Name: Construcción y operación de un sistema del Motor rotatorio de Nanorod oro impulsado por la luz (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Aprende a construir un sistema de pinzas ópticas con polarización circular para rotar nanorods de oro y medir su dinámica rotacional. Este método permite analizar el movimiento browniano y la transferencia de momento angular óptico en física nanotérmica.

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Este trabajo fue apoyado por el Knut y Alice Wallenberg Foundation, el Consejo de investigación sueco y el Chalmers área de avance Nanociencia y nanotecnología.

<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>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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<li>Ruijgrok, P. V., Verhart, N. R., Zijlstra, P., Tchebotareva, A. L., Orrit, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brownian+fluctuations+and+heating+of+an+optically+aligned+gold+nanorod%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Brownian fluctuations and heating of an optically aligned gold nanorod.</a> Physical Review Letters. 107 (3), 037401(2011).</li>
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<li>Ye, X., Zheng, C., Chen, J., Gao, Y., Murray, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+binary+surfactant+mixtures+to+simultaneously+improve+the+dimensional+tunability+and+monodispersity+in+the+seeded+growth+of+gold+nanorods%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Using binary surfactant mixtures to simultaneously improve the dimensional tunability and monodispersity in the seeded growth of gold nanorods.</a> Nano Letters. 13 (2), 765-771 (2013).</li>
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<li>Verre, R., Odebo Länk, N., Andrén, D., Šípová, H., Käll, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201701253/abstract">Large-scale fabrication of shaped high index dielectric nanoparticles on a substrate and in solution.</a> Advanced Optical Materials. , In Press (2018).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

La configuración de captura óptica se describe en este protocolo se construye alrededor de un microscopio invertido comercial y utiliza la luz láser rojo. Sin embargo, las técnicas descritas son versátiles y pueden utilizarse para construir pinza óptica circular polarizada alrededor de microscopios más comerciales o de fabricación casera, tanto en posición vertical e invertida, con sólo leves modificaciones. La longitud de onda de láser de captura puede ser elegido dentro de un espectro NIR de–ancho visible, como el resto de los componentes ópticos y detectores son funcionales a esta longitud de onda específica. Sin embargo, al elegir una longitud de onda del láser, el tamaño y la vecindad espectral con resonancias de las partículas a ser manipulado deben considerarse ya que esto afectará a las fuerzas de captura óptica y rotación rendimiento2,5, la magnitud de fototérmica efectos1y la estabilidad de captura26. Previamente hemos trabajado con éxito con pinzas láser Circular polarizado usando longitudes de onda láser de 1064 nm, 660, 785 y 830.
