Name: Construction et exploitation d’un système de moteur axée sur la lumière or nanotige Rotary (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Découvrez comment mesurer la rotation et le couple à l'échelle nanométrique en utilisant des pinces optiques à polarisation circulaire. Cette méthode permet d'étudier la dynamique brownienne et le transfert de moment angulaire optique.

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Ce travail a été soutenu par le Knut et Alice Wallenberg Foundation, le Conseil de recherche suédois et la zone de Chalmers de Advance nanosciences et nanotechnologies.

<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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<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>Gittes, F., Schmidt, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interference+model+for+back-focal-plane+displacement+detection+in+optical+tweezers%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Interference model for back-focal-plane displacement detection in optical tweezers.</a> Optics Letters. 23 (1), 7-9 (1998).</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>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

L’installation de piégeage optique décrite dans le présent protocole est construite autour d’un microscope inversé commercial et utilise la lumière laser rouge. Cependant, les techniques décrites sont polyvalents et peuvent servir à construire des pinces optiques polarisées circulairement autour de microscopes de plus commerciales ou maison construite, les deux debout et inversé, avec seulement de légères modifications. La longueur d’onde du laser de piégeage peut être choisi dans un spectre NIR large visible–, aussi longtemps que le reste des composants optiques et détecteurs sont fonctionnels à cette longueur d’onde spécifique. Néanmoins, lors du choix d’une longueur d’onde du laser, la taille et la proximité spectrale des résonances des particules pour être manipulée devraient considérer parce que cela aura une incidence sur les forces de piégeage optique et la rotation performance2,5, l’ampleur des photothermique effets1et le piégeage stabilité26. Nous avons travaillé avec succès avec des pincettes laser polarisé circulairement en utilisant des longueurs d’onde de laser de 660, 785, 830 et 1064 nm.
L’objectif de microscope, c’est une des composantes plus importantes de l’installation de piégeage optique. L’objectif de ce protocole est un objectif sec avec NA = 0,95. L’utilisation d’un objectif sec est expérimentalement une réalisation plus simple de l’installation ; Cependant, elle aboutit à des aberrations optiques en raison de la réfraction dans les interfaces de cellule d’échantillon. Dans le cas présent, le résultat est une tache de focale légèrement agrandie (~1.2 µm) par rapport à la limite de diffraction (~0.4 µm), mais cela ne modifie pas sensiblement les performances générales ou rotatifs de la plate-forme. En principe, une vaste gamme d’objectifs de microscope peut être utilisé, à condition qu’ils aient bonne transmission à la longueur d’onde de piégeage et d’entretien de la bonne polarisation assez longue distance de travail pour effectuer le piégeage par une lamelle de microscope et de la couche d’eau. En cas de piégeage 2D, la NA peut être relativement faible, qui simplifie l’expérience entière et fournit plus propre polarisation circulaire dans le foyer. Toutefois, des puissances supérieures de laser peuvent être requises que dans le cas d’un objectif élevé de NA. Dans notre expérience, les meilleures performances pour le piégeage, spectroscopie de rotation et le fond noir est obtenue avec les objectifs avec NA 0,7-0,95, mais il est possible d’utiliser des objectifs NA plus bas mais aussi plus élevés.
Pour obtenir le bon photon mesures de corrélations de mouvement rotatif, un détecteur rapide pixels est nécessaire. Choisir un détecteur avec une bande passante au moins deux, utilisé de préférence dix, fois plus élevée que la fréquence de rotation prévue multipliée par le coefficient de la dégénérescence et la haute sensibilité à la longueur d’onde de piégeage. Amplifié Si photodétecteurs, single photon comptant APDs et PMT ont été utilisés avec succès dans différentes configurations dans nos laboratoires. On trouvera des renseignements supplémentaires, par exemple sur la rigidité du piège, en mesurant et en analysant le déplacement translationnelle de particules à l’aide de techniques bien établies telles que l' analyse spectrale de puissance5. Un certain nombre de publications précédentes décrire les différentes variantes de cette technique38,,39. Spectroscopie de DF peut être effectuée à l’aide d’un large éventail en espace libre ou fibre couplée spectromètres et le choix doit reposer sur la plage spectrale et la longueur d’onde et la résolution temporelle nécessaire pour l’étude prévue.
Lors d’une expérience de piégeage, particules additionnelles peuvent entrer accidentellement dans le piège. Cela peut être détecté en contrôlant la fréquence de rotation, qui peuvent fluctuer fortement en raison de la perturbation. Examen visuel par microscopie DF peut être utilisé pour vérifier la présence d’une particule supplémentaire, auquel cas la scène peut être déplacée pour éviter de nouvelles perturbations ou l’expérience doit être redémarré.
Le système décrit ci-dessus est un moyen simple et efficace pour réaliser le confinement 2D et la rotation des nanoparticules métalliques. Toutefois, pour certaines applications, le degré de liberté supplémentaire pour la manipulation qui vient avec piégeage 3D est important, et la configuration actuelle est donc une limitation. Cependant, rotation et confinement 3D pourraient être réalisables en utilisant le compteur de multiplication pincettes laser ou des configurations plus exotiques de piégeage.
Bien que les paramètres système et les particules discutés ici peuvent être optimisés pour réduire les photothermique chauffage au dessous de ~ 15 K4, l’augmentation de la température associée à une excitation plasmonique de nanoparticules métalliques peut être problématique dans certains applications. Une voie possible vers une nouvelle réduction de chaleur consiste à utiliser des nanoparticules diélectriques haut indice au lieu de particules plasmoniques. Ces particules fortes résonances de diffusion de Mie-type de soutien mais en même temps présentent des coefficients d’absorption intrinsèque faible. Récemment, nous avons été en mesure de fabriquer des nanoparticules Si résonnantes colloïdales qui pourraient s’avérer utiles à cet égard40,41.

