Name: 轻型金纳米旋转电机系统的施工与运行 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: 了解利用圆偏振光镊技术构建金纳米旋转电机系统的方法，用于测量纳米尺度旋转与扭矩。该技术可实现金纳米棒在液体中的稳定高频旋转，并通过光子相关光谱分析布朗运动与光角动量传递，为纳米热光学物理研究提供重要工具。

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本工作由克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会、瑞典研究理事会以及查尔姆斯大学先进纳米科学与纳米技术领域项目资助。

1. 用于纳米粒子旋转的圆偏振光镊
<ol>
	<li>在合适的倒置显微镜周围构建实验装置，并使用可见红光波长激光器（660 nm）。实验装置的示意图见图2。确保选择输出功率稳定、最高可达500 mW的激光器（在样品平面处产生约50 mW的功率）。同时确保其余组件在捕获激光波长下性能良好。</li>
	<li>使用数值孔径（NA）为0.95、放大倍数为40倍的干式物镜。</li>
	<li>始终佩戴安全护目镜，并确保良好的激光安全防护（特别是在使用不可见激光时）。在最低激光功率下进行光路校准。将整个激光光路封闭，以确保安全并避免热漂移和光路中进入灰尘。 
	注意：根据激光输出的偏振状态，可在光路起始位置放置一个线性偏振片以优化光镊性能。如果激光的偏振状态已经是线性的，则可省略该组件。</li>
	<li>采用一对正透镜组成开普勒望远镜结构（见图2底部的透镜），以扩束激光，使光束直径略大于捕获物镜的后孔径。 
	注意：这可以充分利用物镜的数值孔径，产生衍射极限的聚焦光斑11，从而获得最佳的捕获刚度。</li>
	<li>确保激光经过扩束系统后正确准直。可通过观察光束传播至物镜时其尺寸基本不变来验证（也可使用剪切干涉仪进行检测）。</li>
	<li>使用两个反射镜（图2中的M1和M2），安装在运动学镜架上（如有需要，可加装平移台），将激光束导入显微镜系统。 
	注意1：激光反射镜与显微镜之间应预留足够空间，以便添加波片和分束器等额外光学元件。 
	注意2：必须确保激光始终被滤除，避免从目镜或其他可接触的显微镜出光口射出。</li>
	<li>在显微镜内部使用分束器（此处使用50/50部分透射/反射分束器，但二向色分束器也可适用），将激光耦合进入物镜，同时不损失显微镜系统的成像和测量能力。</li>
	<li>在系统中加入相机（见图2），用于后续实验观察和数据记录。若使用无目镜的系统，此步骤对校准至关重要。</li>
	<li>将激光聚焦于玻璃载片或反射镜上。若激光已正确对准并以合适角度进入物镜，则在焦点上下移动时，激光强度分布呈径向对称。</li>
	<li>微调激光反射镜（图2中的M1和M2）的角度，以获得最佳的激光对准效果（如步骤1.9所述）。</li>
	<li>将激光光束圆偏振化。
	<ol>
		<li>在通向物镜的光路中，使激光通过一个四分之一波片（QWP；图2中标注为λ/4），将其快轴方向设置为与激光线性偏振方向成45°，从而在样品平面处将线偏振光转换为圆偏振光。</li>
		<li>在物镜前方设置一个可360°旋转的线性偏振片和一个功率计。</li>
		<li>通过旋转线性偏振片并记录最大和最小功率值（对应偏振椭圆的长轴和短轴）来检测偏振状态。 
		注意：该比值应高于0.9，以实现最佳旋转性能。若未达到此值，请参见步骤4.2的解决方案。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测量样品平面处的激光功率。
	<ol>
		<li>使用光学功率计探测样品平面处的激光功率。注意收集所有通过物镜的光，以准确测定捕获功率。</li>
		<li>对激光输出功率进行线性扫描，并记录对应的样品平面功率，用于后续转换为捕获区域的功率密度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用油浸暗场聚光镜，在科勒照明条件下建立暗场（DF）系统，以实现对颗粒及捕获事件的可视化观察。该系统可支持对被捕获纳米颗粒的成像和光谱测量。</li>
</ol>
2. 用于测量旋转、旋转布朗动力学及光谱特性的仪器设备
<ol>
	<li>使用单像素探测器进行光子相关光谱测量。
	<ol>
		<li>将一个分束器（30R/70T）插入光路中，以提取来自纳米颗粒的背向散射光。</li>