Uno de los componentes más importantes de la configuración de captura óptica es el objetivo del microscopio. El objetivo de este protocolo es un objetivo seco con NA = 0.95. El uso de un objetivo seco experimentalmente es una realización más simple de la instalación; sin embargo, conducir a aberraciones ópticas debido a la refracción en las interfaces de la célula de muestra. En el presente caso, el resultado es un punto de foco ligeramente ampliada (~1.2 μm) en comparación con el límite de difracción (~0.4 μm), pero esto no cambia significativamente el desempeño general o rotatorio de la plataforma. En principio, una amplia gama de objetivos de microscopio puede ser utilizado, siempre que tengan buena transmisión en la longitud de onda de captura, buena polarización mantenimiento y suficientemente larga distancia de trabajo para realizar la captura a través de un microscopio cubreobjetos y capa de agua. En caso de captura de 2D, la NA puede ser relativamente baja, que simplifica todo el experimento y ofrece limpiador de polarización circular en el foco. Sin embargo, mayores potencias de láser podrían ser necesarios que en el caso de un alto objetivo de NA. En nuestra experiencia, el mejor rendimiento para la captura, rotación y campo oscuro espectroscopia se obtiene con objetivos con NA 0.7-0.95, pero es posible utilizar objetivos de NA inferiores como superiores.
Para obtener fotones buena correlación medidas de movimiento de rotación, es necesario un detector rápido píxel. Elija un detector con un ancho de banda mínimo dos, preferentemente diez, veces mayor que la frecuencia de rotación esperada multiplicada por el factor de degeneración forma y alta sensibilidad en la longitud de onda de captura utilizado. Amplificadas Si fotodetectores, fotón, conteo de APDs y PMT se han utilizado con éxito en diferentes configuraciones en nuestros laboratorios. Puede obtener información adicional, por ejemplo en la rigidez de la trampa, midiendo y analizando desplazamiento traslacional de partícula utilizando técnicas bien establecidas como análisis espectral de potencia5. Un número de publicaciones anteriores describe diversas variantes de esta técnica38,39. Espectroscopia de la DF se puede realizar un espacio libre de gama o fibra juntado espectrómetros y la elección debe basarse en el espectro y la longitud de onda y la resolución temporal necesaria para el estudio previsto.
Cuando se realiza un experimento de reventado, partículas adicionales accidentalmente entren en la trampa. Esto puede detectarse mediante el control de la frecuencia de rotación, que fluctuará fuertemente debido al disturbio. Inspección visual por microscopia de la DF puede utilizarse para verificar la presencia de una partícula adicional, en cuyo caso el escenario se puede mover para evitar la perturbación o el experimento necesita ser reiniciado.
El sistema descrito anteriormente es una manera simple y eficiente para realizar el parto 2D y la rotación de las nanopartículas metálicas. Sin embargo, para algunas aplicaciones, el grado de libertad adicional para la manipulación que viene con 3D captura es importante, y la configuración actual, por tanto, es una limitación. Sin embargo, rotación y confinamiento 3D podrían ser alcanzables utilizando propagación contador laser pinzas o configuraciones de captura más exóticas.
Aunque los parámetros de partículas y sistema aquí pueden ser optimizados para reducir fototérmica calefacción debajo de ~ 15 K4, el aumento de temperatura asociado con excitación plasmónica de nanopartículas de metal puede ser problemático en ciertas aplicaciones. Una ruta posible hacia la reducción de calor adicional es utilizar nanopartículas dieléctricas alto índice en lugar de partículas plasmónica. Tales partículas fuertes resonancias de dispersión tipo Mie la ayuda pero al mismo tiempo exhiben coeficientes de absorción intrínseca baja. Recientemente hemos sido capaces de fabricar nanopartículas de Si resonantes coloidales que pueden ser útiles en este respeto40,41.

