Name: Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie Rotation und Drehmoment im Nanomaßstab mit zirkular polarisierten optischen Pinzetten messen. Diese Methode ermöglicht stabile Nanopartikel-Rotation für Studien zur Brownschen Dynamik.

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Diese Arbeit wurde durch die Knut und Alice Wallenberg Foundation, der schwedischen Forschungsrat und Chalmers Bereich Advance Nanowissenschaft und Nanotechnologie unterstützt.

<ol><li>Andrén, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+photothermal+effects+on+optically+trapped+gold+nanorods+by+simultaneous+plasmon+spectroscopy+and+brownian+dynamics+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Probing photothermal effects on optically trapped gold nanorods by simultaneous plasmon spectroscopy and brownian dynamics analysis.</a> ACS Nano. 11 (10), 10053-10061 (2017).</li>
<li>Shao, L., Yang, Z. -J., Andrén, D., Johansson, P., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanorod+rotary+motors+driven+by+resonant+light+scattering%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Gold nanorod rotary motors driven by resonant light scattering.</a> ACS Nano. 9 (12), 12542-12551 (2015).</li>
<li>Lehmuskero, A., Ogier, R., Gschneidtner, T., Johansson, P., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+spinning+of+gold+nanoparticles+in+water+using+circularly+polarized+light%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Ultrafast spinning of gold nanoparticles in water using circularly polarized light.</a> Nano Letters. 13 (7), 3129-3134 (2013).</li>
<li>Šípová, H., Shao, L., Odebo Länk, N., Andrén, D., Käll, M. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.8b00034">Photothermal DNA release from laser-tweezed individual gold nanomotors driven by photon angular momentum.</a> ACS Photonics. , (2018).</li>
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<li>Tong, L., Miljkovic, V. D., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alignment%2C+rotation%2C+and+spinning+of+single+plasmonic+nanoparticles+and+nanowires+using+polarization+dependent+optical+forces%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Alignment, rotation, and spinning of single plasmonic nanoparticles and nanowires using polarization dependent optical forces.</a> Nano Letters. 10 (1), 268-273 (2009).</li>
<li>Lehmuskero, A., Li, Y., Johansson, P., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonic+particles+set+into+fast+orbital+motion+by+an+optical+vortex+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Plasmonic particles set into fast orbital motion by an optical vortex beam.</a> Optics Express. 22 (4), 4349-4356 (2014).</li>
<li>Lehmuskero, A., Johansson, P., Rubinsztein-Dunlop, H., Tong, L., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+trapping+of+colloidal+metal+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Laser trapping of colloidal metal nanoparticles.</a> ACS Nano. 9 (4), 3453-3469 (2015).</li>
<li>Shao, L., Käll, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201706272/full">Light-driven rotation of plasmonic nanomotors.</a> Advanced Functional Materials. , In Press (2018).</li>
<li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+letters%22%5BJournal%5D)">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Optics letters. 11 (5), 288-290 (1986).</li>
<li>Neuman, K. C., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+scientific+instruments%22%5BJournal%5D)">Optical trapping.</a> Review of scientific instruments. 75 (9), 2787-2809 (2004).</li>
<li>Chu, S., Hollberg, L., Bjorkholm, J. E., Cable, A., Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+viscous+confinement+and+cooling+of+atoms+by+resonance+radiation+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure.</a> Physical Review Letters. 55 (1), 48(1985).</li>
<li>Svoboda, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+of+metallic+Rayleigh+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Optical trapping of metallic Rayleigh particles.</a> Optics Letters. 19 (13), 930-932 (1994).</li>
<li>Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stretching+DNA+with+optical+tweezers%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+journal%22%5BJournal%5D)">Stretching DNA with optical tweezers.</a> Biophysical journal. 72 (3), 1335-1346 (1997).</li>
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<li>Li, M., Lohmüller, T., Feldmann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+injection+of+gold+nanoparticles+into+living+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Optical injection of gold nanoparticles into living cells.</a> Nano Letters. 15 (1), 770-775 (2014).</li>
<li>Nelson, B. J., Kaliakatsos, I. K., Abbott, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microrobots+for+minimally+invasive+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+review+of+biomedical+engineering%22%5BJournal%5D)">Microrobots for minimally invasive medicine.</a> Annual review of biomedical engineering. 12, 55-85 (2010).</li>
<li>Balk, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kilohertz+rotation+of+nanorods+propelled+by+ultrasound%2C+traced+by+microvortex+advection+of+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Kilohertz rotation of nanorods propelled by ultrasound, traced by microvortex advection of nanoparticles.</a> ACS Nano. 8 (8), 8300-8309 (2014).</li>
<li>Chen, H., Shao, L., Li, Q., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanorods+and+their+plasmonic+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Gold nanorods and their plasmonic properties.</a> Chemical Society Reviews. 42 (7), 2679-2724 (2013).</li>
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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Das optische fallen Setup beschrieben in diesem Protokoll beruht auf einem kommerziellen umgekehrtes Mikroskop und rotes Laserlicht verwendet. Aber die beschriebenen Techniken sind vielseitig und können verwendet werden, um Zirkular polarisierte optische Pinzette um die meisten kommerziellen oder selbstgebauten Mikroskopen, beide aufrecht zu konstruieren und invertiert, mit nur geringfügigen Änderungen. Die Trapping-Laser-Wellenlänge kann in einem weit sichtbaren–-NIR-Spektrum gewählt werden, solange der Rest der optischen Komponenten und Detektoren sind funktionell bei diesem spezifischen Wellenlänge. Dennoch sollte bei der Auswahl einer Laserwellenlänge der Größe und der spektralen Nähe zu Resonanzen der Teilchen manipuliert werden betrachtet werden weil dadurch die optische fallen Kräfte und Drehung Leistung2,5, das Ausmaß der PHOTOTHERMISCHE Effekte1und die Fangmethoden Stabilität26. Wir haben bereits erfolgreich mit Zirkular polarisierten Laser Pinzette mit Laserwellenlängen von 660, 785, 830 und 1064 nm gearbeitet.