		<li>将一个快速单像素硅光电二极管连接到数据采集卡，以实现信号记录。 
		注意：必须使用能够测量预期旋转频率（数十kHz）的光电二极管/数据采集系统。</li>
		<li>将光聚焦到固定在xy平移调节架上的收集光纤中。在收集光纤前插入一个线性偏振片。</li>
		<li>为对准收集光纤，可将可见光耦合至光纤输出端，以照亮样品基底。这有助于观察和分析光纤的收集区域。</li>
		<li>使用xy平移调节架调整光纤位置，使其收集区域与光镊位置重合。将光纤输出端连接至硅探测器，并微调光纤位置以最大化收集到的背向散射信号。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>暗场光谱测量装置。
	<ol>
		<li>需注意，在样品与光谱仪之间的光路中选择所有光学元件时应谨慎，避免阻挡目标光谱范围内的光。</li>
		<li>需特别注意，直接散射和/或反射的激光可能损坏光谱仪传感器。应使用适当的滤光片和/或二向色分束器阻挡激光。系统对准时始终使用最低激光功率。</li>
		<li>在光路中插入一个分束器/反射镜，将光重定向至光谱仪（本方案中使用自由空间耦合光谱仪）。若条件允许，也可使用显微镜的一个输出端口。</li>
		<li>使用陷波滤光片去除强烈的捕获激光（本实验中需使用在激光波长处总光密度OD12的滤光片），否则该激光将掩盖目标纳米颗粒的光谱响应。</li>
		<li>通过导向镜（图2中的M1和M2）调整光镊的位置，使其与光谱仪狭缝位置重合。 
		注意1：光镊位置的任何改变均需重新对准光子相关测量系统（参见步骤2.1.4–2.1.5）。 
		注意2：在光镊新位置处，需重复步骤1.9–1.10，以实现良好对准的光镊。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 实验步骤
<ol>
	<li>实验用颗粒的制备
	<ol>
		<li>将颗粒稀释于去离子水中。纳米棒的合适浓度应在 0.1–0.01 pM 范围内。将稀释后的溶液置于超声清洗仪中超声处理 2 分钟，以分散可能存在的聚集体并使溶液均一。</li>
		<li>调整稀释液中纳米棒的浓度，以避免捕获多个颗粒。实验时间越长，所需浓度越低，以降低捕获多个颗粒或发生污染的风险。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>样品细胞的制备
	<ol>
		<li>将显微镜载玻片和盖玻片（No. 1.5）分别在丙酮中超声清洗五分钟，随后在异丙醇中超声清洗五分钟。 
		注意：确保实验过程中玻片表面电荷与胶体纳米颗粒具有相同的极性。由表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）稳定的纳米颗粒带正电。</li>
		<li>放置一个 100 µm 在载玻片上用间隔胶带隔出小室。</li>
		<li>分散 2 µL 将稀释后的纳米颗粒溶液加入载玻片上的孔内 2 µL 在盖玻片上。两个表面均有溶液可使样品池的组装更易控制。</li>
		<li>将样品池的两部分连接在一起，同时避免在腔室内产生任何气泡。</li>
		<li>将样品置于显微镜载物台上，在样品上方和聚光镜上各滴加一滴折射率匹配的浸油。两侧均滴加油滴可避免油中产生气泡，从而防止光线散射并提高暗场照明的对比度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行实验。
	<ol>
		<li>通过暗场成像系统观察定位颗粒。通常可通过观察其布朗运动（比聚集体更剧烈）和颜色（对应最强的局域表面等离子体共振）来识别单个纳米棒。</li>
		<li>启动/解除捕获激光的封锁。</li>
		<li>通过一系列的阶段移动和焦距校正，推动选定的粒子 通过 激光传播方向上朝向水-玻璃界面的辐射压力。在界面处， z-运动受到纳米粒子表面CTAB分子与带正电表面之间的辐射压力与库仑排斥力之间平衡的制约。 xy- 由光镊中的梯度力限制了涨落。</li>
		<li>通过微调焦距，根据自相关数据（如下文步骤 3.4 所述）评估并最大化捕获稳定性或旋转速度。</li>
		<li>此时，记录被捕获纳米棒的旋转动力学行为和光谱特性。有关如何探测这些性质的说明，请参见下文的步骤3.4和3.5。该过程可长时间进行，必要时可持续数小时。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>旋转动力学测量
	<ol>