Los métodos presentados en este artículo replica los utilizados en nuestro trabajo anterior1 para estudiar efectos de fototérmica de nanoescala influir en motores rotativos nanorod oro impulsado por la luz. Variantes de la plataforma experimental se ha utilizado en varias publicaciones relacionadas2,3,4,5,6,7,8, 9.
Pinzas ópticas son ampliamente utilizadas para el control de posición, la fuerza y el ímpetu linear transferencia a escalas pequeña longitud en física, biología e Ingeniería10,11,12,13,14 . Angular momentum por luz circularmente polarizada se puede emplear para el control de movimiento adicionales porque continuamente transferencia de torsión a objetos atrapados15. Combinando óptica transferencia lineal y momento angular, entonces es posible construir no invasiva nanomotors rotatorio con potencial para diversas aplicaciones, tales como el suministro de medicamentos en las células16,17, a nanoescala cirugía18y nanofluídica activo19, entre otros.
Mediante el uso de nanopartículas metálicas como objeto de manipulación por luz, uno puede aprovechar las ventajas de resonancias de plasmón superficial localizada (LSPR), que proporcionan grandes secciones ópticas, alta sensibilidad a cambios ambientales y campo grande mejoras20,21,22,23. Esto ha llevado a una gran cantidad de estudios en el límite entre la plasmónica y manipulación óptica8,24,25,26,27. La fuerte interacción de materia de luz proporcionada por LSPR nos ha permitido diseñar una plataforma donde son capaces de manejar nanobarras de oro para girar en las frecuencias de rotación récord en agua2pinzas láser circular polarizada. Mediante el seguimiento del movimiento browniano de una rotación nanorod, puede obtenerse información detallada sobre su ambiente y temperatura3,5. Análisis espectroscópico simultáneo proporciona un canal de información adicional independiente para analizar la temperatura local y la estabilidad morfológica del nanorod giratoria1. Una gama de sistemas y configuraciones se han utilizado para estudiar y aplicar movimiento de rotación de pinzas ópticas, generando importantes conceptos en el campo28,15,29,30 , 31 , 32. sin embargo, la mayoría de estos estudios ha versado objetos varios micrómetros en diámetro mientras que un nanorod solo da acceso al régimen del tamaño del nanómetro. Además, cuando gold nanorods se utilizan como el nanomotor rotatorio, esfuerzo de torsión es eficientemente transfieren principalmente vía dispersión2,33. Esto disminuye el riesgo de sobrecalentamiento de la partícula atrapada3,34,35.
En el siguiente método, describiremos los pasos necesarios para construir un sistema capaz de captura óptica eficiente y rotación de nanopartículas metálicas. Las nanobarras de oro considerados en estos estudios tienen alta dispersión secciones representativas, y la presión de la radiación resulta para ser más fuerte que la fuerza lucha contra gradiente en la dirección de propagación. Para todavía confinar las partículas en 3D, utilizamos el equilibrio de fuerza entre la repulsión coulombiana de una superficie de vidrio y la fuerza de dispersión de láser en la dirección de propagación. Esta configuración captura 2D grandemente amplía la gama de partículas capturable, en comparación con pinzas ópticas 3D estándar, y puede ser fácilmente combinado con campo oscuro la proyección de imagen óptica y espectroscopía.
Una nanopartícula atrapada y giratoria metal interactúa con su entorno, y toda la información sobre esta interacción está contenida en su movimiento y propiedades espectrales. Después de describir cómo construir la pinza óptica circular polarizada, por lo tanto, también describiremos cómo integrar instrumentación para sondear la dinámica de rotación y para la medición de espectros de dispersión de Rayleigh en el montaje experimental. El resultado es una plataforma versátil para los estudios de los fenómenos de rotación de nanoescala en física, química y biología.
Este protocolo asume que el investigador tiene acceso a coloidales nanopartículas metálicas adecuados, preferiblemente solo nanobarras de oro cristalino. Nanorods de oro pueden ser comprados a empresas especializadas o sintetizados en el laboratorio con métodos de química húmeda. Nanorods utilizados en nuestros experimentos fueron hechos por el método semilla-mediada del crecimiento descrito en Ye et al. 201336. Es ventajoso si la morfología y propiedades ópticas de las nanopartículas están bien caracterizadas, por ejemplo mediante medidas de extinción óptica y microscopía electrónica (SEM). Figura 1 muestra los datos registrados de estas mediciones representativas nanorod tipos1.
Un esquema del protocolo es el siguiente: en la primera sección, describimos la construcción de las pinzas ópticas basadas en polarización circular. En la segunda sección, se describe cómo extraer información del nanomotor registrando sus propiedades de dispersión y dinámica rotacional. La frecuencia de rotación y el movimiento browniano rotacional de la partícula atrapada es medido usando la espectroscopia de correlación de fotones por proyección de luz láser backscattered filtrada a través de un polarizador lineal de un detector rápido píxel3. Ajustando los datos a una función de autocorrelación teórica, la frecuencia de rotación y el tiempo de decaimiento de la difusión browniana rotacional pueden ser extraído2,3. Las propiedades ópticas de las nanopartículas atrapadas y rotación se miden usando la espectroscopia de campo oscuro, que proporciona información complementaria sobre la partícula y su entorno. En la tercera sección, se describe el procedimiento experimental para la captura y la rotación de nanobarras de oro.
El protocolo descrito hasta este punto es un camino directo a un sistema de funcionamiento Circular polarizado pinzas ópticas para rotación de nanopartículas. Sin embargo, a veces surgen problemas que demanda adicional la atención. En la cuarta sección, describiremos algunos de los problemas comunes que hemos encontrado y cómo resolverlos. Estos incluyen temas relacionados con propiedades ópticas de nanopartículas a estabilidad pobre trampa (4.1), bajas frecuencias de rotación debido a la polarización circular suboptimal causada por beamsplitter birrefringencia (4.2), pegarse de nanopartículas en la superficie de vidrio debido a la repulsión coulombiana insuficiente (4.3) y desviación de la señal característica de la autocorrelación (4.4).

