Name: Die Messung der Streunichtlinearitäten von einem Einzel Plasmonische Nanopartikel (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 6 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie die Auflösung in der optischen Mikroskopie durch nichtlineare Streuung von plasmonischen Nanopartikeln verbessern. Diese Methode nutzt saturable und reverse saturable Streuung für superaufgelöste Bildgebung.

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Diese Arbeit wird vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie unter NSC-101-2923-M-002-001-MY3 und NSC-102-2112-M-002-018-MY3 unterstützt. Diese Forschung wird auch von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) durch das "Funding Program for Next Generation World-Leading Researchers (NEXT Program)" unterstützt, das vom Council for Science and Technology Policy (CSTP) und dem JSPS Asian CORE Program initiiert wurde.

1. GNS Probenvorbereitung <ol><li> Vor der Herstellung der Probe 1 ml Sonikat GNS Kolloidlösung für mindestens 15 min bei etwa 40 kHz, um die Partikelaggregation, die bewirken können, die LSPR Spitze zu verlagern verhindern. </li><li> Drop 100-200 ul GNS Kolloid auf einen Objektträger mit kommerziellen Magnesiumaluminiumsilikat (MAS) Beschichtung, um die GNSS beheben. </li><li> Nach mindestens 1 min, entfernen Sie die zusätzlichen Kolloid durch Spülen mit destilliertem Wasser. Die Wartezeit abhängig von der erforderlichen Verteilungsdichte der GNSS. Typischerweise 1-3 min ergibt eine geeignete Dichte, die die Teilchen leicht zu identifizieren, da die meisten von ihnen voneinander getrennt werden können. Signifikante Aggregation kann auftreten, wenn die Wartezeit zu lang ist. </li><li> Trocknen Sie die Probe durch Spülen mit Stickstoffgas. </li><li> (Optional) Um den GNSS-Karte auf dem Glas mit hoher Auflösung, führen Sie die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) in dieser Phase 23. Ein Beispiel Bild ist in Figur bereitgestellte 1, welches die Kenn Dichte GNSS. Verwenden Sie eine Feldemissions SEM, um das Bild zu erwerben. Wenn das Öl auf die Probe (nächster Schritt) hinzugefügt wird, wird es schwierig sein, das Öl zu entfernen und beobachten die Probe mit SEM. </li><li> Fügen Sie einen Tropfen Öl mit dem gleichen Brechungsindex auf die Probe, um das GNSS zu decken und die starke Reflexion von dem Glassubstrat zu beseitigen. </li><li> Legen Sie ein Deckglas auf der Oberseite der Probe und verschließen Sie diese mit Nagellack. </li><li> Warten Sie mindestens 5 Minuten, bis der Lack trocknet. Die Probe ist nun bereit. </li></ol> 2. Ausrichtung der selbstgebauten Konfokalmikroskop <ol><li> Siehe Abbildung 2 für die Regelung des Setup. Richten Sie die Beleuchtung mit weißem Licht Gang des Mikroskops Körper selbst. Schalten Sie den Halogen-Lichtquelle des Mikroskops und folgen Sie den Mikroskopherstellerhandbuch, das Köhler-Beleuchtung Zustand zu erreichen. Stellen Sie sicher, dass die weißen Halogenlichtstrahlen nahezu parallel an der Rückseite sindApertur des Objektivs, die teilweise durch den Strahlenteiler 50/50 reflektiert und dann auf den Laser zu propagieren. </li><li> Einzuschalten Galvanospiegel, um sicherzustellen, dass sie noch auf der richtigen Ausgangsposition, das heißt, in der Mitte des Abtastbereichs. </li><li> Platzieren Sie mindestens zwei Ziele, die durch eine dünne Blatt Papier mit konzentrischen Ringen auf sie gemacht, entlang der Halogenlichtpfad, und richten Sie sie mit der Halogenstrahl. </li><li> Zur Bildgebung durchzuführen, wählen Sie die 532-nm-Laser. Um Spektroskopie-Messungen durchzuführen, wählen Sie die Superkontinuum-Laser. Bei der Ausrichtung, sollte die Leistung der Laser weniger als 10 &amp; mgr; W auf der Rückseite Apertur des Objektivs sein, die Nichtlinearität zu vermeiden. Dann Kollimieren des einfallenden Laserstrahls gegenüber der ausgehenden Halogenlicht mit Hilfe der zwei Targets. Wenn dieser Prozess abgeschlossen ist, ist die Grobausrichtung des Laserstrahls erreicht. </li><li> Ausrichten des Laserstrahls durch die Mitte der hinteren Öffnung des Objektivs. In der Regel verwenden Sie eine oil-Immersionsobjektiv. Fügen Sie einen Tropfen Öl zwischen dem Ölimmersionsobjektivlinse und der GNS Probe. Verwenden eine Photovervielfacherröhre (PMT) als Detektor die Streusignale der GNSS sammeln. </li><li> Legen Sie eine 20-um-Durchmesser Lochblende vor dem PMT zu blockieren, die unscharfe Streusignale. Schalten Sie den Galvanospiegel und PMT (über selbst gebaute Software), passen Sie die