Eines der wichtigsten Komponenten des Setups optische fallen ist das Mikroskopobjektiv. Das Ziel dieses Protokolls ist ein trockener Ziel mit NA = 0,95. Die Verwendung eines trockenen Ziel ist experimentell eine einfachere Umsetzung des Setups; jedoch führt es zu optischen Aberrationen durch Brechung in den Sample-Zelle-Schnittstellen. Im vorliegenden Fall ist das Ergebnis einer leicht vergrößerten fokusfleck (~1.2 µm) im Vergleich zu der Beugungsgrenze (~0.4 µm), aber das ändert nicht deutlich die allgemeine oder rotary Performance der Plattform. Im Prinzip kann eine Vielzahl von Mikroskop Ziele verwendet, sofern sie gute Übertragung der Trapping-Wellenlänge, gute Polarisation Wartung und lange genug Arbeitsabstand Überfüllung durch ein Mikroskop-Deckglas und eine Schicht Wasser durchführen. Im Falle 2D Überfüllen kann die NA relativ niedrig, die das gesamte Experiment vereinfacht und bietet saubere zirkulare Polarisation im Fokus. Jedoch möglicherweise höhere Laserleistungen benötigt als bei einem hohen NA-Ziel. Nach unserer Erfahrung die beste Leistung für die Fallenjagd, Rotation und dunkel-Bereich Spektroskopie wird mit Zielen mit NA 0,7-0,95 gewonnen, aber es ist möglich, niedriger sowie höhere NA Ziele zu verwenden.
Um gute Photon Korrelation Messungen der Drehbewegung zu erhalten, braucht man ein schnellen ein-Pixel-Detektor. Wählen Sie einem Detektor mit einer Bandbreite von mindestens zwei, vorzugsweise, zehnmal höher als die erwarteten Drehfrequenz multipliziert mit der Entartung Formfaktor und eine hohe Empfindlichkeit bei der Fallenjagd Wellenlänge verwendet. Verstärkte Si Photodetektoren, single Photon counting APDs und PMTs wurden mit Erfolg in verschiedenen Setups in unseren Laboren verwendet. Weitere Informationen, zum Beispiel im Falle Steifigkeit erhalten Sie durch Messung und Analyse von Teilchen translatorische Verschiebung mit etablierten Techniken wie Kraft-Spektralanalyse-5. Eine Anzahl von vorhergehenden Publikationen beschreiben verschiedene Varianten dieser Technik38,39. DF-Spektroskopie kann durchgeführt werden, mit einer breiten Palette Freiraum- oder Faser gekoppelt, Spektrometer und die Wahl sollte auf die Spektralbereich und die Wellenlänge und die zeitliche Auflösung benötigt für die geplante Studie beruhen.
Wenn Sie eine Überfüllung Experiment durchführen, können zusätzliche Partikel versehentlich die Falle eingeben. Dies kann durch die Überwachung der Drehfrequenz, die stark aufgrund der Störung schwanken wird erkannt werden. Sichtprüfung von DF Mikroskopie kann verwendet werden, um das Vorhandensein eines zusätzlichen Partikels zu überprüfen, in welchem Fall die Bühne kann verschoben werden, um weitere Störungen zu vermeiden oder das Experiment muss neu gestartet werden.
Das oben beschriebene System ist eine einfache und effiziente Möglichkeit, 2D Entbindung und Rotation von metallischen Nanopartikeln zu realisieren. Jedoch für einige Anwendungen der zusätzliche Freiheitsgrad für Manipulation, die im Lieferumfang von 3D Trapping ist wichtig, und die aktuelle Konfiguration ist daher eine Einschränkung. 3D Entbindung und Rotation erreichbare möglicherweise jedoch durch den Einsatz gegen Vermehrung Laser Pinzette oder exotischere Trapping-Konfigurationen.
Obwohl die Teilchen und System-Parameter hier diskutiert optimiert werden können, um PHOTOTHERMISCHE Heizung unter ~ 15 K4zu reduzieren, kann der Temperaturanstieg verbunden mit plasmonische Anregung von Metall-Nanopartikeln in bestimmten problematisch sein Anwendungen. Eine mögliche Route in Richtung weiter Wärmereduktion soll hochbrechenden dielektrische Nanopartikel statt plasmonische Partikel verwenden. Solche Teilchen starke Mie-Typ Streuung Resonanzen zu unterstützen aber gleichzeitig geringe intrinsische Absorption Koeffizienten aufweisen. Wir haben in letzter Zeit kolloidales resonanten Si Nanopartikel herstellen, die in dieser Hinsicht40,41nützlich erweisen können.