<table><tbody><tr><td>Nanopartículas</td><td></td><td></td><td>de oro Microscopio</td></tr><tr><td>invertido comercial</td> comprado o de cosecha propia <td>Nikon</td><td>Eclipse TI</td><td></td></tr><tr><td>Láser de captura</td><td>Cobolt</td><td>Flamenco 05-01&nbsp;</td><td>660 nm</td></tr><tr><td>Objetivo</td><td>Nikon</td><td>CFI Plan Apo Lambda 40X</td><td></td></tr><tr><td>Gafas de seguridad láser</td><td>Thorlabs</td><td>LG4</td><td></td></tr><tr><td>Surtido de componentes optomecánicos para el montaje de ópticas.</td><td></td><td></td><td>Una gama de monturas, postes y componentes de cualquier empresa</td></tr><tr><td>Lente 1 Telescopio Keplarian</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-035-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Lente 2 Telescopio Keplarian</td><td>Thorlabs</td><td>LA1725-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Espejos recubiertos de plata</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Monturas de espejo cinemáticas</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>Etapa de traslación</td><td>Thorlabs</td><td>PT1/M</td><td>Cantidad: 2</td></tr><tr><td>50/50 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21000</td><td></td></tr><tr><td>Cámara CMOS</td><td>Andor</td><td>Zyla 5.5</td><td></td></tr><tr><td>Cuarto de placa de onda (QWP, &lambda;/4)</td><td>Thorlabs</td><td>AQWP05M-600</td><td></td></tr><tr><td>Medidor de potencia</td><td>Thorlabs</td><td>PM100USB</td><td></td></tr><tr><td>Sensores de potencia de fotodiodos</td><td>Thorlabs S121C</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Polarizador lineal</td><td>Thorlabs LPVIS050</td><td></td><td>Para la medición de la polarización láser</td></tr><tr><td>360&deg; montaje</td><td>de rotación Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>Media placa de onda (HWP, &lambda;/2)</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td>Se utiliza si la polarización no es suficiente solo con QWP</td></tr><tr><td>Aceite DF Condensador</td><td>Nikon</td><td>C-DO Aceite de condensador de campo oscuro&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>30/70 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21009</td><td></td></tr><tr><td>Detector Fast Si</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Módulo de adquisición de datos</td><td>National Instruments</td><td>USB-6361</td><td></td></tr><tr><td>Fiber 400 y micro; m tamaño del núcleo</td><td>Thorlabs</td><td>M74L01</td><td></td></tr><tr><td>montura de traslación xy</td><td>Thorlabs</td><td>LM1XY/M</td><td></td></tr><tr><td>Polarizador lineal</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td></td></tr><tr><td>Espectrómetro</td><td>Princeton Instruments&nbsp;</td><td>IsoPlane SCT320&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Cámara CCD para espectrómetro</td><td>Princeton Instruments&nbsp;</td><td>PyLoN&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Filtro de muesca</td><td>Semrock</td><td>NF03-658E-25</td><td></td></tr><tr><td>Filtro de muesca</td><td>Thorlabs</td><td>NF658-26</td><td></td></tr><tr><td>Baño limpiador ultrasónico</td><td>Branson</td><td>Branson 3510&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Portaobjetos para microscopio</td><td>Ted Pella</td><td>260202</td><td></td></tr><tr><td>n.º 1.5 Cubreobjetos</td><td>VWR</td><td>630-2873</td><td></td></tr><tr><td>Acetón</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Detergente básico</td><td>Hellma Hellmanex</td><td>III</td><td>Limpieza si la adherencia de partículas es un problema</td></tr><tr><td>Espaciador de sellado</td> seguro <td>Thermo Fisher</td><td>S24735</td><td>Cinta espaciadora con orificio, para hacer</td></tr><tr><td>celda de muestra Aceite de inmersión</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>Espectrofotómetro</td><td>Agilent</td><td>Cary 5000 UV-Vis-NIR</td><td></td></tr><tr><td>SEM</td><td>Pinzas</td><td></td> Zeiss Ultra 55 FEG SEM <td></td></tr><tr><td>Cualquier marca</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

