光驱动金纳米棒旋转马达系统的构建与运行

本实验系统的主要目标是利用圆偏振光镊在纳米尺度上产生并测量旋转运动和扭矩。可通过附加仪器对旋转物体进行检测，以开展布朗动力学分析和光散射光谱研究。该方法有助于解答纳米尺度热物理与光学物理中的关键问题。

例如，与纳米颗粒的布朗扩散以及光角动量向纳米颗粒的转移相关。该技术的主要优势在于，它能够实现纳米颗粒在高频率下的稳定旋转，并且测量结果可提供关于纳米颗粒及其周围微环境的详细信息。其原理是利用聚焦激光束在光镊装置中捕获金属纳米颗粒。

如果捕获激光为圆偏振光，纳米颗粒将因光的角动量传递而发生旋转。围绕一台合适的倒置显微镜构建实验装置。该装置包含用于光镊以及对被捕获颗粒进行测量的各个组件。

这是该装置的示意图。目前，请重点关注光镊部分的元件。选择波长为660纳米、线性偏振、输出功率稳定且最高可达500毫瓦的激光器。

采用开普勒望远镜结构的透镜组来扩束。使用装在运动学镜架中的反射镜将激光束引导至显微镜。在显微镜内部，使用50:50的分束器将激光耦合至物镜中。

为了实现光路对准和数据采集，需在反射光路径中加入一个相机。此时，显微镜内部的可旋转反射镜可将光线引导至该相机。调节开普勒望远镜透镜以扩束光束。

使光束略大于捕获物镜的后光圈，以优化聚焦效果。沿光束传播路径移动，检查准直情况。光束在传播至物镜的过程中，其直径应保持不变。

将激光聚焦在玻璃载片或镜面上。通过光路中的反射镜进行精细调节。未正确准直的激光具有非径向对称的光强分布。

如果激光准直良好，在焦点前后调节焦距时，其光强分布呈径向对称。现在通过引入一个四分之一波片使光束变为圆偏振光。将其快轴方向相对于光的线偏振方向成45度角放置。

为了获得最佳的旋转性能，激光的圆偏振必须良好。如果在此阶段出现问题，可插入半波片以校正光路中光学元件的不利双折射。最后，使用油浸式聚光镜建立暗场系统和环形照明。

修复用于光子关联光谱的元件。安装分束器，将显微镜发出的光重定向至一个端口。在该端口处，依次放置一个线性偏振片，以及一个带有收集光纤的xy平移台组件。

将光线聚焦到位于x y平移台上的收集光纤上。该光纤最终将连接至一个快速单像素硅光电二极管。确保收集光纤的纤芯尺寸足够大，以容纳纳米颗粒因平移布朗运动而发生位移时的成像范围。

如果未满足此标准，则所收集的数据可能难以解释。为对准收集光纤，需将可见光耦合至其未连接的一端。这将照亮显微镜下的基底，从而可观察光纤的收集区域。通过平移台调整光纤的位置。

当收集区域与光镊位置重合时停止。然后将光纤末端从光源移至探测器。在此示意图中，这些元件代表进行光子关联光谱所需的装置。

进行暗场光谱实验装置时，应将光谱仪就位。通过置于反射光路中的反射镜将光引导至光谱仪。在此情况下，反射镜位于显微镜主体上。在反射镜前使用陷波滤光片以去除捕获激光的光信号。

调节导向镜，使光镊与光谱仪狭缝重合。首先准备实验所需的颗粒，将颗粒用去离子水稀释至适当浓度。

将稀释后的溶液超声处理两分钟，以破坏聚集体并形成均匀分散液。接下来制备样品池。使用显微镜载玻片和盖玻片。

在丙酮中每份超声处理五分钟，随后在异丙醇中进行超声处理。处理完成后，在玻璃载片上制作一个深度为100微米的间隔胶带孔。将两微升稀释后的纳米颗粒溶液分散于孔内。

同时在盖玻片上滴加两微升。将细胞池的两部分合在一起，腔室内不应有气泡。

将样品移至显微镜载物台上。在样品上方滴加一滴折射率匹配的浸油，另取一滴置于聚光镜上。

开始实验时，先阻断捕获激光。通过暗场成像系统观察，找到合适的微粒。解除激光阻断，调节载物台和焦距，将微粒向前推动至水-玻璃界面处。

对于旋转动力学测量，使用硅光电探测器采集强度振荡信号。对于光谱测量，首先采用均匀分散且密集分布的聚苯乙烯微球基底，记录来自基底散射响应的白光光谱。

接下来，将显微镜中的微珠样品替换为纳米颗粒样品。记录来自捕获点杂散光的背景光谱。随后，遮挡所有照射到探测器的光线，在此条件下记录暗光谱。

从光束中移除该模块，最终捕获一个纳米粒子，并记录与其相关的原始光谱。这些信号来自于被捕获并旋转的纳米棒所散射回的激光光强波动。对于此类未经处理的数据，很难提取出任何时间尺度上的有效信息。

然而，当对强度数据进行自相关分析时，会显示出与纳米棒旋转频率相关的振荡。经过几个周期后振荡逐渐衰减，这是由于旋转布朗运动所致。红色曲线是对理论自相关函数的拟合，由此可以提取出有关旋转运动的详细信息。

此处，被捕获的纳米棒的原始散射强度以深蓝色表示。由于陷波滤波器的存在，该信号发生畸变。为了分离出纳米棒的散射光谱，需使用红色的背景光谱和橙色的白光激发光谱对原始数据进行校准。

这是校正后的散射光谱。该光谱显示出两个明显的局域表面等离子体共振峰，符合预期。在此图中，蓝色点表示来自被捕获纳米棒的散射光谱，其中已忽略失真的光谱区域。

红色曲线是双洛伦兹模型函数的拟合结果，拟合的两个组分分别以浅蓝色和橙色表示。一旦搭建好实验装置并掌握相关技术，若操作得当，光学捕获与旋转实验可在数小时内完成。

进行该实验操作时，需注意选用合适的纳米棒，其主共振峰应位于激光波长的蓝光波段一侧，同时应具有明显分离的共振峰，并且物理尺寸足够大，以实现稳定捕获。用于纳米棒旋转实验的光镊系统，可通过多种不同激光波长、显微镜物镜和显微镜搭建，仅需进行少量调整即可。此外，可方便地增加用于平动布朗运动测量的仪器，以获取互补的实验数据。

该纳米粒子旋转平台已被证明可作为粘度和局部温度的示波器式测量工具，用于追踪纳米棒及分子涂层的形态变化，并可作为光热和热力学过程的换能器与探针。观看本视频后，您应能充分理解如何对金属纳米棒开展光镊实验，如何利用圆偏振光使其旋转，以及如何通过光子相关光谱和暗场光谱提取相关信息。

请务必注意，使用激光器可能对眼睛造成严重危害，因此在进行本实验操作时，必须始终采取佩戴激光防护眼镜、使用适当的激光滤光片以及遵循规范的操作程序等安全预防措施。