La medición de la dispersión no linealidades de una nanopartícula Individual plasmónicas

El objetivo general de este experimento es demostrar la mejora de la resolución con la dispersión no lineal de nanoestructuras plasmónicas. En el campo de la microscopía óptica, el contraste y la resolución son los factores más importantes. Nuestra técnica se expande al campo de súper resolución con la nueva dispersión basada en el contraste.

La principal ventaja de esta técnica es que la dispersión de las nanopartículas es fuerte, altamente no lineal y no blanqueadora. El encargado de demostrar el procedimiento será Hsuan Lee. Un mejor estudiante de mi laboratorio.

El experimento se realizará en un banco óptico. Donde hay un microscopio y dos fuentes láser. La primera fuente láser es un láser de onda continua de 532 nanómetros que se utiliza para la obtención de imágenes.

El segundo es un láser supercontinuo que se utiliza para mediciones espectroscópicas. Este es un esquema de la configuración básica tanto para la imagen como para la espectroscopia. Las muestras se montarán en una platina de posicionamiento piezoeléctrico en el microscopio confocal.

La luz del láser de 532 nanómetros pasa a través de un filtro de densidad neutra. El haz es dirigido por un divisor de haz a espejos galvano que proporcionan un escaneo de trama en el plano focal del objetivo del microscopio confocal. La luz dispersada hacia atrás es recogida por el objetivo y enfocada en el detector.

Comience alineando la ruta de iluminación de luz blanca del microscopio. Utilice la fuente de luz halógena bajo la iluminación del rizador. Para verificar la alineación del iris interno, asegúrese de observar los bordes afilados en el octágono a través del ocular o CCD.

A continuación, utilice una hoja de papel para comprobar la trayectoria de la luz externa. Verifique que los haces sean parcialmente reflejados por el divisor de haz y se propaguen hacia el láser moviendo el papel a lo largo de la trayectoria de la luz. Ahora, tenga listos los objetivos en papel para ayudar a una mayor alineación.

Los objetivos deben estar en papel delgado con anillos concéntricos. Coloque estos objetivos a lo largo de la trayectoria del haz de modo que estén alineados con el haz halógeno. Aquí, un objetivo está en posición en la apertura posterior de la lente del objetivo.

Este es otro objetivo en posición a lo largo de la trayectoria óptica. A continuación, encienda el láser de 532 nanómetros que se utiliza para la obtención de imágenes para alinearlo. Utilice los objetivos de papel para ayudar a colimar la luz láser incidente opuesta al haz halógeno.

Continúe con una alineación más fina del rayo láser antes de eliminar los objetivos y continuar. Después de alinear el láser, obtenga una muestra de nanoesfera de oro preparada para el experimento. Esta muestra tiene nanoesferas de oro de 80 nanómetros en aceite.

La mezcla se sella entre dos placas de vidrio. Continúe montando la muestra en la platina del microscopio y agregando aceite objetivo. En este punto, prepare el sistema de detección para la obtención de imágenes.

Recoja la luz dispersa con el tubo multiplicador de fotos al final de la ruta óptica. A lo largo de la trayectoria del haz, tenga un orificio de 20 micrómetros de diámetro para bloquear la luz dispersa desenfocada del tubo fotomultiplicador. Continúe con la imagen encendiendo los espejos galvano y el multiplicador de fotos.

Observe el monitor de la computadora para ver el escáner trasero en señal de las nanopartículas de oro. Maximice la señal del escáner trasero ajustando la posición del orificio y la altura de la etapa de muestra. Después de alinear el microscopio confocal, caracterice la no linealidad de dispersión de la muestra.

Para hacer esto, primero use un medidor de potencia para medir la potencia del láser después de la lente del objetivo. La lectura debe ser inferior a 10 microvatios, lo que corresponde a una intensidad de excitación inferior a 10 vatios por centímetro cuadrado. A continuación, adquiera una imagen de las nanopartículas de oro utilizando el tubo fotomultiplicador.

