和污染物,否则这些杂质可能干扰或遮蔽样品的观察。样品正确制备后,需使用科勒照明(Kohler Illumination)对显微镜的光路进行校准。在使用标准诺马尔斯基(Nomarski)型DIC显微镜时,可能需要旋转样品,特别是当等离子体纳米颗粒表现出取向依赖性光学特性时。由于DIC显微镜具有两个固有的正交偏振场,其波长依赖性的DIC对比图样能够揭示棒状等离子体纳米颗粒的取向。最后,数据采集与数据分析必须谨慎进行。通常可将基于DIC的光谱数据表示为对比度值,但也可将其表示为强度数据。在本单颗粒光谱分析的DIC应用示例中,重点研究球形和棒状金纳米颗粒。
自20世纪80年代以来,微分干涉相差(DIC)显微镜技术在很大程度上被视为生物科学领域内用于微尺度物体成像的重要方法。然而,在20世纪50年代和60年代该技术发展的初期,其设计初衷是作为一种材料科学的研究技术1。随着近年来等离激元纳米颗粒相关材料科学的进展,利用光学显微镜对材料进行表征的研究兴趣日益增加。
目前已有多种光学技术可用于纳米材料的表征(例如暗场、明场、偏振光、荧光等)。暗场技术在纳米颗粒研究中应用广泛,但它仅依赖散射光的收集,对复杂样品提供的信息有限2。荧光技术可能有用,但仅适用于能够发光或可被适当染色的样品。微分干涉差显微镜(DIC)具备若干特性,使其成为纳米颗粒分析的有力工具。相较于其他方法,尤其是针对等离激元纳米颗粒,DIC最常被提及的优势包括:无需样品染色、无晕轮效应、景深浅以及横向分辨率高3。此外,DIC还具备其他对等离激元纳米颗粒研究具有价值的优点。首先,系统内存在两个固有且正交的偏振场,可同时用于光谱测量2。其次,纳米颗粒的去偏振信号不会被最终图像所捕获2,而这一点在暗场光谱测量中可能引发严重关注。
本文的目的是提供一种利用透射光诺马尔斯基微分干涉相衬(DIC)显微镜对等离激元纳米颗粒进行光谱分析的清晰方法。尽管DIC是一种可应用于多种不同材料的强有力技术,但在对纳米颗粒成像时,该技术的操作需要极高的技巧和深入的理解。基于透射的诺马尔斯基DIC显微镜具有复杂的光路1,本文仅作简要回顾。DIC的光路如图1所示。光源首先通过起偏器和一个分束诺马尔斯基棱镜,再经聚光镜聚焦到样品平面,光线穿过样品后进入物镜。随后,光线经过一个合束诺马尔斯基棱镜和检偏器,最终到达探测器。两个偏振器以及诺马尔斯基棱镜对于DIC图像的形成至关重要,它们负责产生DIC的两束正交偏振光场1。对于希望进一步了解诺马尔斯基DIC显微镜工作原理与光路,或诺马尔斯基DIC与其他类型DIC之间差异的读者,可参考其他关于这些主题的优秀文献资料1,4,5,6,7。
在对等离激元纳米颗粒进行光谱学研究之前,无论使用诺马尔斯基微分干涉相衬(DIC)、暗场还是其他任何显微技术,理解其基本性质同样至关重要。在等离激元领域,纳米颗粒被定义为尺寸在10-100 nm量级的微粒8,9。纳米颗粒可以具有多种形状(例如球形、棒状、星形、哑铃形等),其大多数重要特性源于与电磁波谱中紫外-可见-近红外范围光的相互作用。术语“等离激元”并不仅限于纳米颗粒10;然而,在讨论纳米颗粒时,它通常指局域表面等离激元共振(LSPR)。LSPR是一种现象,即纳米颗粒中的导带电子由于与特定频率且相对较窄频带的电磁辐射发生库仑相互作用而产生振荡8。在相同频率下,等离激元纳米颗粒表现出增强的光吸收和散射能力,使其可通过光学显微镜观察。在许多情况下,优选在聚光镜前放置带通滤光片以观察纳米颗粒2,从而提高成像对比度,并消除无法激发LSPR效应的光。使用滤光片还使得开展单颗粒光谱学实验成为可能。
局域表面等离激元共振(LSPR)相关的光学行为高度依赖于纳米颗粒的尺寸和形状,可通过多种光学显微技术进行研究。然而,为了解析具有各向异性(即非球形)形状的等离激元纳米颗粒的取向信息,必须利用光场的偏振特性。通过以微小角度逐步精确旋转光的偏振方向或样品基底,可以监测单个纳米颗粒的取向依赖性光谱特性。旋转与偏振手段还可用于判断光谱特征源于纳米颗粒表面电子的偶极振荡还是高阶振荡。然而,对于各向同性(即球形)纳米颗粒而言,在偏振光下旋转样品时,其光谱轮廓基本保持不变。