		<li>确保光纤的收集区域足够大，以始终包含粒子在平移运动过程中的成像范围。</li>
		<li>使用硅光电探测器在适当的探测频率和采集时间内收集强度振荡信号。初始设置建议采用 65536 Hz 的采样频率和 1 s 的采集时间，必要时可进行调整。 
		注意：探测频率应至少为旋转频率乘以可检测旋转对称度（N，见下文）的两倍（理想情况下为十倍）。采集时间应足够长，以能够获得显著低于旋转频率的频率。</li>
		<li>在收集旋转纳米颗粒的一组强度波动数据后，计算该强度波动的自相关函数。具体方法是对信号与其自身的时间延迟副本，在每个延迟时间点上计算其相关性。 τ (即，C(τ) = {I(τ)·I(0)}).</li>
		<li>拟合理论自相关函数 
		<img alt="用于分子动力学分析的旋转相关函数的数学公式" src="/files/ftp_upload/57947/57947eq1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> 
		其中 I0 是平均强度， I1 是强度波动的幅度，N 是可检测到的旋转对称性程度（对于棒状粒子，N=2）2,3.</li>
		<li>从拟合结果中提取旋转频率 frot 自相关信号的衰减时间 τ0 （与旋转布朗运动动力学相关）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>光谱测量。
	<ol>
		<li>记录白光光谱（I白色（λ）通过收集照明光实现。可通过在表面密集分散均匀散射的聚苯乙烯微球并收集其散射响应来完成。</li>
		<li>记录背景光谱（Ibkg（λ）通过在无粒子被捕获时收集捕获点处的散射光。 
		注意1：由于不同样品池之间甚至样品内部不同位置的背景特性可能存在显著差异，因此每次单独测量时都应进行此操作。 
		注意2：记录背景光谱时应使用与光镊捕获相同的激光功率。这可以消除由焦点处高激光强度激发的玻璃载玻片可能产生的自荧光。</li>
		<li>记录暗光谱（I暗（λ）），同时阻断所有到达探测器的光。然后，记录一个被捕获纳米颗粒的原始光谱（I原始(λ)</li>
		<li>通过计算获取实际的纳米颗粒散射光谱 
		<img alt="用于光谱分析的散射强度方程，Iscatt(λ)，公式。" src="/files/ftp_upload/57947/57947eq2v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 2"></li>
		<li>为了提取局域表面等离子体共振（LSPR）峰位信息，需在能量尺度上对暗场散射光谱使用双洛伦兹拟合函数进行拟合，并包含一个用于校正金中带间跃迁的线性修正项。该模型函数表达式如下： 
		<img alt="静态平衡公式，I(E)=IB+kE+∑IΓ/((E-E0)²+Γ²)，方程分析，光谱结果。" src="/files/ftp_upload/57947/57947eq3v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 3"> 
		其中 E 是能量， IB 是一个基线强度， k 线性校正的斜率 Ii 是强度最大值，Γi 半高宽（FWHM）以及 E0，i 两个洛伦兹峰的峰位。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 常见问题的故障排除与解决方案
<ol>
	<li>与金纳米棒性质相关的问题。
	<ol>
		<li>捕获稳定性差。
		<ol>
			<li>确保主共振峰（通常为纳米棒的纵向共振）位于捕获激光波长的蓝光波长侧。否则，梯度力将变为排斥力而非吸引力37。</li>
			<li>随着纳米棒尺寸减小，布朗涨落引起的运动增强，同时斯托克斯拖曳产生的稳定力减弱。应确保纳米棒足够大，使xy方向的梯度力能够克服这些不稳定力。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>光谱特征重叠或过宽。
		<ol>
			<li>纳米棒需具有足够大的长径比，以使局域表面等离子体共振（LSPR）峰充分分离并可被单独分辨（见图1b）。 
			注：由于较长的纳米棒会导致纵向LSPR红移，激光波长对形状各向异性设定了上限。</li>
			<li>纳米颗粒应尽可能小，以避免在可见光范围内支持高阶LSPR模式，因为这会使分析复杂化。纳米颗粒的选择需在这一因素与第4.1.1.2条所述的捕获稳定性问题之间取得平衡。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>捕获激光的圆偏振不充分。 