construcción y operación de un sistema del motor rotatorio de nanorod oro impulsado por la luz

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

La posibilidad de generar y medir la rotación y torsión en la nanoescala es de fundamental interés para el estudio y aplicación de biológicos y artificiales nanomotors y puede proporcionar nuevas rutas hacia análisis unicelular, estudios de no-equilibrio Termodinámica y accionamiento mecánico de sistemas de nanoescala. Una manera fácil de rotación de impulsión es utilizar concentrado de luz láser circular polarizada en pinzas ópticas. Usando este acercamiento, las nanopartículas metálicas pueden funcionar como altamente eficientes motores rotatorios impulsado por la dispersión de spinning en las frecuencias de rotación sin precedentes en el agua.
En este protocolo, esquema de la construcción y operación de pinzas ópticas circularmente polarizada para rotación de nanopartículas y describir la instrumentación necesaria para el registro de la dinámica browniana y la dispersión de Rayleigh de la partícula atrapada. Los espectros de dispersión y el movimiento de rotación proporciona información independiente sobre las propiedades de las nanopartículas y su entorno inmediato. La plataforma experimental ha demostrado ser útil como un indicador de nanoscópicas de viscosidad y temperatura local, para el seguimiento de los cambios morfológicos de nanobarras y recubrimientos moleculares y como un transductor de sonda de fototérmica y procesos termodinámicos.

La rotación y la rotación movimiento browniano de un oro nanorod que correctamente está atrapado en las pinzas láser Circular polarizado pueden ser sondeado registrando fluctuaciones de intensidad de dispersión de la luz (figura 3a) usando un detector píxel. Un espectro de autocorrelación de señal contiene un componente oscilatorio, similar a la que se muestra en la figura 3b. que puede ser apto para una función de autocorrelación teórica. El montaje permite la extracción de la frecuencia de rotación y el tiempo de decaimiento de autocorrelación, que está relacionado con las fluctuaciones browniana rotacionales, la nanorod.
Como se menciona en el protocolo (instrucción 4.4.2), es esencial utilizar un núcleo de fibra suficientemente gruesa para recoger la luz del láser retrodispersión para espectroscopia de correlación de fotones. Si este no es el caso, un término adicional del decaimiento relacionadas con la traducción de la partícula y el volumen de la sonda en la función de correlación, vea la figura 4. A través de un cuidadoso análisis, esto podría proporcionar más información sobre el sistema; sin embargo, complica el análisis de la rotación dinámica browniana contenida en los datos.
Para obtener espectros de dispersión DF correcta de nanopartículas atrapadas, como se describe en la sección 3.5, los datos espectrales deben ser calibrados. Esto se hace registrando el espectro de la lámpara de iluminación, así como un espectro de fondo (figura 5a). Al enfocar la luz láser intensa en una superficie de vidrio, como el sustrato que se encuentran atrapados los nanorods, puede generar cierta fluorescencia (véase la contribución espectral rojo en el espectro del fondo de la figura 5a). Esta contaminación de fluorescencia puede reducirse mediante el uso de sustratos de sílice fundida. Sin embargo, es de todos modos recomienda registrar un espectro de fondo con pinzas ópticas vacías en la potencia del láser correcto. Cuando se registra un espectro de dispersión y todos los componentes espectrales no relacionada con la dispersión de nanopartículas real han sido indemnizados por el espectro puede montarse en la escala de la energía con una función de conexión bi-Lorentzian para extraer información relacionada con la Posiciones de pico LSPR (figura 5b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> Figura 1: imágenes SEM y espectros de extinción conjunto para dos lotes de nanopartículas representante. un) Barra de escala es de 200 nm. b) el azul rodeada de imágenes de SEM de una) corresponden al espectro rojo/azul, respectivamente. Los picos espectrales relacionados con las LSPRs longitudinales y transversales son claramente distinguibles. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> Figura 2: ilustración esquemática de la configuración de pinzas ópticas para las mediciones de rotación de nanopartículas de. Luz láser colimada y ampliada a través de un telescopio de Keplerian y posteriormente guiada por el objetivo mediante el uso de dos espejos móviles (M1, M2) y un beamsplitter (BS). Dos waveplates en la trayectoria del laser optimizar la polarización circular de la pinza óptica (λ/2, λ/4). Luz laser retrodispersión puede recogerse después de un polarizador lineal para mediciones de dinámica rotacional y espectroscopia de correlación de fotones. Después de quitar la luz laser, luz blanca dispersada es guiado por un espectrómetro o una cámara. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> Figura 3: datos representativos de la intensidad y la autocorrelación con curva de ajuste para un nanorod atrapado y girando. un) Fluctuaciones de intensidad registradas por el detector píxel después de un polarizador lineal de 1s y una ampliada en parcela de las fluctuaciones. b) Autocorrelated datos de fluctuación de la intensidad para una rotación nanorod oro (puntos azules), de la luz láser backscattered. Los datos muestran una oscilación que se descompone después de algunos períodos. La oscilación se relaciona con la frecuencia de rotación de la nanorod, mientras que el decaimiento es debido a la rotación movimiento browniano. A adaptarse a la función de autocorrelación teórica se lleva a cabo (línea roja) para extraer una frecuencia de rotación de f = 24285 ± 45 Hz y una correlación decaimiento tiempo τ0 = 40,9 ± 1.06 μs. Las incertidumbres de0 f y τrepresentan intervalos de confianza del 95% del ajuste, que tiene un coeficiente de determinación (R2) de 0.9877. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> Figura 4: problema con un volumen demasiado pequeña sonda en fotones espectroscopia de correlación medidas. un) Datos de autocorrelación para un rotativo nanorod oro, recogidos con un grueso (400 μm, azul datos) y una delgada (62,5 μm, datos rojo) fibra. Colección utilizando una fibra gruesa asegura que el nanorod siempre está confinada dentro del volumen de la sonda y que la función de autocorrelación mide la rotación dinámica sólo. Un término adicional del decaimiento debido a la traslación movimiento browniano está presente cuando la sonda es insuficiente. En b) y c), se muestran ilustraciones esquemáticas de los efectos e imágenes de la región de colección retroiluminado. Barras de escala son 2 μm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> Figura 5: espectros de dispersión de campo oscuro ejemplar registran para un oro nanorod ópticamente atrapado por la luz de laser 660 nm. La región espectral 630-670 nm (1,85 1,97 eV) se distorsiona debido a filtros de muesca necesarios para bloquear la luz laser de la captura. un) espectros de dispersión crudo (azul oscuro) con características que no son inherentes a la dispersión de la partícula y deben ser calibrados para. Estos incluyen el espectro de fondo (rojo), que contiene el autofluorescence excitados por la luz del láser altamente enfocado, y el espectro de excitación de luz blanca (naranja, registrado sin filtro de la muesca). Después de la calibración, el espectro de dispersión corregida (azul claro) muestra dos picos LSPR distintos como se esperaba. Las flechas indican la escala para cada espectro. b) espectro de dispersión para un nanorod atrapado (puntos azules) junto con un ajuste a la función de modelo bi-Lorentzian (rojo) con sus componentes (azul claro y naranja). La región espectral distorsionada no se respetan en el ajuste de los datos y el ajuste tiene un R2 de 0.9975. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

