Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems

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.