	注：为了实现被捕获纳米颗粒的最佳旋转性能，到达样品平面的激光应为圆偏振光。分束器和其他光学元件可能具有偏振依赖性，仅使用四分之一波片（QWP）可能无法获得理想的圆偏振。
	<ol>
		<li>在光路中QWP之后插入一个半波片（HWP；见图2中的λ/2），以补偿分束器的双折射效应。</li>
		<li>设置线性偏振器和功率计装置，并对激光的偏振态进行分析（如第1.11.2–1.11.3条所述）。</li>
		<li>对于QWP每5度一个位置，将HWP在其整个角范围（90°）内以5度为步长旋转，测量每个位置的功率比。力求找到使最大功率与最小功率之比最大的QWP和HWP角度。 
		注：根据我们的经验，未使用HWP校正时最大与最小功率比的最大值为0.75，使用HWP校正后可达0.98。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在激光功率不足以在xy平面内约束颗粒时，颗粒粘附于界面。
	<ol>
		<li>通过颗粒洗涤程序及随后将纳米棒重新分散于可控浓度的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）中，调节稳定用表面活性剂的浓度。
		<ol>
			<li>离心纳米颗粒的储备溶液，直至颗粒沉淀（约600g下离心5分钟）。</li>
			<li>移除上清液。</li>
			<li>重新分散于水中。此步骤可稀释储备溶液中的CTAB含量。</li>
			<li>重复步骤4.3.1.1和4.3.1.2一次。 
			注：由于CTAB作为胶体稳定剂，后续洗涤步骤中应避免过长的离心时间和过高的转速，否则随着CTAB被洗去，颗粒聚集的风险会增加。</li>
			<li>此时原始胶体溶液中的大部分CTAB表面活性剂已被去除，可向胶体中引入新的、精确控制浓度的CTAB。根据我们的经验，将储备溶液分散于含20 µM CTAB的水中，再用去离子水稀释至实验所需浓度，可实现足够的表面覆盖，从而产生充分的库仑排斥力。</li>
			<li>可能需要进一步微调CTAB浓度，以针对所用特定批次的纳米颗粒建立合适的颗粒/表面排斥力。重复上述步骤并略微调整CTAB浓度，以找到合适的浓度。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>清洗玻璃表面以使其带负电。 
		注：该清洗程序可产生带负电的表面，在实验溶液中会被游离的CTAB分子包覆，从而带正电，并在二维捕获过程中对颗粒产生静电排斥。
		<ol>
			<li>取一片显微镜载玻片，将其置于80 °C、含2 wt%碱性洗涤剂的水溶液中清洗约10分钟，直至表面明显呈亲水性。 
			注：避免对玻璃载片清洗过久或过于剧烈，否则可能导致玻璃表面多孔并产生大量污染物颗粒。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>光子自相关光谱方面的问题。
	<ol>
		<li>强度振荡幅度低或信号噪声大。
		<ol>
			<li>在收集光纤前插入一个带通滤光片（BP滤光片，见图2），允许激光通过并阻挡暗场照明光。 
			注：原则上，收集所有光也能进行测量。然而，非偏振的白光暗场照明会有效激发面外模式，而纳米棒是绕其短轴在垂直于光轴的平面内旋转，对应的是面外横向LSPR模式。该模式在旋转过程中不携带形状各向异性信息，收集其发出的光只会降低测量的信噪比。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>自相关函数出现额外衰减。
		<ol>
			<li>确保收集光纤的纤芯尺寸足够大，能够包含纳米颗粒由于平移布朗运动而产生的所有位移范围内的成像。</li>
			<li>若使用的光纤纤芯尺寸过小，应更换为更大纤芯的光纤。</li>
			<li>按照第2.1.4–2.1.5条的步骤检查新光纤的对准情况。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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作者无任何利益冲突需要披露。