Die Methoden in diesem Artikel vorgestellten repliziert in unserer bisherigen Arbeit-1 Studie zu nanoskaligen PHOTOTHERMISCHE Auswirkungen beeinflussen lichtgetriebenen gold Nanorod rotatorischen Motoren verwendet. Varianten der experimentelle Plattform wurde in mehreren Publikationen2,3,4,5,6,7,8, verwendet 9.
Optische Pinzette sind weit verbreitet für die Kontrolle von Position, Kraft und Impulssatz Transfer bei kleinen Längenskalen in Physik, Biologie und Technik10,11,12,13,14 . Angular Momentum von zirkular polarisiertem Licht durchgeführt kann für zusätzliche Motion Control eingesetzt werden, weil es ständig Drehmoment auf Eingeschlossene Objekte15übertragen. Durch die Kombination von optischer linear und Drehimpuls übertragen, ist es dann möglich, nicht-invasive rotary Nanomotors mit Potenzial für verschiedenste Anwendungen, wie z. B. Drug-Delivery in Einzelzellen16,17, nanoskaligen zu konstruieren Operation18und aktive Nanofluidics19, unter anderem.
Mit metallischen Nanopartikeln als das Thema Licht gesteuerte Manipulation, kann eine Nutzung der Vorteile lokalisierte Oberflächen Plasmon Resonanzen (LSPR), die bieten große optische Querschnitte, hohe Empfindlichkeit gegenüber Umweltveränderungen und großes Feld Verbesserungen20,21,22,23. Dies führte zu einer Fülle von Studien an der Grenze zwischen Plasmonik und optische Manipulation8,24,25,26,27. Die starke Licht-Materie-Wechselwirkung von LSPR zur Verfügung gestellt hat uns ermöglicht, eine Plattform zu entwerfen, wo Zirkular polarisierten Laser Pinzette gold Laptops bei Rekord Drehung Frequenzen in Wasser2Spin fahren können. Durch die Verfolgung der Brownschen Bewegung von einem rotierenden Nanorod, erhalten Sie detaillierte Informationen über seine Umgebung und Temperatur3,5. Gleichzeitige spektroskopische Analyse bietet eine zusätzliche unabhängige Quelle für Analyse lokaler Temperatur und die morphologische Stabilität des rotierenden Nanorod1. Eine Reihe von Systemen und Konfigurationen werden für die Untersuchung und Anwendung von Drehbewegung in optischen Pinzette, generieren wichtige Einblicke in das Feld15,28,29,30 , 31 , 32. jedoch die meisten dieser Studien behandelt haben Objekte einige Mikrometer im Durchmesser während eines einzigen Nanorod Zugang zu den Nanometer Größe Regime gibt. Darüber hinaus erfolgt wenn Gold verwendeten Laptops als rotary Nanomotor, Drehmoment effizient hauptsächlich über Streuung2,33. Dies verringert das Risiko der Überhitzung der eingeschlossene Partikel3,34,35.
In der folgenden Methode erläutern wir die erforderlichen Schritte zum Aufbau eines Systems in der Lage, effiziente optische fallen und Rotation von Metall-Nanopartikeln. Die gold Laptops als in diesen Studien haben hohe Streuung Querschnitte und der Strahlungsdruck erweist sich als stärker als die entgegenwirkende Neigungskraft in der Ausbreitungsrichtung. Um die Partikel in 3D noch zu beschränken, nutzen wir den Kräfteausgleich zwischen Coulomb-Abstoßung von einer Glasoberfläche und der Laser Streuung Kraft in der Ausbreitungsrichtung. Diese 2D-Trapping-Konfiguration erheblich erweitert die Palette der auffangbarer Teilchen im Vergleich zu standard 3D optische Pinzette, und es ist leicht kombinierbar mit dunkel-Bereich optische Bildgebung und Spektroskopie.
Ein gefangen und rotierenden Metall-Nanopartikel interagiert mit seiner Umgebung, und detaillierte Informationen zu dieser Interaktion ist in seiner Bewegung und spektralen Eigenschaften enthalten. Nach der Beschreibung wie man die Zirkular polarisierte optische Pinzette zu konstruieren, erläutern wir daher auch wie Instrumentierung für sondieren Rotations Dynamik und zur Messung der Spektren der Rayleigh-Streuung in den Versuchsaufbau zu integrieren. Das Ergebnis ist eine vielseitige Plattform für Studien von nanoskaligen Drehung Phänomene in der Physik, Chemie und Biologie.
Dieses Protokoll wird davon ausgegangen, dass der Forscher Zugang zu geeigneten kolloidales Metall-Nanopartikeln, vorzugsweise einzelne kristalline gold Laptops. Gold Laptops können von spezialisierten Unternehmen gekauft oder im Haus mit nass-Chemie Methoden synthetisiert werden. Die Laptops in unseren Experimenten verwendet wurden von der Saatgut-vermittelten Wachstum in ihr beschriebenen Methode Et Al. 2013-36. Es ist vorteilhaft, wenn die Morphologie und die optischen Eigenschaften der Nanopartikel gut charakterisiert, zum Beispiel mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und optische Aussterben Messungen. Abbildung 1 zeigt die Daten von solchen Messungen für repräsentative Nanorod Typen1aufgenommen.