Pinhole-Position und Höhe der Probe Bühne, um die Rückstreusignale des GNSS zu maximieren, und dann beobachten, eine individuelle GNS auf einem Computerbildschirm. Eine Probe xy Bild des GNSS mit korrekter Ausrichtung ist in 2B gezeigt. </li><li> Leicht ändern Sie die Höhe der Probe Bühne, um den Rundlauf der Fokus zu überprüfen. Wenn es nicht konzentrisch, Einstellen der Lichtstrahl mit den beiden Spiegeln vor den Scanner, bis die Mitte des GNS bleibt in derselben Position, während die Höhe der Probenstufe geändert wird. Stellen Sie sicher, dass die xz Bild der PSF ist ähnlich zu 2Cum eine korrekte Strahlausrichtung zu gewährleisten. Verarbeiten diese beiden Bilder mit Tiefpass und Gaussian glatte Filter. </li></ol> 3. Charakterisierung der Scattering Nonlinearity <ol><li> Bei niedrigen Anregungsintensität (weniger als 10 4 W / cm 2), erwerben Sie ein Bild von Gold-Nanopartikeln durch folgende Protokoll 2.6. </li><li> Öffnen Sie das Bild in ImageJ (oder jede andere Bildanalyse-Software). Zeichnen Sie eine Linie quer über eine der GNSS im Bild (siehe Abbildung 2B), und verwenden Sie Analysis -&gt; Plot Profil der ImageJ Werkzeuge, um die Streuintensität Profil abrufen. Montieren Sie das Profil des gewählten PSF durch eine Gauß-Funktion: <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/53338/53338eq2.jpg" /> wobei y die PMT Auslesewert, y 0 ist der Hintergrundwert (falls vorhanden), A ist die Spitzenamplitude ist, w die Breite ist, x die räumliche Koordinate und x c ist das Zentrum coordinate der Gaußfunktion. Die FWHM des entsprechenden PSF (½ln2) w. Auf der Grundlage der numerischen Apertur (NA) des Objektivs kann die theoretische FWHM des konfokalen PSF schätzungsweise etwa 0.43l / NA, wobei L die Anregungswellenlänge ist. Vergleichen Sie diese beiden Zahlen, um die Ausrichtung des Abbildungssystems zu überprüfen. </li><li> Erhöhen Sie die Anregungsintensität durch die Neutraldichtefilter (ND) in 2A manuell ändern, und notieren Sie die Rückstreuung Bilder bei jeder Intensitätsstufe. Nehmen Sie den Wert des Streusignals von der Mitte jeder GNS bei unterschiedlichen Anregungsintensitäten, und zeichnen Sie die Kurve der Streusignale gegenüber Anregungsintensitäten. Prüfen die Linearität der ersten Punkte, die eine lineare Beziehung aufweisen sollte, wenn die Anregungsintensität ausreichend niedrig ist. Zeichnen Sie eine Linie auf der Basis linearer Anpassung der ersten paar Punkte. Wenn die Streuintensitäten der folgenden Punkte fallen unter diese linearen Trend, saturation ist aufgetreten. </li><li> Nach Beobachtung sättigbaren Streuung, nach und nach die Intensität unterhalb der Sättigungsschwelle zu verringern, und das gleiche Bild GNSS erneut, um die Reversibilität der nichtlineare Verhalten zu gewährleisten. </li></ol> 4. Messung eines Streuspektrum eines einzelnen Gold Nanosphere <ol><li> Um die Rückstreuungsspektrum aus einer Hand GNS zu messen, verwenden Sie das Superkontinuum-Laser als Laserquelle. Die anfängliche Wellenlänge des Lasers im Bereich von 450 nm bis 1.750 nm. Um das überschüssige Infrarotleistung, die Schäden an der Probe und der optischen Komponenten führen könnten, zu entfernen, setzen Sie ein oder zwei Spiegel direkt nach dem Superkontinuum-Laser, um das sichtbare Licht zu reflektieren, und verwenden Sie Strahl Dumps, um die überschüssige Infrarotlicht zu sammeln. </li><li> Befolgen Sie die Abläufe zur Ausrichtung der Abschnitt 2, um den Superkontinuum-Laser in die Laser-Scanning-konfokalen Mikroskop zu lenken. Einen Breitband 50/50 BS zum spektrale Abdeckung über den gesamten sichtbaren Bereich zu gewährleisten. </li><li> Erwerben Sie einBild der GNSS auf Glas. Suchen Sie eine Einzel GNS in das Bild, und befestigen Sie den Fokus des einfallenden Breitbandlicht auf das Teilchen. </li><li> Verwenden Sie einen flipping Spiegel vor der PMT, um die Rückstreusignal zu dem Spektrometer, das mit einer ladungsgekoppelte Vorrichtung ausgestattet ist direkt, und nehmen Sie dann ein Spektrum der ausgewählten Einzel GNS. Achten Sie darauf, dass das Spektrum hier ist eine Mischung von GNS-Streuung und Hintergrund durch Reflexionen von anderen Oberflächen. </li><li> Wechseln Sie wieder zu der PMT-Detektor, und nehmen Sie ein anderes Bild, um zu bestätigen, dass die Partikellage hat sich nicht geändert. Dann verschieben den Fokus auf einen Punkt, an dem kein Teilchen vorhanden ist. Wechseln Sie zurück in das Spektrometer, und nehmen Sie eine weitere Spektrum, das den Hintergrund stellt. </li><li> Subtrahieren Sie die