Plasmónica nanobarras de oro pueden ser atrapado en líquidos y rotado en frecuencias de kHz usando pinzas ópticas circularmente polarizada. Introducción de herramientas para el análisis de la dinámica browniana y luz scatteringspectroscopy conduce a un sistema de gran alcance para la investigación y aplicación en numerosos campos de la ciencia.

Construcción y operación de un sistema del Motor rotatorio de Nanorod oro impulsado por la luz

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

El objetivo general de este sistema experimental es generar y medir la rotación y el par a escala nanométrica utilizando pinzas ópticas polarizadas circularmente. Los objetos giratorios se pueden interrogar utilizando instrumentación adicional para el análisis de la dinámica browniana y la espectroscopia de dispersión de luz. Este método puede ayudarnos a responder preguntas clave en física térmica y óptica a nanoescala.Por ejemplo, relacionado con la difusión browniana de nanopartículas y la transferencia del momento angular óptico a una nanopartícula. La principal ventaja de esta técnica es que permite una rotación estable de la nanopartícula a altas frecuencias, y que las mediciones proporcionan información detallada sobre la nanopartícula y sus entornos inmediatos. La idea es atrapar una nanopartícula metálica mediante un rayo láser enfocado en una configuración de pinza óptica.Si el láser de captura está polarizado circularmente, la nanopartícula girará debido a la transferencia del momento angular de la luz. Construya la configuración alrededor de un microscopio invertido adecuado. La configuración incluye elementos tanto para las pinzas ópticas como para las mediciones en una partícula atrapada.Esta es una representación esquemática de la configuración. Por ahora, concéntrese en los elementos para las pinzas ópticas. Elija un láser polarizado linealmente de 660 nanómetros con una potencia de salida estable de hasta 500 milivatios.Utilice lentes en una configuración de telescopio kepleriano para expandir el haz. Utilice espejos en monturas cinemáticas para dirigir el rayo láser al microscopio. Dentro del microscopio, use un divisor de haz 50 50 para acoplar la luz láser al objetivo.Para la alineación y la recopilación de datos se incluye una cámara en la trayectoria de la luz reflejada. En este caso, un espejo giratorio dentro del microscopio puede dirigir la luz hacia él. Ajuste las lentes keplerianas para expandir el haz.Haga que el haz sea ligeramente más grande que la apertura posterior del objetivo de captura para optimizar el enfoque. Desplácese a lo largo de la trayectoria del haz para comprobar la colimación. El diámetro del haz debe ser constante a medida que se propaga al objetivo.Enfoca el láser en un portaobjetos de vidrio o un espejo. Realice un ajuste fino con los espejos en la trayectoria del haz. Un láser mal alineado tiene un patrón de intensidad no radialmente simétrico.Si el láser está alineado, su patrón de intensidad es radialmente simétrico al cambiar el enfoque por encima y por debajo del punto focal. Ahora polarizar circularmente el haz introduciendo una placa de cuarto de onda. Oriéntelo con su eje rápido a 45 grados a la polarización lineal de la luz.Para un rendimiento rotativo óptimo, es fundamental tener una buena polarización circular del láser. En caso de que surja un problema en esta etapa, inserte la placa de media onda para corregir la birrefringencia adversa de los componentes ópticos en la trayectoria del haz. Finalmente, configure un sistema de campo oscuro e iluminación de collar con un condensador sumergido en aceite.Reparar los elementos para la espectroscopia de correlación de fotones. Instale un divisor de haz para redirigir la luz del microscopio a un puerto. En el puerto, coloque un conjunto de un polarizador lineal, seguido de una etapa x y con una fibra de recolección.Enfoque la luz en la fibra de recolección en la etapa de traslación x y. En última instancia, la fibra se convertirá en un fotodiodo de silicio rápido de un solo píxel. Asegúrese de que el tamaño del núcleo de la fibra de recolección sea lo suficientemente grande como para contener la imagen de la nanopartícula durante sus excursiones debido al movimiento browniano de traslación.Si no se cumple este criterio, los datos recopilados pueden ser difíciles de interpretar. Para alinear la fibra de la colección, acople la luz visible a su extremo suelto. Esto iluminará el sustrato en el microscopio y permitirá la visita de la región de recolección de la fibra. Ajuste la posición de la fibra con la etapa de traducción.Deténgase cuando la región de recolección coincida con la posición de la trampa óptica. A continuación, mueva el extremo de la fibra de la fuente de luz al detector. En este esquema, estos elementos representan la configuración necesaria para la espectroscopia de correlación de fotones.Para la configuración de la espectroscopia de campo oscuro, tenga el espectrómetro en su lugar. Luz directa al espectrómetro con el espejo en la trayectoria del haz reflejado. En este caso, el espejo se encuentra con el cuerpo del microscopio Utilice un filtro de muesca antes del espejo para eliminar la luz láser