Abra la imagen capturada en el software de análisis de imágenes para caracterizar el perfil de intensidad de dispersión. Selecciona una nanoesfera dorada entre las de la imagen y dibuja una línea a través de ella. A continuación, siga los pasos necesarios en el software para recuperar el perfil de dispersión.

Ajuste el perfil a un gaussiano que permite una verificación adicional de la alineación del sistema de imágenes. Ahora, comience a escanear sistemáticamente a través de las intensidades de excitación. Primero, cambie el filtro de densidad neutra para aumentar la intensidad de excitación.

Determine la nueva intensidad de excitación y grabe la imagen de retrodispersión al nuevo nivel de intensidad. Utilice la imagen para extraer un perfil de dispersión de una nanosfera como antes. Traza el perfil de dispersión e identifica su valor en el centro de la esfera como la señal de dispersión.

Repita estos pasos varias veces para construir un gráfico de la señal de dispersión frente a la intensidad de excitación. En esta figura, los puntos azules representan datos. La línea roja es un ajuste polinómico.

Existe una relación lineal entre la señal de dispersión y los valores bajos de la energía de excitación. La caída por debajo de esta relación lineal indica que se ha producido una saturación. El siguiente paso es realizar la espectroscopia en una sola nanoesfera de oro.

Este esquema proporciona una visión general de la configuración. Utilice una fuente láser supercontinua con un rango de longitud de onda de 450-1750 nanómetros. Además, utilice un divisor de haz 50/50 de banda ancha para garantizar la cobertura espectral en el espectro visible.

Coloque un espejo giratorio frente al tubo fotomultiplicador para dirigir la luz hacia el espectrómetro. Que está equipado con un dispositivo de carga acoplada. El láser supercontinuo debe alinearse utilizando el mismo procedimiento que el láser de 532 nanómetros.

A la salida del láser supercontinuo, tome algunas precauciones para eliminar el exceso de energía infrarroja del sistema. Coloque espejos reflectantes de luz visible en la trayectoria óptica justo después de la salida del láser, antes de enviar el haz al microscopio. Junto con los espejos, utilice vertederos de haz para recoger la radiación infrarroja que podría dañar el sistema.

Con el láser alineado, adquiera una imagen de las nanoesferas de oro. Vea la imagen e identifique una sola nanoesfera para su estudio. Fije el foco de la luz de banda ancha incidente en la nanosfera elegida.

A continuación, asegúrese de que el espectrómetro esté en la trayectoria óptica. En esta posición, el espejo abatible dirige la luz incidente al tubo fotomultiplicador. Reoriente el espejo para dirigir la luz incidente al espectrómetro.

Proceda a recopilar datos sobre el espectro de dispersión de la nanopartícula de oro individual. Como en este ejemplo, el espectro medido será una mezcla de dispersión de nanoesferas y fondo debido a las reflexiones. Después de tomar el espectro, devuelva el espejo abatible.

Gírelo para dirigir la luz al tubo multiplicador de fotos. Tome otra imagen para confirmar que la nanopartícula de oro no ha cambiado de posición. A continuación, cambie el enfoque de la luz de banda ancha a un punto donde no haya partículas.

Vuelva a cambiar el espejo para que la luz directa al espectrómetro y proceda a realizar otra medición del espectro. El nuevo espectro es el de fondo. Se restará del espectro de la nanosfera de oro.

Aquí está el espectro de dispersión inversa claro producido al restar el espectro de fondo del espectro con las nanoesferas de oro. La microscopía de excitación saturada de la muestra requiere una configuración diferente. Este es el esquema del microscopio de excitación saturada.

La fuente láser es un láser de 532 nanómetros. Utilice un divisor de haz 50/50 para crear dos haces a partir de la fuente láser. Pase cada haz a través de un modulador óptico acústico separado.