Hintergrundspektrum aus Schritt 4.5 aus dem Spektrum aus Schritt 4.4 eine klare Rückstreuungsspektrum einer einzigen GNS erhalten. </li></ol> 5. Ausrichtung der SAX-Mikroskop <ol><li> Siehe Abbildung 3für die Regelung des SAX-Mikroskop, wo eine ideale sinusförmige zeitliche Modulation aus der Schwebungsfrequenz zwischen zwei akustisch-optische Modulatoren (AOMs) erhalten. Zunächst Einstellen der Strahlgröße des Lasers, um die Anforderung der nachfolgenden AOMs erfüllen. Teilen Sie die 532 nm-Laserlicht in zwei Strahlen unter Verwendung eines 50/50 Strahlteiler. </li><li> Führen Sie die beiden Strahlen durch die zwei AOMs, mit einem Strahl durch jeden AOM vorbei. Die Modulationsfrequenzen der beiden AOMs müssen unterschiedlich sein. Beispielsweise kann man bei 40.000 MHz und die andere auf 40.010 MHz sein, was eine Differenzfrequenz von 10 kHz. Diese Differenzfrequenz wird die Grundmodulationsfrequenz f m für die SAX-Signale sein. </li><li> Nehmen Sie die erste Ordnung gebeugten Strahlen von beiden AOMs, und kombinieren Sie die beiden Strahlen durch Verwendung eines anderen 50/50 Strahlteiler. Stellen Sie die Spiegel nach den AOMs, um die zwei Strahlen zu kollimieren. </li><li> Hinzufügen eines Photodetektors, der mit einem Oszilloskop verbunden ist, um die zeitliche Modulatio überwachenn. Aufgeteilt einen kleinen Teil des Lasers mit einem Objektträger, und senden es an den Photodetektor, wie in Figur 3 gezeigt ist. Mit der richtigen Modulation und Strahlüberlappungs beachten sinusförmigen Intensitätsmodulation auf der Hauptfrequenz f m, ähnlich derjenigen der dargestellten Wellenform in 4. Anmerkung: Der Hintergrund der Modulation muss so niedrig wie möglich sein, um die maximale Modulationstiefe zu erreichen. Darüber hinaus verwenden die Fourier-Analyse-Funktion des Oszilloskops, um zu überprüfen, dass die harmonische Verzerrung des Modulations abnimmt. Um erfolgreich zu SAX Umsetzung zu erreichen, sorgen für eine perfekte sinusförmige Anregungsintensitätsmodulation mit minimierten Ausgangslinearität. </li><li> Trennen des elektrischen Ausgangssignals des Photodetektors vom Oszilloskop und eine Verbindung zu dem Referenzeingang des Lock-in-Verstärkers. </li><li> Wie in Figur 3 gezeigt, richten den Laserstrahl in das konfokale System, indem die vorherigen Protokolle. Here, schließen Sie das elektrische Ausgangssignal des PMT auf die Lock-in-Verstärker als Signaleingang. </li><li> Verwenden Sie eine leere Deckglas wie die Probe, und überprüfen Sie die Linearität des elektrischen Detektionssystem durch die schrittweise Erhöhung der Anregungsleistung ,, wie in 5, in dem der Detektor linear unter einen Auslesewert von 1-V gezeigt. In allen nachfolgenden Messungen ist darauf zu achten, um die Anzeige auf unter diesen Wert zurückzuhalten. </li><li> Gesetzt den Ausgang des Lock-in-Verstärker, um die absolute Höhe des Spannungssignals zu exportieren. Durch die Veränderung der harmonischen Komponente Einstellung an der Referenzkanal, zu erhalten, die Amplituden der SAX-Signale, A 1, A 2, und so weiter. </li><li> Exportieren der linearen und nichtlinearen Signale von dem Lock-in-Verstärker mit einer Datenerfassungskarte, die ebenfalls das Ansteuerspannungssignale der Rasterabtastung Galvanospiegel. Mit Hilfe einer angepassten Labview Programm synchronisiert die Signale des Lock-in-Verstärker und derGalvanospiegel, um ein Bild zu bilden. </li><li> Zur Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnis in den Bildern auszuwählen entsprechend den Pixelerfassung und Integrationszeiten des Lock-in-Verstärker. Beispielsweise, wenn das Hauptmodulationsfrequenz f m der Anregung 10 kHz, das heißt, wenn die Periode von 100 &amp; mgr; s gesetzt die Integrationszeit des Lock-in-Verstärker, mindestens drei Mal länger als die Periode. Hinzufügen der Zeit der Galvanospiegel Bewegung wird die Aufnahmegeschwindigkeit bei 1.500 Pixel pro Sekunde in der SAX-Bildaufnahmemodus eingestellt. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Im Protokoll gibt es mehrere wichtige Schritte. Zuerst wird, wenn der Probenvorbereitung, die Dichte des Nanoteilchen sollten nicht zu hoch sein, um plasmonic Kopplung zwischen den Teilchen zu vermeiden. Wenn zwei oder mehr Teilchen sehr nahe beieinander, die Kopplung bewirkt die LSPR Wellenlänge Verschiebung zu längeren Wellenlängen, wodurch die Nichtlinearität wesentlich reduziert wird. Jedoch dieser Abbildungstechnik bildet tatsächlich die Verteilung plasmonischer Arten anstelle der Teilchen selbst. Daher ist zu erwa...