Eine Gliederung des Protokolls lautet wie folgt: im ersten Abschnitt beschreiben wir die Konstruktion der optischen Pinzette basierend auf zirkulare Polarisation. Im zweiten Abschnitt beschreiben wir Gewusst wie: Extrahieren von Informationen aus dem Nanomotor durch Aufnahme seiner Rotations Dynamik und Streueigenschaften. Die Drehfrequenz wird der Brownschen Drehbewegung der eingeschlossene Partikel gemessen und Photon Korrelation Spektroskopie durch hervorstehende rückgestreute Laserlicht durch einen linearen Polarisator auf einem schnellen ein-Pixel-Detektor3gefiltert. Durch Anpassung der Daten an eine theoretische Autokorrelationsfunktion, kann die Drehfrequenz und die Abklingzeit der rotatorischen Brownschen Diffusion extrahierten2,3. Die optischen Eigenschaften der gefangen und rotierenden Nanopartikel sind mit Dunkelfeld-Spektroskopie, die ergänzende Informationen über das Teilchen und seine Umgebung bietet gemessen. Im dritten Abschnitt beschreiben wir die Versuchsdurchführung für die Fallenjagd und Rotation des gold Laptops.
Bis zu diesem Punkt beschriebene Protokoll ist ein einfach Weg zu einem funktionierenden Zirkular polarisierte optische Pinzetten-System für Nanopartikel Rotation. Allerdings treten manchmal Probleme, dass Nachfrage zusätzliche Aufmerksamkeit. Im vierten Abschnitt erläutern wir, ein paar der häufigsten Probleme, die wir kennen gelernt haben und wie sie zu lösen. Dazu gehören Fragen der Nanopartikel optischen Eigenschaften führt zu schlechten Falle Stabilität (4.1), geringe Drehung Frequenzen durch suboptimale Zirkularpolarisation durch Strahlteiler Doppelbrechung (4.2), verursacht von Nanopartikeln in der Glasoberfläche klebt aufgrund unzureichender Coulomb-Abstoßung (4.3) und Abweichung von den charakteristischen Autokorrelation Signal (4.4).

<table><tbody><tr><td>Gold-Nanopartikel</td><td></td><td></td><td>Gekauftes oder selbst gezüchtetes</td></tr><tr><td>inverses Mikroskop</td><td>Nikon</td><td>Eclipse TI</td><td></td></tr><tr><td>Trapping Laser</td><td>Cobolt</td><td>Flamenco 05-01&nbsp;</td><td>660 nm</td></tr><tr><td>Objektiv</td><td>Nikon</td><td>CFI Plan Apo Lambda 40X</td><td></td></tr><tr><td>Laserschutzbrille</td><td>Thorlabs</td><td>LG4</td><td></td></tr><tr><td>Verschiedene optomechanische Komponenten für die Montage von Optiken.</td><td></td><td></td><td>Eine Reihe von Montierungen, Pfosten und Komponenten von jedem Unternehmen</td></tr><tr><td>Objektiv 1 Keplarianisches Teleskop</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-035-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Objektiv 2 Keplarianisches Teleskop</td><td>Thorlabs</td><td>LA1725-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Silberbeschichtete Spiegel</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Kinematische Spiegelhalterungen</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>Translationstisch</td><td>Thorlabs</td><td>PT1/M</td><td>Menge: 2</td></tr><tr><td>50/50 R/T Strahlteiler</td><td>Chroma</td><td>21000</td><td></td></tr><tr><td>CMOS Kamera</td><td>Andor</td><td>Zyla 5.5</td><td></td></tr><tr><td>Quarter Waveplate (QWP, &lambda;/4)</td><td>Thorlabs</td><td>AQWP05M-600</td><td></td></tr><tr><td>Leistungsmesser</td><td>Thorlabs</td><td>PM100USB</td><td></td></tr><tr><td>Photodioden Leistungssensoren</td><td>Thorlabs</td><td>S121C</td><td></td></tr><tr><td>Linearer Polarisator</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td>Für die Laserpolarisationsmessung</td></tr><tr><td>360°; Rotationshalterung</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>Halbwellenplatte (HWP, &lambda;/2)</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td>Wird verwendet, wenn die Polarisation nicht ausreicht mit nur QWP</td></tr><tr><td>Öl DF Kondensor</td><td>Nikon</td><td>C-DO Dunkelfeld Kondensor Öl&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>30/70 R/T Strahlteiler</td><td>Chroma</td><td>21009</td><td></td></tr><tr><td>Schneller Si-Detektor</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Datenerfassungsmodul</td><td>National Instruments</td><td>USB-6361</td><td></td></tr><tr><td>Fiber 400 & micro; m