当通过微分干涉相差显微镜观察时(图2),纳米颗粒在灰色背景上呈现出明暗相间的盘状阴影外观。当球形纳米颗粒发生旋转或带通滤光片改变时,其外观特征保持不变;然而,随着滤光片中心波长与球形颗粒唯一的偶极局域表面等离子体共振(LSPR)波长的偏离程度增大,颗粒将逐渐从视野中消失11纳米棒在旋转过程中其外观可能会发生显著变化2纳米棒具有两个表现出偶极行为的局域表面等离子体共振(LSPR)谱带,其位置取决于纳米棒的物理尺寸。当纳米棒的长轴方向与微分干涉差显微镜(DIC)某一偏振场平行时,若使用对应于该LSPR波长的带通滤光片进行观察,艾里斑将呈现全白色或全黑色。旋转样品后 90°,它将呈现相反的颜色。或者,由于纳米棒的横向轴与纵向轴垂直,当在匹配两个轴向LSPR波长的滤光片之间切换时,纳米棒将呈现相反的颜色。在其他取向和滤光片设置下,纳米棒将更类似于球形,呈现出多种阴影投影的艾里斑图案。对于具有横向轴的纳米棒 < 25 nm时,使用微分干涉相差显微镜检测该局域表面等离子体共振波长处的信号可能较为困难。
进行单颗粒光谱分析时,使用正确的光学元件并对其进行正确对准至关重要。必须使用能够支持微分干涉差(DIC)显微镜的物镜。对于单颗粒实验,80倍或100倍的油镜最为理想。诺马尔斯基DIC棱镜通常有三种类型:标准型、高对比度型和高分辨率型。选择何种类型主要取决于实验目的和纳米颗粒的尺寸。标准棱镜适用于多数实验;但在处理较小的纳米颗粒(< 50 nm)时,高对比度棱镜可能更有利,因为随着颗粒尺寸减小,其成像对比度会降低11。调节DIC对比度的方法取决于显微镜的品牌或型号,可通过旋转偏振器或移动其中一个DIC棱镜来实现6。
在设置科勒照明和偏振器参数后,收集光谱数据时切勿重新调整这些设置。此外,在整个数据采集过程中,即使在切换滤光片和角度设置时,也必须始终保持恒定的平均背景信号。实际理想的背景值取决于科学相机的动态范围,但通常情况下,背景信号应维持在相机最大检测水平的15%–40%之间。这既能降低相机传感器饱和的可能性,又能实现最佳的颗粒对比度。在采集光谱数据时,必须使用能够采集黑白图像的科学相机,而非彩色相机。
样品制备是成像等离激元纳米颗粒的另一个关键方面。微分干涉差显微镜(DIC)的操作人员必须了解样品的光学特性及其基底的性质。“预清洁”的显微镜玻片并不足以满足纳米颗粒成像的要求,在样品沉积前必须进行彻底的重新清洗,以确保对样品的无遮挡观察。虽然此前已有多种显微镜载玻片的清洗方案被记录在案12,但该步骤在实验研究中通常未被报道。
最后,数据分析方法是单颗粒光谱学的最终组成部分。必须测量每个纳米颗粒的最大和最小强度,以及局部背景平均值。感兴趣颗粒应位于无背景杂质、基底缺陷或照明不均匀的区域。确定纳米颗粒光谱特征的一种方法是通过以下公式计算每个波长处的颗粒对比度11,13,14,15:

或者,可将单个粒子的光谱分解为其独立的最大和最小信号分量,这两个分量分别代表微分干涉相差(DIC)的两个偏振场,从而通过以下两个方程同时显示采集到的两个方向依赖性光谱。


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1. 使用标准玻璃显微镜载玻片进行样品制备
2. 差示干涉对比成像
3. 使用 ImageJ 进行数据分析
注意:以下计算可在多种软件包中进行,有时也可在用于采集图像的原始程序中完成。ImageJ 是美国国立卫生研究院(NIH)提供的免费软件。