Das Studium der Plasmonik hat großes Interesse aufgrund seiner Anwendungen in vielen verschiedenen Bereichen 1-4 angezogen. Eine der am besten untersuchten Felder Plasmonics oberflächen Plasmonics, bei dem die kollektive Schwingung der Leitungselektronen Paare mit einer externen elektromagnetischen Welle an einer Grenzfläche zwischen einem Metall und Dielektrikum. Oberflächen Plasmonik hat für seine potentiellen Anwendungen in Subwellenlängen Optik, Biophotonik und Mikroskopie 5,6 erforscht. Die starke Feldverstärkung in der ultra-kleinen Volumen von Metallnanopartikeln durch lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz (LSPR) hat große Aufmerksamkeit nicht nur wegen seiner außergewöhnlichen Empfindlichkeit auf Korngrößen, Kornformen und den dielektrischen Eigenschaften des umgebenden Mediums 7 angezogen wird, -10, sondern auch wegen seiner Fähigkeit, von sich aus schwach nichtlineare optische Effekte 11 zu steigern. Die außergewöhnliche Empfindlichkeit der LSPR ist wertvoll für Bio-Sensorik und in der Nähe von-field Bildgebungstechniken 12,13. Andererseits kann die erhöhte Nichtlinearität plasmonischer Strukturen in photonischen integrierten Schaltkreisen in Anwendungen wie optischen Schalt und volloptischen Signalverarbeitung 14,15 verwendet werden. Es ist gut bekannt, dass das Plasmonen Absorption ist linear proportional zur Anregungsintensität bei niedrigen Intensitätspegel. Wenn die Erregung stark genug ist, erreicht der Absorptionssättigung. Interessanterweise bei höheren Intensitäten steigt die Absorption wieder. Diese nichtlinearen Effekte sind aufgerufen sättigbaren Absorptions (SA) 15-17 und umgekehrt sättigbare Absorption (RSA) 18 auf. Es ist bekannt, dass aufgrund der LSPR ist Streuung besonders stark in plasmonic Strukturen. Basierend auf Grund Elektromagnetik, sollte die Antwort der Streulichtintensität gegenüber linear sein. Doch in Nanopartikeln, Streuung und Absorption sind eng über die Mie-Theorie verbunden, und beide können e seinim Hinblick auf die realen und imaginären Teile der dielektrischen Konstante xpressed. Unter der Annahme, dass ein einzelnes GNS verhält sich wie ein Dipol unter Lichtbestrahlung kann der Streuungskoeffizient (Q sca) und der Absorptionskoeffizient (Q abs) aus einem einzigen plasmonic Nanopartikel nach der Mie-Theorie als 19 ausgedrückt werden <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/53338/53338eq1.jpg" /> wobei x 2 πa / λ, a ist der Radius der Kugel ist, und m 2 ε m / ε d. Hier ε m ε d entsprechen den Dielektrizitätskonstanten des Metalls und der umgebenden Dielektrika sind. Da die Form der Streukoeffizient ähnlich dem von the Absorptionskoeffizienten wird daher erwartet, dass sättigbaren Streuung in einem einzelnen plasmonic Nanopartikel 20 beobachten. Kürzlich wurde linearen sättigbaren Streuung in einem isolierten plasmonic Partikel erstmals 21 gezeigt. Es ist bemerkenswert, dass bei tiefen Sättigung, die Streuintensität in der Tat leicht zurückgegangen, wenn die Anregungsintensität erhöht. Noch bemerkenswerter ist, wenn die Anregungsintensität weiter zunehmende nach der Streuung gesättigt wurde, erhöhte sich die Streuintensität wieder, die die Wirkung der umgekehrt sättigbare Streu 20. Wellenlängen- und größenabhängige Studien haben eine starke Beziehung zwischen LSPR und nichtlineare Streu 21 dargestellt. Die Intensität und Wellenlänge Abhängigkeiten plasmonischer Streuung sind sehr ähnlich denen der Absorption, was auf einen gemeinsamen Mechanismus hinter diesen nichtlinearen Verhalten. In Bezug auf die Anwendungen ist es auch known, dass Nichtlinearität hilft, optische Mikroskopie Auflösung zu verbessern. 2007, gesättigten Anregung (SAX) Mikroskopie wurde vorgeschlagen, die Auflösung durch Extrahieren des gesättigten Signals über eine zeitliche sinusförmige Modulation des Anregungsstrahls 22 verbessern können. SAX Mikroskopie beruht auf dem Gedanken, dass bei einer Laserbrennfleck, stärker in der Mitte als am Rand der Intensität basiert. Wenn das Signal (entweder Fluoreszenz oder Streuung) zeigt Sättigungsverhalten, muss die Sättigung von der Mitte zu starten, während die lineare Reaktion an der Peripherie bleibt. Deshalb, wenn es eine Methode, um nur den gesättigten Teil zu extrahieren, es wird nur verlassen den zentralen Teil, während die Ablehnung der Umfangsteil, somit effektiv die Verbesserung der räumlichen Auflösung. Im Prinzip gibt es keine untere Auflösungsgrenze in SAX Mikroskopie, solange tiefe Sättigung erreicht ist und sich keine Probe Schäden aufgrund der intensiven Beleuchtung. Es wurde, daß die resolutio gezeigt,n der Fluoreszenzabbildung kann durch Verwendung des SAX Technik erheblich verbessert werden. Jedoch leidet Fluoreszenz von dem Photobleichwirkung. Kombinieren der Entdeckung von Streunichtlinearität und das Konzept der SAX können Superauflösungsmikroskopie anhand von Streuung realisiert 21 sein. Im Vergleich zu herkömmlichen Superauflösungsmikroskopie bietet die Streuung-basierte Technik eine neuartige Nicht-Bleichkontrastverfahren. In diesem Papier wird ein Schritt-für-Schritt Beschreibung angegeben, die erforderlich ist, um zu erhalten, und extrahieren Sie die Nichtlinearität der Plasmonen Streuverfahren skizzieren. Verfahren zur Identifizierung von durch Veränderung der Lichtintensität eingeführt Streunichtlinearitäten werden beschrieben. Weitere Details werden zur Verfügung gestellt, um zu lüften, wie diese Nichtlinearitäten auswirken Bilder einzelner Nanopartikel und wie räumliche Auflösung kann entsprechend durch die SAX-Technik verbessert werden kann.