本方案所述的光镊装置基于商用倒置显微镜构建，并采用红色激光光源。然而，所述技术具有良好的通用性，只需稍作调整，即可用于在大多数商用或自制的正置及倒置显微镜上构建圆偏振光镊系统。捕获激光的波长可在较宽的可见光范围内选择-近红外光谱，只要其余光学组件和探测器在此特定波长下仍能正常工作即可。然而，在选择激光波长时，应考虑待操控粒子的尺寸及其共振峰在光谱中的位置，因为这将影响光镊力和旋转性能2,5光热效应的强度1，以及捕获稳定性26我们此前已成功使用波长为660、785、830和1064 nm的圆偏振激光镊子开展实验。
光镊系统中最重要的组件之一是显微镜物镜。本实验方案中使用的物镜为干式物镜，数值孔径（NA）为0.95。使用干式物镜在实验上实现起来更为简便；然而，由于样品池界面的折射，会导致光学像差。在当前情况下，结果是焦点光斑略微增大（约1.2 µm），相较于衍射极限（约0.4 µm），但这一差异并不会显著影响系统的整体捕获性能或旋转性能。原则上，只要物镜在捕获波长下具有良好的透光率、良好的偏振保持能力，并具备足够长的工作距离以穿过显微镜盖玻片和水层实现捕获，就可以使用多种类型的显微镜物镜。在二维捕获的情况下，数值孔径可以相对较低，这使得整个实验更为简单，并在焦点处提供更纯净的圆偏振光。然而，与高数值孔径物镜相比，可能需要更高的激光功率。根据我们的经验，数值孔径在0.7–0.95范围内的物镜在捕获、旋转和暗场光谱测量方面表现最佳，但使用更低或更高数值孔径的物镜也是可行的。
为了获得良好的旋转运动光子关联测量结果，需要使用快速的单像素探测器。应选择带宽至少为预期旋转频率乘以形状简并因子后的两倍、最好为十倍以上的探测器，且在所用捕获波长下具有高灵敏度。在本实验室的不同实验装置中，已成功使用了放大型硅光电探测器、单光子计数雪崩光电二极管（APD）以及光电倍增管（PMT）。通过使用功率谱分析等成熟技术测量和分析粒子的平移位移，还可获得额外信息，例如光阱刚度5。已有大量先前发表的文献描述了该技术的多种变体38,39。DF光谱学可采用多种自由空间或光纤耦合光谱仪实现，具体选择应基于计划研究所需的光谱范围、波长以及时间分辨率。
进行捕获实验时，可能会有额外的颗粒意外进入捕获区域。这可以通过监测旋转频率来检测，因为扰动会导致频率发生显著波动。可通过暗场显微镜进行目视检查，以确认是否存在额外颗粒；若发现此类情况，可移动载物台以避免进一步干扰，或需重新开始实验。
上述系统是一种实现金属纳米颗粒二维限域与旋转的简单且高效的方法。然而，对于某些应用而言，三维捕获所带来的额外操控自由度至关重要，因此当前的构型存在一定的局限性。不过，通过使用反向传播的激光镊子或更为特殊的捕获构型，有望实现三维限域与旋转。
尽管此处讨论的粒子和系统参数可以优化，以将光热加热降低至约15 K以下4，但在某些应用中，金属纳米粒子等离子体激发所伴随的温度升高仍可能带来问题。一种可能的进一步减少产热的途径是使用高折射率介电纳米粒子，而非等离子体粒子。这类粒子能够支持强烈的米氏散射型共振，同时表现出较低的本征吸收系数。我们最近已成功制备出胶体态的谐振硅（Si）纳米粒子，这可能在该方面具有应用前景40,41。

本文介绍的方法复制了我们先前研究中使用的方法1，用于研究影响光驱动金纳米棒旋转马达的纳米级光热效应。该实验平台的多种变体已在多项相关出版物中被采用2,3,4,5,6,7,8,9。
光镊广泛应用于物理、生物和工程领域，用于在微小尺度上控制位置、力和线性动量传递10,11,12,13,14。利用圆偏振光所携带的角动量可实现额外的运动控制，因为它能够持续地向被捕获物体传递扭矩15。通过结合光学线性动量和角动量的传递，可以构建出非侵入性的旋转纳米马达，具有多种应用潜力，例如向单个细胞递送药物16,17、纳米级手术18以及主动纳米流体学19等。
利用金属纳米颗粒作为光驱动操控的对象，可以发挥局域表面等离子体共振（LSPR）的优势，包括较大的光学截面、对环境变化的高度敏感性以及显著的场增强效应20,21,22,23这促使了等离激元学与光操控交叉领域涌现出大量研究。8,24,25,26,27局域表面等离子体共振所提供的强光-物质相互作用使我们能够设计出一种平台，其中圆偏振激光镊子可在水中驱动金纳米棒以创纪录的旋转频率转动2通过追踪旋转纳米棒的布朗运动，可以获得其周围环境和温度的详细信息3,5同步光谱分析为研究旋转纳米棒的局部温度和形貌稳定性提供了另一个独立的信息通道1已采用多种系统和构型来研究和实现光镊中的旋转运动，为该领域带来了重要的科学见解15,28,29,30,31,32然而，大多数此类研究涉及的是直径为数微米的物体，而单根纳米棒则可进入纳米尺度范围。此外，当使用金纳米棒作为旋转纳米马达时，力矩能够被高效地主要传递 通过 散射2,33这降低了被捕获粒子过热的风险3,34,35.