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当处理大到肉眼可见的样品时,通常无需在玻璃基底上标记定位标志。然而,在处理纳米材料或需要确定样品取向的情况下,定位标志可提供一种简便的方法,用于定位、区分和追踪样品的方向。尽管可采用更复杂的技术在玻璃基底上留下标志17,但使用刻划笔在玻璃表面划痕是一种经济且简单的方法,适用于多种情况。需要注意的是,应避免检测紧邻这些标志的样品区域,因为划痕会产生复杂的背景,可能影响数据结果(图3)。然而,在划痕的末端,常会向外延伸出被称为“蜘蛛网”的细线结构。这些线条作为定位标志非常有价值,但同样地,若纳米颗粒与这些缺陷重叠,则应避免选择这些区域。
为了在微分干涉差显微镜(DIC)成像中获得最佳效果,确定合适的焦平面至关重要。略微失焦的物体会显得模糊、边缘不清,并且对比度降低。图4展示了不同程度失焦的金...
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使用微分干涉差(DIC)显微镜成像时,在采集数据前优化光学组件至关重要。即使在实验过程中对偏振器进行微小调整,也可能对最终数据产生显著影响6。此外,不同样品材料需要不同的偏振器设置。尽管本实验中采用了较大的步长以展示偏振角的影响,但在实际实验中,必须将偏振器的设置在最佳对比度位置的1°–2°范围内进行优化。偏振器的设置角度也应记录下来,以供后续参考。建议始终在交叉偏振器(0°)点的同一侧进行操作。来回切换并无优势,反而可能因阴影图案的反转而导致混淆。
其次,计划进行光谱分析时,监测背景强度至关重要。最佳方法是通过调整相机曝光时间,或在光路中添加中性密度滤光片来实现。调节光圈或光源强度可能会影响柯勒照明,并改变对比度值。背景在样品上的分布应相对均匀,以确保选择不同的背景区域不会影响对比度的计算结果。应避免使用周围没有干净背景区域的样品。此外,背景强度的初始设置既不能过高,也不能过低。若背景强度设置过高,部分信号可能超出相机的最大检测范围,导致这些区域的对比度无法计算;若背景强度设置过低,则难以在微分干涉差(DIC)信号的暗部与背景信号之...
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作者无任何利益冲突需要披露。
安东尼·S·斯坦德博士希望感谢俄亥俄大学纳米尺度与量子现象研究所(NQPI)提供的技术支持。本文 由俄亥俄大学为 Stender 博士提供的启动资金资助完成。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Contrad 70 | Decon Labs, Inc. | 1002 | 用于清洁显微镜玻片,可通过多家化学试剂供应商获取 |
| 乙醇 | Fisher Scientific | A962-4 | 用于清洁和保存显微镜玻片 |
| 玻璃显微镜盖玻片 | Ted Pella | 260148 | |
| 玻璃显微镜载玻片 | Ted Pella | 26007 | |
| 金纳米棒 | Nanopartz | DIAM-SPR-25-650 | |
| 金纳米球(80 nm) | Sigma Aldrich | 742023-25ML | |
| ImageJ | NIH | N/A | NIH提供的免费数据分析软件 |
| 指甲油 | Electron Microscopy Sciences | 72180 | |
| Nikon Ti-E 显微镜 | Nikon | N/A | |
| 氮气 | Airgas | N/A | |
| ORCA Flash 4.0 V2+ 数字 sCMOS 相机 | Hamamatsu | 77054098 | |
| 标记笔 | Amazon | N/A | 网上有多种低于10美元的选择,无需购买昂贵型号。 |
| 超纯水 | 18 兆欧 |
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