<table><tbody><tr><td>Mikroskopgehäuse</td><td>Olympus, Japan</td><td>BX-51</td><td></td></tr><tr><td>Objektiv</td><td>Olympus, Japan</td><td>UPlanSapo, 100X, NA 1.4</td><td></td></tr><tr><td>80-nm Goldkolloid</td><td>BBI Solutions, UK</td><td>EM. GC80</td><td></td></tr><tr><td>Superkontinuumslaser</td><td>Fianium, Vereinigtes Königreich</td><td>SC400-2-PP</td><td></td></tr><tr><td>dielektrische Breitbandspiegel</td><td>Thorlabs, USA</td><td>BB1-E02</td><td></td></tr><tr><td>Feldemission SEM</td><td>JEOL, Japan</td><td>JSM-6330F optionales</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometer</td><td>Andor Technology, Großbritannien</td><td>Shamrock 163</td><td></td></tr><tr><td>ladungsgekoppeltes Gerät</td><td>Andor Technology, UK</td><td>iDus DV420A-OE</td><td></td></tr><tr><td>akustooptische Modulatoren</td><td>IntraAction Corp., USA</td><td>AOM-402AF1</td><td></td></tr><tr><td>Lock-in-Verstärker</td><td>Stanford Research Systems, USA</td><td>SR-830</td><td></td></tr><tr><td>MAS-beschichtetes Diaglas</td><td>Matsunami Glass, Japan,</td> <td>S9215</td><td></td></tr></tbody></table>

die messung der streunichtlinearitäten von einem einzel plasmonische nanopartikel

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, die auf der kollektiven Schwingung von Elektronen aufgrund von Lichtanregung basieren, beinhalten stark verstärkte lokale elektrische Felder und haben daher potentielle Anwendungen in der nichtlinearen Optik, die eine außergewöhnliche optische Intensität erfordert. Eine der am besten untersuchten Nichtlinearitäten in der Plasmonik ist die nichtlineare Absorption, einschließlich Sättigungs- und Sättigungsumkehrverhalten. Obwohl Streuung und Absorption in Nanopartikeln durch die Mie-Theorie eng miteinander korreliert sind, gab es bis vor kurzem keine Berichte über Nichtlinearitäten in der plasmonischen Streuung. 
Letztes Jahr wurde zum ersten Mal nicht nur die Sättigung, sondern auch die umgekehrte Sättigung der Streuung in einem isolierten plasmonischen Teilchen nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigten, dass die sättigbare Streuung eine deutliche Wellenlängenabhängigkeit aufweist, die direkt mit der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) verbunden zu sein scheint. In Kombination mit den intensitätsabhängigen Messungen deuten die Ergebnisse auf die Möglichkeit eines gemeinsamen Mechanismus hin, der dem nichtlinearen Verhalten von Streuung und Absorption zugrunde liegt. Diese Nichtlinearitäten der Streuung an einer einzelnen Goldnanosphäre (GNS) sind weithin anwendbar, auch in der hochauflösenden Mikroskopie und bei optischen Schaltern. 
In diesem Artikel wird detailliert beschrieben, wie man die Nichtlinearität der Streuung in einem einzelnen GNP misst und wie man die Superauflösungstechnik einsetzt, um die optische Abbildungsauflösung basierend auf sättigbarer Streuung zu erhöhen. Diese Entdeckung beinhaltet die erste superauflösende Mikroskopie auf der Grundlage nichtlinearer Streuung, einer neuartigen nicht-bleichenden Kontrastmethode, die eine Auflösung von bis zu l/8 erreichen kann und möglicherweise in der Biomedizin und Materialstudien nützlich sein wird.

Figur 6 zeigt das gemessene Spektrum von einer 80 nm GNS. Eine berechnete Kurve auf der Grundlage der Mie-Theorie wird in der gleichen Handlung gegeben, zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung. Die LSPR Gipfel ist in der Umgebung von 580 nm. In dem folgenden Versuch wird die Laserwellenlänge betrug 532 nm, die gewählt wurde, wie es in dem Plasmonen-Band befindet, um die optische Streuung mit plasmonic Wirkung zu verbessern und den Streusättigungs 21. Fig...