Kerngröße</td><td>Thorlabs</td><td>M74L01</td><td></td></tr><tr><td>xy-Translationsmontierung</td><td>Thorlabs</td><td>LM1XY/M</td><td></td></tr><tr><td>Linearer Polarisator</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometer</td><td>Princeton Instruments&nbsp;</td><td>IsoPlane SCT320&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>CCD-Kamera für Spektrometer</td><td>Princeton Instruments&nbsp;</td><td>PyLoN&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Kerbfilter</td><td>Semrock</td><td>NF03-658E-25</td><td></td></tr><tr><td>Kerbfilter</td><td>Thorlabs</td><td>NF658-26</td><td></td></tr><tr><td>Ultraschallreiniger Bad</td><td>Branson</td><td>Branson 3510&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Objektträger</td><td>Ted Pella</td><td>260202</td><td></td></tr><tr><td>Nr. 1.5 Deckgläser</td><td>VWR</td><td>630-2873</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Grundreiniger</td><td>Hellma</td><td>Hellmanex III</td><td>Reinigung bei Partikelanhaftung</td></tr><tr><td>Secure-Seal Spacer</td><td>Thermo</td><td>Fisher S24735</td><td>Abstandsband mit Loch, zur Herstellung von Probenzellen</td></tr><tr><td>Tauchöl</td><td>Zeiss</td><td>444960-0000-000&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PS beads</td><td>Microparticles GmbH</td><td>PS-R-5.0</td><td></td></tr><tr><td>Spektralphotometer</td><td>Agilent</td><td>Cary 5000 UV-Vis-NIR</td><td></td></tr><tr><td>SEM</td><td>Zeiss</td><td>Ultra 55 FEG REM</td><td></td></tr><tr><td>Pinzette</td><td></td><td></td><td>Beliebige Marken</td></tr></tbody></table>

bau und betrieb eines lichtgetriebenen gold nanorod rotary motor systems

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

Die Möglichkeit zu generieren und zu messen, Rotation und Drehmoment im Nanobereich ist von fundamentalem Interesse für die Untersuchung und Anwendung von biologischen und künstlichen Nanomotors und kann neue Wege zur einzigen Zellanalyse, Studien von nicht-Gleichgewichts Thermodynamik und mechanische Betätigung von nanoskaligen Systemen. Ein facile lässt sich Laufwerk Drehung fokussierte zirkular polarisiertem Laserlicht in optischen Pinzette verwenden. Mithilfe dieses Ansatzes können metallische Nanopartikel als hocheffiziente Streuung-driven rotatorischen Motoren drehen auf noch nie da gewesenen Drehung Frequenzen in Wasser betrieben werden.
In diesem Protokoll wir skizzieren, den Bau und Betrieb von Zirkular polarisierte optische Pinzette für Nanopartikel Rotation und die Instrumentierung benötigt für die Aufnahme der Brownschen Dynamik und Rayleigh-Streuung des eingeschlossenen Partikels zu beschreiben. Die Drehbewegung und die Streuung Spektren bietet unabhängige Informationen über die Eigenschaften der Nanopartikel und seiner unmittelbaren Umwelt. Die experimentelle Plattform hat als nanoskopische Gradmesser für Viskosität und Temperatur, für die Verfolgung von morphologischer Veränderungen von Laptops und molekulare Beschichtungen sowie als Wandler und Sonde PHOTOTHERMISCHE und thermodynamische Prozesse bewährt.

Die Rotation und rotatorischen Brownsche Bewegung von einer goldenen Nanorod, die ordnungsgemäß in die Zirkular polarisierte Laser-Pinzette gefangen ist kann durch die Aufnahme der Lichtstreuung intensitätsschwankungen (Abbildung 3a) mit einem ein-Pixel-Detektor sondiert werden. Eine Autokorrelation Spektrum dieses Signal enthält eine oszillierende Komponente, ähnlich dem in Abbildung 3 bgezeigt. Das kann zu einer theoretischen Autokorrelationsfunktion passen. Das Fitting ermöglicht Extraktion von der Drehfrequenz und die Autokorrelation Decay-Zeit, bezogen auf den Rotations Brownschen Schwankungen, von der Nanorod.
Wie im Protokoll (Unterweisung 4.4.2) erwähnt, ist es unerlässlich, eine ausreichend Dicke Faserkern zu verwenden, um das rückgestreute Laserlicht Photon Korrelation Spektroskopie zu sammeln. Wenn dies nicht der Fall ist, wird ein zusätzliche Zerfall Begriff im Zusammenhang mit Partikel-Übersetzung in und aus der Sonde Volumen in die Korrelationsfunktion vorhanden sein, siehe Abbildung 4. Durch sorgfältige Analyse könnte dies mehr Informationen über das System zur Verfügung stellen; Allerdings erschwert es die Analyse der rotatorischen Brownschen Dynamik in den Daten enthaltenen.