在以下方法中，我们概述了构建一种能够高效捕获和旋转金属纳米颗粒系统的步骤。本研究中所考虑的金纳米棒具有较高的散射截面，导致辐射压力在传播方向上强于相反方向的梯度力。为了仍能在三维空间中束缚这些颗粒，我们利用了玻璃表面的库仑排斥力与激光散射力在传播方向上的力平衡。这种二维捕获构型相比于标准的三维光镊显著扩展了可捕获颗粒的范围，并且可以轻松地与暗场光学成像和光谱技术相结合。
被捕获并旋转的金属纳米颗粒会与其周围环境发生相互作用，而关于这种相互作用的详细信息包含在其运动特性和光谱特性中。在介绍如何构建圆偏振光镊之后，我们还将概述如何在实验装置中集成用于探测旋转动力学和测量瑞利散射光谱的仪器。由此得到的是一个多功能平台，可用于物理学、化学和生物学中纳米尺度旋转现象的研究。
本方案假设研究人员能够获得合适的胶体金属纳米颗粒，优选单晶金纳米棒。金纳米棒可从专业公司购买，或通过湿化学法在实验室内部合成。我们实验中使用的金纳米棒是采用 Ye 描述的种子介导生长法制备的。 等 201336如果能对纳米颗粒的形貌和光学特性进行充分表征，则具有明显优势，例如可采用扫描电子显微镜（SEM）和光学消光测量方法。 图1 显示从代表性纳米棒类型测量中记录的数据1.
实验方案概述如下：第一部分介绍基于圆偏振光的光镊构建方法；第二部分介绍如何通过记录纳米马达的旋转动力学和散射特性来提取其相关信息。通过将经过线性偏振片滤波的后向散射激光投射到快速单像素探测器上，利用光子相关光谱法测量被捕获粒子的旋转频率和旋转布朗运动。3通过将数据拟合到理论上的自相关函数，可以提取出旋转布朗运动的旋转频率和旋转扩散的衰减时间。2,3利用暗场光谱法测量被捕获并旋转的纳米粒子的光学特性，该方法可提供有关粒子及其周围环境的互补信息。在第三节中，我们描述了金纳米棒的捕获与旋转实验步骤。
到目前为止所描述的方案为实现用于纳米颗粒旋转的圆偏振光镊系统提供了一条直接的路径。然而，有时会出现需要额外关注的问题。在第四部分中，我们列举了若干我们曾遇到的常见问题及其解决方法。这些问题包括：纳米颗粒光学性质导致的捕获稳定性差（4.1）、由于分束器双折射引起的非理想圆偏振导致旋转频率偏低（4.2）、因库仑排斥力不足导致纳米颗粒在玻璃表面粘附（4.3），以及自相关信号偏离特征形态（4.4）。

<table><tbody><tr><td>金纳米颗粒</td><td></td><td></td><td>购买或自行制备</td></tr><tr><td>商用倒置显微镜</td><td>Nikon</td><td>Eclipse TI</td><td></td></tr><tr><td>捕获激光器</td><td>Cobolt</td><td>Flamenco 05-01&amp;nbsp;</td><td>660 nm</td></tr><tr><td>物镜</td><td>Nikon</td><td>CFI Plan Apo Lambda 40X</td><td></td></tr><tr><td>激光防护眼镜</td><td>Thorlabs</td><td>LG4</td><td></td></tr><tr><td>用于安装光学元件的各种光机械组件</td><td></td><td></td><td>来自任意厂商的各种支架、立柱和组件</td></tr><tr><td>开普勒望远镜透镜1</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-035-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>开普勒望远镜透镜2</td><td>Thorlabs</td><td>LA1725-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>镀银镜片</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>运动学镜架</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>平移台</td><td>Thorlabs</td><td>PT1/M</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>50/50 透反分束器</td><td>Chroma</td><td>21000</td><td></td></tr><tr><td>CMOS相机</td><td>Andor</td><td>Zyla 5.5</td><td></td></tr><tr><td>四分之一波片（QWP，&amp;lambda;/4）</td><td>Thorlabs</td><td>AQWP05M-600</td><td></td></tr><tr><td>功率计</td><td>Thorlabs</td><td>PM100USB</td><td></td></tr><tr><td>光电二极管功率传感器</td><td>Thorlabs</td><td>S121C</td><td></td></tr><tr><td>线性偏振片</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td>用于激光偏振测量</td></tr><tr><td>360&amp;deg;旋转镜架</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>半波片（HWP，&amp;lambda;/2）</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td>当仅使用QWP偏振效果不足时使用</td></tr><tr><td>油浸暗场聚光镜</td><td>Nikon</td><td>C-DO