Sättigungs- und umgekehrte Sättigungsstreuung wurden in isolierten plasmonischen Teilchen entdeckt und als neuartige nicht-bleichende Kontrastmethode in der hochauflösenden Mikroskopie eingesetzt. Hier werden die experimentellen Verfahren zum Nachweis und zur Extraktion nichtlinearer Streuung im Detail erläutert sowie wie die Auflösung mit Hilfe der gesättigten Anregungsmikroskopie verbessert werden kann.

Die Messung der Streunichtlinearitäten von einem Einzel Plasmonische Nanopartikel

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, die Auflösungsverbesserung mittels nichtlinearer Streuung von plasmonischen Nanostrukturen zu demonstrieren. Im Bereich der optischen Mikroskopie sind Kontrast und Auflösung die wichtigsten Faktoren. Unsere Technik erweitert das Gebiet der Super-Auflösung um eine neue, streuungsbasierte Kontrastmethode.Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass die Streuung von Nanopartikeln stark, hochgradig nichtlinear und nicht bleichend ist. Die Demonstration des Verfahrens wird Hsuan Lee durchführen. Ein weiterer Student aus meinem Labor.Das Experiment wird auf einer optischen Bank durchgeführt, auf der sich ein Mikroskop und zwei Laserquellen befinden. Die erste Laserquelle ist ein 532 Nanometer Dauerstrichlaser, der für die Bildgebung verwendet wird.Der zweite ist ein Superkontinuumlaser, der für Spektroskopiemessungen verwendet wird. Dies ist ein Schema des grundlegenden Aufbaus sowohl für die Bildgebung als auch für die Spektroskopie. Die Proben werden auf einer piezoelektrischen Positionierbühne im konfokalen Mikroskop montiert.Licht aus dem 532 Nanometer-Laser durchläuft einen Neutraldichtefilter. Der Strahl wird durch einen Strahlteiler zu Galvanospiegeln gelenkt, die eine Rasterabtastung in der Fokusebene der konfokalen Mikroskop-Objektivlinse ermöglichen. Das rückgestreute Licht wird vom Objektiv gesammelt und auf dem Detektor fokussiert.Beginnen Sie mit der Ausrichtung des Beleuchtungspfads für weißes Licht am Mikroskop. Verwenden Sie die Halogenlichtquelle bei Curler-Beleuchtung. Um die Ausrichtung der internen Blende zu überprüfen, achten Sie darauf, scharfe Kanten des Achtecks über das Okular oder die CCD-Kamera zu beobachten.Verwenden Sie anschließend ein Stück Papier, um den äußeren Lichtweg zu überprüfen. Überprüfen Sie, ob die Strahlen teilweise vom Strahlteiler reflektiert werden und sich entlang des Lichtwegs in Richtung des Lasers fortpflanzen, indem Sie das Papier entlang des Lichtwegs bewegen. Bereiten Sie nun Papiereziele vor, um die weitere Justierung zu erleichtern.Die Ziele sollten sich auf dünnem Papier mit konzentrischen Ringen befinden. Platzieren Sie diese Ziele entlang des Strahlengangs, sodass sie mit dem Halogenstrahl ausgerichtet sind. Hier befindet sich ein Ziel an der hinteren Apertur der Objektivlinse.Dies ist ein weiteres Zielobjekt entlang der optischen Bahn. Schalten Sie als Nächstes den 532 Nanometer Laser, der zur Abbildung verwendet wird, ein, um ihn auszurichten. Verwenden Sie die Papierziele, um die kollimierte einfallende Laserstrahlung entgegengesetzt zum Halogenstrahl zu justieren.Fahren Sie mit der feineren Ausrichtung des Laserstrahls fort, bevor Sie die Zielstrukturen entfernen und fortfahren. Richten Sie nach dem Laser noch eine vorbereitete Probe mit Gold-Nanokugeln für das Experiment ein. Diese Probe enthält 80 Nanometer große Gold-Nanokugeln in Öl.Die Mischung wird zwischen zwei Glasplatten versiegelt. Fahren Sie fort, indem Sie die Probe auf dem Mikroskopständer befestigen und Objektivöl hinzufügen. Bereiten Sie zu diesem Zeitpunkt das Nachweissystem für die Bildaufnahme vor.Sammeln Sie das gestreute Licht mit dem Photomultiplier-Rohr am Ende des optischen Pfads. Entlang des Strahlengangs zurück befindet sich ein 20 Mikrometer durchmessendes Lochblende, um unscharfes gestreutes Licht vom Photomultiplier-Rohr auszublenden. Fahren Sie mit der Bildgebung fort, indem Sie die Galvanospiegel und den Photomultiplier einschalten.Beobachten Sie den Computerbildschirm, um den Rückstreuscan-Signal der Goldnanopartikel zu sehen. Maximieren Sie das Rückstreuscan-Signal, indem Sie die Position der Lochblende und die Höhe des Probenstages anpassen. Charakterisieren Sie nach der Ausrichtung des konfokalen Mikroskops die Streunonlineariät der Probe.Führen Sie dies durch, indem Sie zuerst mit einem Leistungsmesser die Laserleistung nach der Objektivlinse messen. Die Anzeige sollte unter 10 Mikrowatt liegen, was einer Anregungsintensität von weniger als 10 hoch 4 Watt pro Quadratzentimeter entspricht. Erwerben Sie anschließend ein Bild der Goldnanopartikel mithilfe der Photomultiplier-Röhre.