que atrapa.Ajuste los espejos guía para que las pinzas ópticas coincidan con la rendija del espectrómetro. Comienza preparando las partículas para el experimento. Diluya las partículas en agua desionizada hasta una concentración adecuada.Sonicar la solución diluida durante dos minutos para romper los agregados y crear una dispersión uniforme. A continuación, prepare la celda de muestra. Use un portaobjetos de microscopio y un cubreobjetos.Sonicarlos durante cinco minutos cada uno en acetona, seguido de isopropanol. Cuando termines, crea un pozo de cinta espaciadora de 100 micrómetros de profundidad en el portaobjetos de vidrio. Disperse dos microlitros de la solución de nanopartículas diluidas dentro del pocillo.Deposita también dos micro litros sobre el cubreobjetos. Une las dos partes de la celda. No debe haber burbujas de aire dentro de la cámara.Mueva la célula a la etapa del microscopio. Allí coloque una gota de aceite de inmersión del índice de inmersión en la parte superior de la muestra. Coloque otra gota en el condensador.Inicie el experimento con el láser de trampa bloqueado. Localizó una partícula adecuada a través de la observación en el sistema de imágenes de campo oscuro. Desbloquee el láser y manipule la platina y el enfoque para empujar la partícula hacia la interfaz del vaso de agua.Para las mediciones de la dinámica de rotación, recoja la oscilación de intensidad con el fotodetector de silicio. Para mediciones espectroscópicas, comience con el sustrato de perlas de poliestireno densamente dispersas y uniformemente dispersas. Registre el espectro de luz blanca de la respuesta de dispersión del sustrato.A continuación, sustituya la muestra de perlas en el microscopio por la muestra de nanopartículas. Grabe un espectro de fondo con luz parásita desde el punto de captura. A continuación, bloquee toda la luz del detector, registre un espectro oscuro en esta condición.Retire el bloque del haz, finalmente atrape una nanopartícula y registre el espectro bruto asociado con ella. Se trata de fluctuaciones de intensidad de la luz láser retrodispersada de una nanovarilla atrapada y giratoria. A partir de estos datos no tratados, es difícil extraer información en cualquier escala de tiempo.Sin embargo, cuando los datos de intensidad se correlacionan automáticamente, muestran oscilaciones relacionadas con la frecuencia de rotación de la nano varilla. El decaimiento oscilatorio después de unos pocos períodos se debe al movimiento rotativo browniano. La línea roja es un ajuste a la función teórica de autocorrelación de la que se puede extraer información detallada sobre el movimiento de rotación.Aquí, la intensidad bruta dispersa de una nano varilla atrapada está en azul oscuro. Se distorsiona por la presencia de un filtro de muesca. Para aislar el espectro de dispersión de la nanovarilla, calibre los datos sin procesar con el espectro de fondo, en rojo, y un espectro de excitación de luz blanca en naranja.Este es el espectro de dispersión corregido. El espectro muestra dos resonancias de plasmones superficiales localizadas distintas, como se esperaba. En este gráfico, los puntos azules son el espectro de dispersión de una nano varilla atrapada sin tener en cuenta la región del espectro distorsionada.La curva roja es el ajuste de la función del modelo bi-Lorentziano. Los componentes de los ajustes son en azul claro y naranja. Una vez que se construye la configuración y se domina la técnica, el experimento de captura y rotación óptica se puede realizar en unas pocas horas si se realiza correctamente.Al intentar este procedimiento, es importante recordar que debe usar nano varillas apropiadas que dominen la resonancia en el lado de la longitud de onda azul del láser, también debe tener picos de resonancia claramente separados y ser físicamente lo suficientemente grande como para quedar atrapado de manera estable. Las pinzas ópticas para experimentos de rotación de nanovarillas se pueden construir utilizando una gama de diferentes longitudes de onda láser, objetivos de microscopio y microscopios con solo alteraciones menores. Además, se puede agregar fácilmente instrumentación para mediciones brownianas traslacionales para la recopilación de datos complementarios.Esta plataforma de rotación de nanopartículas ha demostrado ser útil como osciloscopio para medir la viscosidad y la temperatura local, para rastrear los cambios morfológicos de nanovarillas y recubrimientos moleculares y como transductor y sonda de procesos fototérmicos y termodinámicos. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo realizar experimentos de pinzas ópticas en nanovarillas metálicas. Cómo rotarlos usando luz polarizada circularmente y cómo extraer información a través de espectroscopía de correlación de fotones y espectroscopía de campo oscuro.No olvide que trabajar con láseres puede ser extremadamente peligroso para los ojos, y siempre se deben tomar precauciones como el uso de gafas de seguridad láser y filtros láser adecuados y los procedimientos de manipulación mientras se realiza este procedimiento.

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Investigación

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