Um korrekte DF Streuung Spektren von eingeschlossenen Nanopartikel zu erhalten, wie in Abschnitt 3.5 beschrieben, die spektrale Rohdaten kalibriert werden müssen. Dies geschieht durch Aufnahme der Beleuchtung Lampe Spektrum sowie ein Hintergrund-Spektrum (Abb. 5a). Beim intensivem Laserlicht an einer Glasoberfläche, wie das Substrat fokussieren, wogegen die Laptops gefangen sind, könnten einige Fluoreszenz erzeugt werden (siehe die rote spektrale Beitrag im Hintergrund Spektrum der Abb. 5a). Diese Fluoreszenz-Kontamination kann reduziert werden, mithilfe von Fused-Silica-Substrate. Aber auf jeden Fall empfiehlt es ein Hintergrund-Spektrum mit leeren optischen Pinzette in die richtige Laserleistung aufzunehmen. Wenn eine Streuung-Spektrum aufgenommen und haben alle spektralen Anteile, die nicht im Zusammenhang mit der tatsächlichen Nanopartikel Streuung ausgeglichen worden, denn das Spektrum in Energie Skala mit einer Bi-Lorentzian passende Funktion eingebaut werden kann, um Informationen zu extrahieren in Bezug auf die LSPR Peak Positionen (Abb. 5 b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> Abbildung 1: REM-Bilder und Ensemble Aussterben Spektren für zwei repräsentative Nanopartikel Chargen. ein) Maßstabsleiste beträgt 200 nm. b) blau/rot umrandet SEM Bilder in einem) entsprechen bzw. das rot/blau-Spektrum. Die spektrale Gipfel im Zusammenhang mit den quer und längs LSPRs sind deutlich zu unterscheiden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> Abbildung 2: Schematische Darstellung der optischen Pinzette Setup für Nanopartikel Drehung Messungen. Laserlicht ist kollimiert und erweitert durch ein Keplerschen Fernrohr und anschließend zu welchem Zweck durch den Einsatz von zwei beweglichen spiegeln (M1, M2) und einem Strahlteiler (BS) geführt. Zwei wellenplatten im Laser Pfad optimieren die zirkulare Polarisation der optischen Pinzette (λ/2, λ/4). Rückgestreute Laserlicht kann nach einer linearen Polarisator für Photon Korrelation Spektroskopie und rotatorischen Dynamik Messungen erfasst werden. Nach dem Entfernen des Laser-Lichts, wird weißer Streulicht zu einem Spektrometer oder einer Kamera geführt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> Abbildung 3: Repräsentative Intensität und Autokorrelation Daten mit Kurve fit für einen gefangen und rotierende Nanorod. eine) Intensitätsschwankungen nach einen linearen Polarisator für 1 s und einem vergrößerten Grundstück von den Schwankungen der einzelnen Pixel Detektor aufgezeichnet. b) autokorreliert Intensität Schwankungsbreite eines rotierenden gold Nanorod (blaue Punkte), rückgestreute Laserlicht gesammelten Daten. Die Daten zeigen eine Schwingung, die nach einigen Perioden zerfällt. Die Schwingung bezieht sich auf die Drehfrequenz des Nanorod, während der Zerfall durch Brownsche Drehbewegung ist. Eine Passform, die theoretische Autokorrelationsfunktion erfolgt (rote Linie) eine Drehfrequenz f extrahieren = 24285 ± 45 Hz und eine Korrelation zerfallen Zeit τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. Die f und τ0 Unsicherheiten stellen 95 %-Konfidenzintervall des Fit, hat ein Bestimmungskoeffizient (R2) des 0.9877. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> Abbildung 4: Problem mit einem zu kleinen Sonde Volumen in Photon Korrelation Spektroskopie Messungen. ein) Autokorrelation Datenerhebung für eine rotierende gold Nanorod mit einem dicken (400 µm, blau Daten) und eine dünne (62,5 µm, rote Daten) Faser. Sammlung mit einer dicken Faser sorgt dafür, dass die Nanorod immer in der Sonde Volumen begrenzt ist und die Autokorrelationsfunktion Rotations Dynamik nur misst. Eine zusätzliche Zerfall Sicht aufgrund der translationalen Brownsche Bewegung liegt vor, wenn die Sonde Volumen nicht ausreicht. In b) und c), schematischen Abbildungen des Effekts und Bilder von der Rückseite beleuchtet Sammlung Region gezeigt. Maßstabsleisten sind 2 µm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> Abbildung 5: beispielhafte Dunkelfeld Streuung Spektren aufgenommen für ein gold Nanorod optisch von 660 nm Laserlicht gefangen. Im Spektralbereich 630-670 nm (1,85-1,97 eV) aufgrund von Notch-Filter benötigt, um das Überfüllen Laserlicht zu blockieren verzerrt ist. ein) Raw Streuung Spektren (dunkelblau) Merkmale, die sind nicht die Streuung des Teilchens und sollte für kalibriert werden. Dazu gehören das Hintergrund-Spektrum (rot), die Autofluoreszenz aufgeregt durch das stark gebündelte Laserlicht enthält, und die weiße leichte Anregungsspektrums (Orange, ohne Notch-Filter aufgenommen). Nach der Kalibrierung zeigt das korrigierte Streuung Spektrum (hellblau) zwei unterschiedliche LSPR Gipfel, wie erwartet. Die Pfeile zeigen den Maßstab für jedes Spektrum. b) Streuung Spektrum für eine eingeschlossene Nanorod (blaue Punkte) sowie eine Anpassung an die Bi-Lorentzian Modellfunktion (rot) mit seinen Komponenten (hellblau und Orange). Die verzerrte Spektralbereich ist in der Anordnung der Daten nicht berücksichtigt und die Passform hat einen R-2 des 0.9975. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

Plasmonische gold Laptops können in Flüssigkeiten gefangen und bei kHz Frequenzen mit Zirkular polarisierte optische Pinzette gedreht. Einführung von Brownsche Dynamik Analyse-und leichte Scatteringspectroscopy führt auf ein leistungsfähiges System für Forschung und Anwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft.

Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Systems ist es, Rotation und Drehmoment auf der Nanoskala mit Hilfe einer zirkular polarisierten optischen Pinzette zu erzeugen und zu messen. Die rotierenden Objekte können mit zusätzlichen Instrumenten für die Analyse der Brownschen Dynamik und die Lichtstreuspektroskopie abgefragt werden. Diese Methode kann uns helfen, Schlüsselfragen der thermischen und optischen Physik auf der Nanoskala zu beantworten.Zum Beispiel im Zusammenhang mit der Brownschen Diffusion von Nanopartikeln und der Übertragung von optischem Drehimpuls in ein Nanoteilchen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie eine stabile Rotation der Nanopartikel bei hohen Frequenzen ermöglicht und dass die Messungen detaillierte Informationen über das Nanopartikel und seine unmittelbare Umgebung liefern. Die Idee ist, ein metallisches Nanopartikel durch einen fokussierten Laserstrahl in einer optischen Pinzette einzufangen.Wenn der Trapping-Laser zirkular polarisiert ist, dreht sich das Nanopartikel aufgrund der Übertragung des Drehimpulses aus dem Licht. Bauen Sie den Aufbau um ein geeignetes inverses Mikroskop herum auf. Der Aufbau umfasst Elemente sowohl für die optische Pinzette als auch für Messungen an einem gefangenen Partikel.Dies ist eine schematische Darstellung des Setups. Konzentrieren Sie sich vorerst auf die Elemente für die optische Pinzette. Entscheiden Sie sich für einen linear polarisierten Laser mit 660 Nanometern und einer stabilen Ausgangsleistung von bis zu 500 Milliwatt.Verwenden Sie Linsen in einer keplerischen Teleskopkonfiguration, um den Strahl zu erweitern. Verwenden Sie Spiegel in kinematischen Halterungen, um den Laserstrahl auf das Mikroskop zu richten. Verwenden Sie im Inneren des Mikroskops einen 50 50 Strahlteiler, um das Laserlicht in das Objektiv einzukoppeln.Für die Ausrichtung und Datenerfassung fügen Sie eine Kamera in den Pfad des reflektierten Lichts ein. In diesem Fall kann ein schwenkbarer Spiegel im Inneren des Mikroskops das Licht auf das Mikroskop lenken. Stellen Sie die keplerischen Linsen ein, um den Strahl zu erweitern.Machen Sie den Strahl etwas größer als die hintere Blende des Überfangobjektivs, um den Fokus zu optimieren. Bewegen Sie sich entlang des Strahlengangs, um die Kollimation zu überprüfen. Der Strahldurchmesser sollte konstant sein, wenn er sich zum Objektiv ausbreitet.Fokussieren Sie den Laser auf ein Objektträger oder einen Spiegel. Führen Sie die Feinabstimmung mit den Spiegeln im Strahlengang durch. Ein falsch ausgerichteter Laser hat ein nicht radialsymmetrisches Intensitätsmuster.Ist der Laser ausgerichtet, ist sein Intensitätsmuster radialsymmetrisch, wenn der Fokus über und unter dem Fokuspunkt geändert wird. Polarisieren Sie nun den Strahl zirkular, indem Sie eine Viertelwellenplatte einführen. Richten Sie es mit seiner schnellen Achse in einem Winkel von 45 Grad zur linearen Polarisation des Lichts aus.Für eine optimale Rotationsleistung ist eine gute zirkularen Polarisation des Lasers von entscheidender Bedeutung. Falls zu diesem Zeitpunkt ein Problem auftritt, setzen Sie die Halbwellenplatte ein, um die nachteilige Doppelbrechung der optischen Komponenten im Strahlengang zu korrigieren. Richten Sie abschließend ein Dunkelfeldsystem und eine Kragenbeleuchtung mit einem in Öl getauchten Kondensor ein.Reparieren Sie die Elemente für die Photonenkorrelationsspektroskopie. Installieren Sie einen Strahlteiler, um das Licht vom Mikroskop zu einem Anschluss umzuleiten. Platzieren Sie an der Öffnung eine Baugruppe aus einem linearen Polarisator, gefolgt von einem x-y-Tisch mit einer Sammelfaser.Fokussieren Sie das Licht auf die Sammelfaser auf dem x-y-Translationstisch. Die Faser wird schließlich zu einer schnellen Ein-Pixel-Silizium-Fotodiode geführt. Stellen Sie sicher, dass die Kerngröße der Sammelfaser groß genug ist, um das Bild des Nanopartikels während seiner Exkursionen aufgrund der translationalen Brownschen Bewegung aufzunehmen.Wenn dieses Kriterium nicht erfüllt ist, können die gesammelten Daten schwer zu interpretieren sein. Um die Sammelfaser auszurichten, koppeln Sie sichtbares Licht an das nicht befestigte Ende. Dadurch wird das Substrat im Mikroskop beleuchtet und der Sammelbereich der Faser kann besucht werden. Passen Sie die Faserposition mit dem Translationstisch an.Stoppen Sie, wenn der Sammelbereich mit der Position der optischen Falle übereinstimmt. Bewegen Sie dann das Faserende von der Lichtquelle zum Detektor. In diesem Schema stellen diese Elemente den Aufbau dar, der für die Photonenkorrelationsspektroskopie benötigt wird.Für die Einrichtung der Dunkelfeldspektroskopie setzen Sie das Spektrometer ein. Richten Sie das Licht auf das Spektrometer, wobei sich der Spiegel im Weg des reflektierten Strahls befindet. In diesem Fall befindet sich der Spiegel mit dem Mikroskopgehäuse. Verwenden Sie einen Kerbfilter vor dem Spiegel, um das einfallende Laserlicht zu entfernen.Stellen Sie die Leitspiegel so ein, dass die optische Pinzette mit dem Spektrometerschlitz