Öffnen Sie das aufgenommene Bild in einer Bildanalyse-Software, um das Streuintensitätsprofil zu charakterisieren. Wählen Sie eine goldene Nanokugel unter den im Bild befindlichen aus und zeichnen Sie eine Linie durch sie hindurch. Befolgen Sie anschließend die im Programm erforderlichen Schritte, um das Streuprofil abzurufen.Passen Sie das Profil an eine Gauß-Kurve an, um eine zusätzliche Überprüfung der Ausrichtung des Abbildungssystems durchzuführen. Beginnen Sie nun mit einem systematischen Scan über die Anregungsintensitäten. Erhöhen Sie zunächst die Anregungsintensität, indem Sie den Neutraldichtefilter wechseln.Bestimmen Sie die neue Anregungsintensität und nehmen Sie das Rückstreubild auf diesem neuen Intensitätsniveau auf. Nutzen Sie das Bild, um wie zuvor ein Streuprofil einer Nanokugel zu extrahieren. Zeichnen Sie das Streuprofil auf und identifizieren Sie dessen Wert in der Mitte der Kugel als Streusignal.Wiederholen Sie diese Schritte mehrmals, um eine Darstellung des Streusignals in Abhängigkeit von der Anregungsintensität zu erstellen. In dieser Abbildung stellen die blauen Punkte die Messdaten dar. Die rote Linie ist eine Polynom-Regression.Es besteht eine lineare Beziehung zwischen dem Streusignal und niedrigen Werten der Anregungsenergie. Der Abfall unterhalb dieser linearen Beziehung weist darauf hin, dass eine Sättigung eingetreten ist. Der nächste Schritt besteht darin, eine Spektroskopie an einer einzelnen Goldnanokugel durchzuführen.Dieses Schema bietet einen Überblick über den Versuchsaufbau. Verwenden Sie eine Superkontinuum-Laserquelle mit einem Wellenlängenbereich von 450–1750 Nanometern. Verwenden Sie außerdem einen breitbandigen 50/50-Strahlteiler, um eine spektrale Abdeckung über das sichtbare Spektrum sicherzustellen.Platzieren Sie einen Umlenkspiegel vor der Fotomultiplierröhre, um das Licht zum Spektrometer zu lenken, das mit einem CCD-Detektor (charge-coupled device) ausgestattet ist. Der Superkontinuumlaser sollte mit dem gleichen Verfahren wie der 532-Nanometer-Laser justiert werden.Am Ausgang des Superkontinuum-Lasers Vorsichtsmaßnahmen ergreifen, um überschüssige Infrarotleistung aus dem System zu entfernen. Direkt nach dem Laser-Ausgang, vor der Weiterleitung des Strahls zum Mikroskop, spiegelnde Spiegel für sichtbares Licht in den optischen Strahlengang einbauen. In Kombination mit den Spiegeln Strahlfänger verwenden, um die Infrarotstrahlung aufzufangen, die das System beschädigen könnte.Wenn der Laser ausgerichtet ist, erfassen und bilden Sie die Goldnanokugeln ab. Zeigen Sie das Bild an und identifizieren Sie eine einzelne Nanokugel zur Untersuchung. Fixieren Sie den Fokus des einfallenden breitbandigen Lichts auf die ausgewählte Nanokugel.Als Nächstes sicherstellen, dass das Spektrometer im optischen Strahlengang liegt. In dieser Position lenkt der Kippenspiegel das einfallende Licht auf die Photomultiplierröhre. Den Spiegel so umorientieren, dass das einfallende Licht auf das Spektrometer gelenkt wird.Fahren Sie fort, Daten zum Streuspektrum des einzelnen Goldnanopartikels zu sammeln. Wie in diesem Beispiel wird das gemessene Spektrum eine Mischung aus der Streuung der Nanosphäre und Hintergrundstreuung aufgrund von Reflexionen sein. Nach der Aufnahme des Spektrums bringen Sie den Kippspiegel in die Ausgangsposition zurück.Richten Sie das Licht auf die Fotomultiplierröhre. Machen Sie ein weiteres Bild, um zu bestätigen, dass sich das Goldnanopartikel nicht bewegt hat. Verschieben Sie anschließend den Fokus des Breitbandlichts auf einen Punkt, an dem sich kein Partikel befindet.Wechseln Sie erneut den Spiegel, um das Licht zum Spektrometer zu lenken, und führen Sie eine weitere Spektralmessung durch. Das neue Spektrum stellt die Hintergrundstrahlung dar. Es wird vom Spektrum der Goldnanokugeln subtrahiert.Hier ist das klare Rückstreuspektrum, das durch Subtraktion des Hintergrundspektrums vom Spektrum mit den Goldnanokugeln erhalten wird. Die Mikroskopie mit gesättigter Anregung der Probe erfordert eine andere Versuchsanordnung. Dies ist die schematische Darstellung des Mikroskops mit gesättigter Anregung.Die Laserquelle ist ein 532 Nanometer-Laser. Verwenden Sie einen 50/50-Strahlteiler, um zwei Strahlen aus der Laserquelle zu erzeugen. Leiten Sie jeden Strahl durch einen separaten akusto-optischen Modulator.Die verschiedenen Modulatorfrequenzen erzeugen eine Schwebungsfrequenz, die als Modulationsfrequenz der gesättigten Anregungssignale dient. Kombinieren Sie die gebeugten Strahlen erster Ordnung aus den akustooptischen Modulatoren mit einem weiteren 50/50-Strahlteiler. Um