Dark Field Condenser Oil&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>30/70 透反分束器</td><td>Chroma</td><td>21009</td><td></td></tr><tr><td>快速硅探测器</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>数据采集模块</td><td>National Instruments</td><td>USB-6361</td><td></td></tr><tr><td>光纤，400 &amp;micro;m 芯径</td><td>Thorlabs</td><td>M74L01</td><td></td></tr><tr><td>xy平移支架</td><td>Thorlabs</td><td>LM1XY/M</td><td></td></tr><tr><td>线性偏振片</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>Princeton Instruments&amp;nbsp;</td><td>IsoPlane SCT320&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪用CCD相机</td><td>Princeton Instruments&amp;nbsp;</td><td>PyLoN&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>陷波滤光片</td><td>Semrock</td><td>NF03-658E-25</td><td></td></tr><tr><td>陷波滤光片</td><td>Thorlabs</td><td>NF658-26</td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗机</td><td>Branson</td><td>Branson 3510&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>显微镜载玻片</td><td>Ted Pella</td><td>260202</td><td></td></tr><tr><td>1.5号盖玻片</td><td>VWR</td><td>630-2873</td><td></td></tr><tr><td>丙酮</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>异丙醇</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>基础型洗涤剂</td><td>Hellma</td><td>Hellmanex III</td><td>若出现颗粒粘附问题时用于清洗</td></tr><tr><td>Secure-Seal间隔垫片</td><td>Thermo Fisher</td><td>S24735</td><td>带孔胶带，用于制作样品池</td></tr><tr><td>浸油</td><td>Zeiss</td><td>444960-0000-000&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>聚苯乙烯微球（PS beads）</td><td>Microparticles GmbH</td><td>PS-R-5.0</td><td></td></tr><tr><td>分光光度计</td><td>Agilent</td><td>Cary 5000 UV-Vis-NIR</td><td></td></tr><tr><td>扫描电子显微镜（SEM）</td><td>Zeiss</td><td>Ultra 55 FEG SEM</td><td></td></tr><tr><td>镊子</td><td></td><td></td><td>任意品牌</td></tr></tbody></table>

光驱动金纳米棒旋转马达系统的构建与运行

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

在纳米尺度上产生和测量旋转与扭矩的能力，对于生物和人工纳米马达的研究与应用具有基础性意义，并可能为单细胞分析、非平衡热力学研究以及纳米系统的机械驱动提供新的途径。一种简便的驱动旋转方法是使用光学镊子中的聚焦圆偏振激光。通过这种方法，金属纳米颗粒可作为高效的散射驱动旋转马达，在水中以空前的旋转频率高速转动。
在本实验方案中，我们概述了用于纳米粒子旋转的圆偏振光镊的构建与操作，并描述了记录被捕获粒子布朗动力学和瑞利散射所需仪器设备。旋转运动与散射光谱可提供关于纳米粒子及其周围环境特性的独立信息。该实验平台已被证明可作为纳米尺度下黏度和局部温度的测量工具，用于追踪纳米棒及分子涂层的形貌变化，并可作为光热和热力学过程的换能器与探测探针。

通过使用单像素探测器记录金纳米棒在圆偏振激光镊子中被有效捕获后的光散射强度波动（图3a），可探测其旋转运动及旋转布朗运动。该信号的自相关谱包含一个振荡分量，类似于图3b所示结果，可通过理论自相关函数进行拟合。拟合可提取纳米棒的旋转频率以及与旋转布朗波动相关的自相关衰减时间。