Las diferentes frecuencias del modulador generan una frecuencia de batido que servirá como frecuencia de modulación de las señales de excitación saturadas. Combine los haces difractados de primer orden de los moduladores ópticos acústicos con otro divisor de haz 50/50. Para monitorear la modulación temporal, use un portaobjetos de vidrio para dividir una pequeña porción de la luz láser en un fotodetector.

Para comprobar el sistema, conecte el fotodetector a un osciloscopio. Asegúrese de que no haya ninguna muestra en su lugar. Evalúe la señal del fotodetector en el osciloscopio.

La señal debe ser una sinusoide en la frecuencia de batido si la modulación y la superposición del haz son correctas. Para este experimento, la frecuencia de batido esperada es de 10 kilohercios. Esfuércese por lograr una sinusoide lo más perfecta posible con una no linealidad mínima.

El siguiente paso es incorporar un amplificador de bloqueo en el sistema. Para la microscopía de excitación saturada, el amplificador de bloqueo tiene entrada del fotodetector y el tubo fotomultiplicador. Desconecte la salida del fotodetector del osciloscopio y conéctelo a la entrada de referencia del amplificador.

Conecte la salida del tubo fotomultiplicador al amplificador de bloqueo como entrada de señal. Envíe la salida del amplificador a una tarjeta de adquisición de datos. En este punto, monte la muestra en la platina del microscopio.

Utilice la misma muestra con nanoesferas de oro de 80 nanómetros en aceite selladas entre dos placas de vidrio. Regrese al amplificador de bloqueo mientras toma medidas. Configure el amplificador para exportar la magnitud absoluta de la señal de voltaje.

En este caso, seleccionando R" en el panel de visualización del canal 1. Cambie la configuración del componente armónico en el canal de referencia para obtener las amplitudes individuales de excitación saturada. Estas imágenes en color se forman utilizando un software personalizado para sincronizar y combinar las señales del amplificador de bloqueo y los voltajes de accionamiento de los motores galvano.

La imagen del microscopio electrónico de barrido es para comparar. Las imágenes demuestran la mejora de la resolución con diferentes componentes armónicos. El espectro medido de una nanosfera de oro de 80 nanómetros está en rojo.

La curva de sólidos, calculada utilizando la teoría de Mie, muestra una excelente concordancia. La resonancia del plasmón superficial localizado es de 580 nanómetros. Las imágenes de dispersión, arriba, y los perfiles de línea, abajo, tienen diferentes características en función de la intensidad de la excitación.

A baja intensidad, la función de dispersión de puntos es un perfil gaussiano estándar. Las intensidades más altas dan como resultado la función de aplanamiento y ensanchamiento que indica saturación. A valores más altos, la intensidad central no es la máxima, lo que da como resultado una función de dispersión de puntos en forma de rosquilla.

Eventualmente, la intensidad central vuelve a ser el pico durante la saturación inversa. Los puntos de datos azules en este gráfico de la intensidad central a diferentes intensidades de excitación revelan tanto el comportamiento de saturación como el de saturación inversa. Los puntos de datos se ajustan a un polinomio de 5º orden trazado en rojo.

Estos datos se pueden utilizar para extraer los componentes de frecuencia armónica. Los componentes armónicos también se pueden encontrar directamente usando el amplificador de bloqueo. Este gráfico de la izquierda es de datos experimentales.

El gráfico de la derecha es el resultado del cálculo utilizando el ajuste polinómico de 5º orden. Ambas parcelas presentan buzamientos a intensidades específicas a lo largo de las curvas. Por ejemplo, tres caídas en el segundo armónico.

También en cada parcela, para cada orden armónico, la pendiente aumenta después del primer buzamiento. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en menos de tres horas si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante verificar la calidad de la modulación sinusoidal, la linealidad del sistema de detección y la estabilidad mecánica de la muestra.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo lograr una mejora de la resolución basada en la dispersión no lineal de nanoestructuras plasmónicas. Esta técnica proporciona una muestra prometedora para que los investigadores en el campo de la microscopía de superresolución exploren nuevos contrastes en otras interacciones fundamentales entre la luz y la materia.