die zeitliche Modulation zu überwachen, verwenden Sie eine Glasplatte, um einen kleinen Teil des Laserlichts zu einem Photodetektor abzuzweigen.Um das System zu überprüfen, schließen Sie den Photodetektor an ein Oszilloskop an. Stellen Sie sicher, dass sich keine Probe am Platz befindet. Bewerten Sie das Signal des Photodetektors am Oszilloskop.Das Signal sollte eine Sinuskurve mit der Schwebungsfrequenz sein, wenn Modulation und Strahlüberlappung korrekt sind. Für dieses Experiment beträgt die erwartete Schwebungsfrequenz 10 Kilohertz. Bemühen Sie sich, eine möglichst perfekte Sinuskurve mit minimaler Nichtlinearität zu erzielen.Der nächste Schritt besteht darin, einen Lock-in-Verstärker in das System einzubinden. Für die Sättigungsexzitationsmikroskopie erhält der Lock-in-Verstärker das Signal vom Fotodetektor und der Fotomultiplierröhre. Trennen Sie die Ausgangsleitung des Fotodetektors vom Oszilloskop und schließen Sie sie an den Referenzeingang des Verstärkers an.Verbinden Sie den Ausgang der Fotomultiplierröhre mit dem Sperrverstärker als Signaleingang. Leiten Sie das Ausgangssignal des Verstärkers an eine Datenerfassungskarte weiter. Befestigen Sie zu diesem Zeitpunkt die Probe auf dem Mikroskopstadium.Verwenden Sie die gleiche Probe mit 80 Nanometer großen Goldnanokügelchen in Öl, die zwischen zwei Glasplatten versiegelt ist. Kehren Sie zum Lock-in-Verstärker zurück, während Sie Messungen durchführen. Stellen Sie den Verstärker so ein, dass er den absoluten Betrag des Spannungssignals ausgibt.In diesem Fall durch Auswahl von R im Anzeigefeld des Kanals 1. Ändern Sie die Einstellung der harmonischen Komponente am Referenzkanal, um die gesättigten Anregungs-Einzelamplituden zu erhalten. Diese Farbbilder werden mithilfe einer benutzerdefinierten Software erzeugt, die die Signale der Lock-in-Verstärker und der Ansteuerspannungen der Galvanospiegel synchronisiert und kombiniert.Das Rasterelektronenmikroskop-Bild dient zum Vergleich. Die Bilder zeigen die Auflösungsverbesserung mit verschiedenen harmonischen Komponenten. Das gemessene Spektrum einer 80 Nanometer großen Goldnanosphäre ist rot dargestellt.Die mit der Mie-Theorie berechnete durchgezogene Kurve zeigt eine hervorragende Übereinstimmung. Die lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz liegt bei 580 Nanometern. Streubilder oben sowie Linienprofile unten weisen unterschiedliche Merkmale in Abhängigkeit von der Anregungsintensität auf.Bei geringer Intensität weist die Punktverbreiterungsfunktion ein standardmäßiges Gauß-Profil auf. Höhere Intensitäten führen zu einer Abflachung und Verbreiterung der Funktion, was auf Sättigung hindeutet. Bei noch höheren Werten ist die zentrale Intensität nicht mehr das Maximum, was zu einer donutförmigen Punktverbreiterungsfunktion führt.Schließlich wird die zentrale Intensität während der Rückwärtssättigung erneut zum Maximum. Die blauen Datenpunkte in dieser Darstellung der zentralen Intensität bei verschiedenen Anregungsintensitäten zeigen sowohl das Sättigungs- als auch das Rückwärtssättigungsverhalten. Die Datenpunkte wurden an ein Polynom fünfter Ordnung angepasst, das in Rot dargestellt ist.Diese Daten können zur Ermittlung der harmonischen Frequenzkomponenten verwendet werden. Die harmonischen Komponenten können auch direkt mit dem Lock-in-Verstärker gefunden werden. Diese linke Darstellung zeigt experimentelle Daten.Das rechte Diagramm zeigt das Ergebnis der Berechnung mithilfe der Polynom-Approximation fünfter Ordnung. Beide Diagramme weisen an bestimmten Intensitäten entlang der Kurven Einbrüche auf. Zum Beispiel drei Einbrüche im zweiten Harmonischen.Auch in jedem Diagramm nimmt die Steigung für jede harmonische Ordnung nach dem ersten Einbruch zu. Wenn man die Technik einmal beherrscht, kann sie in weniger als drei Stunden durchgeführt werden, sofern sie ordnungsgemäß ausgeführt wird. Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig, die Qualität der sinusförmigen Modulation, die Linearität des Detektionssystems und die mechanische Stabilität der Probe zu überprüfen.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie eine Auflösungsverbesserung auf der Grundlage nichtlinearer Streuung von plasmonischen Nanostrukturen erreicht werden kann. Diese Technik bietet für Forscher auf dem Gebiet der Super-Resolution-Mikroskopie eine vielversprechende Probe, um neuartigen Kontrast bei anderen grundlegenden Licht-Materie-Wechselwirkungen zu erforschen.

measurement-scattering-nonlinearities-from-single-plasmonic

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

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