zusammenfällt. Beginnen Sie damit, die Partikel für das Experiment vorzubereiten. Verdünnen Sie die Partikel in entionisiertem Wasser auf eine geeignete Konzentration.Die verdünnte Lösung wird zwei Minuten lang beschallt, um die Aggregate aufzubrechen und eine gleichmäßige Dispersion zu erzeugen. Bereiten Sie als Nächstes die Probenzelle vor. Verwenden Sie einen Objektträger und ein Deckglas.Beschallen Sie sie jeweils fünf Minuten lang in Aceton, gefolgt von Isopropanol. Wenn Sie fertig sind, erstellen Sie ein 100 Mikrometer tiefes Abstandsband gut auf dem Objektträger. Dispergieren Sie zwei Mikroliter der verdünnten Nanopartikellösung in der Vertiefung.Setzen Sie ebenfalls zwei Mikroliter auf das Deckglas. Setzen Sie die beiden Teile der Zelle zusammen. Es sollten sich keine Luftblasen in der Kammer befinden.Bewegen Sie die Zelle auf den Mikroskoptisch. Geben Sie dort ein Tropfenindex-angepasstes Immersionsöl auf die Probe. Geben Sie einen weiteren Tropfen auf den Kondensator.Beginnen Sie das Experiment mit blockiertem Fallen-Laser. Lokalisierung eines geeigneten Teilchens durch Beobachtung im Dunkelfeld-Bildgebungssystem. Lösen Sie die Blockade des Lasers und manipulieren Sie den Tisch und den Fokus, um das Partikel nach vorne in Richtung Wasserglasgrenzfläche zu drücken.Für Messungen der Rotationsdynamik erfassen Sie die Intensitätsschwingung mit dem Silizium-Photodetektor. Beginnen Sie für spektroskopische Messungen mit dem Substrat aus dicht dispergierten, gleichmäßig streuenden Polystyrolkügelchen. Zeichnen Sie das weiße Lichtspektrum aus der Streureaktion des Substrats auf.Ersetzen Sie als Nächstes die Kügelchenprobe im Mikroskop durch die Nanopartikelprobe. Nehmen Sie ein Hintergrundspektrum mit Streulicht vom Fallenpunkt auf. Blockieren Sie als nächstes sämtliches Licht vom Detektor und zeichnen Sie unter dieser Bedingung ein dunkles Spektrum auf.Entfernen Sie den Block aus dem Strahl, fangen Sie schließlich ein Nanopartikel ein und nehmen Sie das damit verbundene Rohspektrum auf. Dabei handelt es sich um Intensitätsschwankungen von zurückgestreutem Laserlicht von einem gefangenen, rotierenden Nanostab. Aus solchen unbehandelten Daten ist es schwierig, Informationen auf einer beliebigen Zeitskala zu extrahieren.Wenn die Intensitätsdaten jedoch automatisch korreliert sind, zeigen sie Schwingungen, die mit der Rotationsfrequenz des Nanostabs zusammenhängen. Der oszillatorische Zerfall nach einigen Perioden ist auf die rotierende Brownsche Bewegung zurückzuführen. Die rote Linie ist eine Anpassung an die theoretische Autokorrelationsfunktion, aus der man Detailinformationen über die Drehbewegung extrahieren kann.Hier ist die rohe Streuintensität eines gefangenen Nanostäbchens dunkelblau. Er wird durch das Vorhandensein eines Kerbfilters verzerrt. Um das Streuspektrum des Nanostäbchens zu isolieren, kalibrieren Sie die Rohdaten mit dem Hintergrundspektrum in Rot und einem Weißlichtanregungsspektrum in Orange.Dies ist das korrigierte Streuspektrum. Das Spektrum zeigt, wie erwartet, zwei unterschiedliche lokalisierte oberflächenbezogene Plasmonenresonanzen. In diesem Diagramm sind die blauen Punkte das Streuspektrum eines gefangenen Nanostäbchens, wobei der verzerrte Spektralbereich nicht berücksichtigt wird.Die rote Kurve ist die Anpassung der bi-Lorentzschen Modellfunktion. Die Passungskomponenten sind in Hellblau und Orange gehalten. Sobald der Aufbau aufgebaut und die Technik gemeistert ist, kann das optische Fallen- und Rotationsexperiment in wenigen Stunden durchgeführt werden, wenn es richtig durchgeführt wird.Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, geeignete Nanostäbchen zu verwenden, die die Resonanz auf der blauen Wellenlängenseite des Lasers dominieren, er sollte auch klar getrennte Resonanzspitzen haben, aber physikalisch groß genug sein, um stabil gefangen zu werden. Optische Pinzetten für Experimente zur Rotation von Nanostäbchen können mit einer Reihe von verschiedenen Laserwellenlängen, Mikroskopobjektiven und Mikroskopen mit nur geringfügigen Änderungen konstruiert werden. Darüber hinaus können Messgeräte für translationale Brown-Messungen zur ergänzenden Datenerfassung problemlos hinzugefügt werden.Diese Nanopartikel-Rotationsplattform hat sich als Oszilloskop zur Messung der Viskosität und lokalen Temperatur, zur Verfolgung morphologischer Veränderungen von Nanostäbchen und molekularen Beschichtungen sowie als Wandler und Sonde für photothermische und thermodynamische Prozesse erwiesen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man optische Pinzettenexperimente an metallischen Nanostäbchen durchführt. Wie man sie mit zirkular polarisiertem Licht dreht und wie man Informationen durch Photonenkorrelationsspektroskopie und Dunkelfeldspektroskopie extrahiert.Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern für die Augen äußerst gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen einer Laserschutzbrille und geeignete Laserfilter und Handhabungsverfahren getroffen werden sollten.

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