如方案中（步骤4.4.2）所述，必须使用足够粗的光纤纤芯来收集后向散射的激光光，以进行光子相关光谱分析。如果无法满足此条件，相关函数中将出现一个额外的衰减项，该衰减项与粒子进出探测体积的平移运动有关，参见图4。尽管通过仔细分析可从中获得更多关于系统的相关信息，但这会使数据中所包含的旋转布朗动力学分析变得复杂。
为了从被捕获的纳米粒子获得准确的DF散射光谱（如第3.5节所述），需要对原始光谱数据进行校准。这需要记录照明光源光谱以及背景光谱（图5a）。当将高强度激光聚焦在玻璃表面（例如用于捕获纳米棒的基底）时，可能会产生一些荧光（参见图5a背景光谱中的红色光谱贡献）。使用熔融石英基底可减少这种荧光污染。然而，仍强烈建议在正确的激光功率下，使用空光镊记录背景光谱。当记录散射光谱并补偿所有与实际纳米粒子散射无关的光谱成分后，可在能量尺度上使用双洛伦兹拟合函数对光谱进行拟合，以提取与局域表面等离子体共振（LSPR）峰位置相关的信息（图5b）。
<img alt="显微镜图像和吸收光谱；纳米材料的光学研究" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：两种代表性纳米粒子批次的扫描电镜图像及集合消光光谱。a) 比例尺为200 nm。b) a) 中蓝色/红色边框的扫描电镜图像分别对应红色/蓝色光谱。与横向和纵向局域表面等离子体共振（LSPR）相关的光谱峰清晰可辨。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="用于光学激发测量的光子装置示意图，包含激光器、分束器和光谱仪。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：用于纳米颗粒旋转测量的光镊装置示意图。 激光光束通过开普勒望远镜进行准直和扩束，随后利用两个可移动的反射镜（M1、M2）和一个分束器（BS）将光引导至物镜。激光光路中的两个波片用于优化光镊的圆偏振状态（λ/2、λ/4）。经线性偏振片后可收集背向散射的激光光，用于光子相关光谱和旋转动力学测量。在移除激光光后，散射的白光被引导至光谱仪或相机。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="电压波动分析图；自相关图表及拟合数据；频率测量。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 3"> 
图 3：被捕获并旋转的纳米棒的代表性强度与自相关数据及其曲线拟合。a) 单像素探测器在通过线性偏振片后记录的1秒内强度波动，以及波动的局部放大图。 b) 从背向散射激光光收集的旋转金纳米棒（蓝点）的强度波动自相关数据。数据呈现出在数个周期后衰减的振荡。该振荡与纳米棒的旋转频率相关，而衰减则源于旋转布朗运动。对理论自相关函数进行拟合（红线），得到旋转频率为 f = 24285 ± 45 Hz，相关衰减时间为 τ0 = 40.9 ± 1.06 µs。其中 f 和 τ0 的不确定性表示拟合的95%置信区间，拟合的决定系数（R2）为0.9877。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="光纤相关数据图与显微镜结果；光学激发装置；发射光分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 4"> 
图 4：光子相关光谱测量中探测体积过小所导致的问题。a) 使用较粗光纤（400 µm，蓝色数据）和较细光纤（62.5 µm，红色数据）采集的旋转金纳米棒的自相关数据。使用较粗光纤可确保纳米棒始终被限制在探测体积内，从而使自相关函数仅反映旋转动力学。当探测体积不足时，会出现由平移布朗运动引起的额外衰减项。在 b) 和 c) 中，分别展示了该效应的示意图及背照式采集区域的图像。比例尺为 2 µm。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="光谱分析图；波长与强度；能量与散射；包含洛伦兹拟合。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 5"> 
图 5：使用 660 nm 激光光镊捕获的金纳米棒的典型暗场散射光谱。 由于需要使用陷波滤光片阻断捕获激光，630–670 nm（1.85–1.97 eV）光谱区域出现畸变。a) 原始散射光谱（深蓝色），显示了并非粒子散射本征特性的特征，需进行校准。这些特征包括背景光谱（红色），其来源于高度聚焦激光激发的自发荧光，以及白光激发光谱（橙色，未使用陷波滤光片时记录）。校准后，校正的散射光谱（浅蓝色）显示出两个明显的局域表面等离子体共振（LSPR）峰，符合预期。箭头指示各光谱的标度。b) 被捕获纳米棒的散射光谱（蓝色数据点），以及双洛伦兹模型函数的拟合结果（红色）及其分量（浅蓝色和橙色）。数据拟合时忽略畸变的光谱区域，拟合的 R2 值为 0.9975。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

利用圆偏振光镊可在液体中捕获等离激元金纳米棒并以千赫兹频率进行旋转。引入布朗动力学分析和光散射光谱技术，为众多科学领域的研究与应用提供了一个强大的系统。

在纳米尺度上产生和测量旋转与扭矩的可能性，对于生物学研究与应用具有基础性意义。

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。

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