Les méthodes présentées dans cet article reproduit celles utilisées dans notre précédent travail1 pour étudier les effets de photothermique nanométriques qui influent sur les moteurs rotatifs nanotige or axée sur la lumière. Variantes de la plate-forme expérimentale a été utilisée dans plusieurs publications s’y rapportant2,3,4,5,6,7,8, 9.
Des pinces optiques sont largement utilisés pour le contrôle de position, de force et de quantité de mouvement linéaire de transfert à des échelles de longueur réduite en physique, biologie et ingénierie10,11,12,13,14 . Angulaire, porté par la lumière polarisée circulairement peuvent être employée pour la commande d’axes supplémentaires car il transfert en continu couple d’objets piégés15. En combinant transfert linéaire et angulaire optique, il est alors possible de construire non invasif microdispositifs rotatif avec un potentiel pour des applications diverses, telles que l’administration de médicaments dans les cellules individuelles16,17, échelle nanométrique chirurgie18et nanofluidics active19, parmi d’autres.
En utilisant des nanoparticules métalliques comme l’objet d’une légère manipulation conduite, on peut exploiter les avantages des résonances de plasmon de surface localisées (LSPR), qui offrent de grandes coupes optiques, grande sensibilité aux changements environnementaux et grand champ améliorations de22,du21,20,23. Cela a conduit à une profusion d’études à la limite entre la plasmonique et manipulation optique8,24,25,26,27. La forte interaction lumière-matière fournie par LSPR nous a permis de concevoir une plate-forme où les pincettes laser polarisé circulairement sont capables de piloter des nanotiges en or de tourner à des fréquences de rotation record dans l’eau2. En suivant le mouvement brownien d’une nanotige rotatif, des informations détaillées sur son environnement et de la température peuvent provenir de3,5. L’analyse par spectroscopie simultanée fournit un canal d’information indépendants supplémentaires pour l’analyse de la température locale et la stabilité morphologique de la rotation de nanotige1. Une gamme de systèmes et de configurations ont été utilisés pour étudier et appliquer un mouvement rotatif dans des pinces optiques, générant des perspectives importantes dans le champ15,28,29,30 , 31 , 32. Toutefois, la plupart de ces études ont traité avec les objets plusieurs micromètres de diamètre alors qu’une nanotige unique donne accès au régime de taille nanométrique. En outre, lorsque l’or nanotiges sont utilisés comme le nanomotor rotatif, le couple est efficacement transféré principalement via la diffusion2,33. Cela diminue le risque de surchauffe les particules piégées3,34,35.
Dans la méthode suivante, nous décrivons les étapes nécessaires à la construction d’un système capable de piégeage optique efficace et rotation de nanoparticules métalliques. L’or nanotiges pris en considération dans ces études ont élevé des sections efficaces de diffusion, et la pression de radiation s’avère pour être plus forte que la force du gradient antagoniste dans la direction de propagation. Toujours limiter les particules en 3D, nous utilisons l’équilibre des forces entre la répulsion coulombienne d’une surface de verre et de la force de diffusion de laser dans la direction de propagation. Cette configuration 2D-piégeage élargit considérablement l’éventail des particules peut être interceptées, comparativement à des pinces optiques 3D standards, et il peut être facilement combiné avec la spectroscopie et imagerie optique fond noir.
Une NANOPARTICULE métallique piégée et rotation interagit avec son environnement, et des informations détaillées sur cette interaction sont contenues dans son mouvement et les propriétés spectrales. Après avoir décrit comment construire les polarisation des pinces optiques, nous avons donc aussi mettre en évidence comment intégrer une instrumentation pour sonder la dynamique de rotation et pour mesurer les spectres de diffusion Rayleigh dans le montage expérimental. Le résultat est une plate-forme polyvalente pour l’étude des phénomènes de rotation échelle nanométrique en physique, chimie et biologie.
Ce protocole suppose que le chercheur ait accès à adapté nanoparticules métalliques colloïdales, préférence seul nanotiges or cristalline. Nanotiges en or peuvent être achetés auprès des sociétés spécialisées ou synthétisé dans la maison à l’aide de méthodes de chimie humide. Les nanotiges utilisées dans nos expériences ont été faites par la méthode de croissance induite par la semence décrite dans Ye et al. 2013,36. Il est avantageux si la morphologie et les propriétés optiques des nanoparticules sont bien caractérisées, par exemple en utilisant la microscopie électronique à balayage (SEM) et les mesures d’extinction optique. Figure 1 affiche les données enregistrées à partir de ces mesures pour nanotige représentant les types1.
Un aperçu du protocole est le suivant : dans la première section, nous décrivons la construction des pinces optiques basés sur la polarisation circulaire. Dans la deuxième section, nous décrivons comment extraire des informations de la nanomotor en enregistrant ses propriétés de diffusion et de rotation dynamique. La fréquence de rotation et le mouvement brownien rotation de la particule piégée est mesurée à l’aide de la spectroscopie de corrélation de photons par projection laser rétrodiffusée lumière filtrée à travers un polariseur linéaire sur un détecteur rapide pixels3. En ajustant les données pour une fonction d’autocorrélation théorique, la fréquence de rotation et le temps de décroissance de la diffusion rotationnelle brownien peuvent être extrait2,3. Les propriétés optiques de la NANOPARTICULE piégée et rotation sont mesurées en utilisant la spectroscopie de champ sombre, qui fournit des informations complémentaires sur la particule et de son environnement. Dans la troisième section, nous décrivons la procédure expérimentale pour le piégeage et la rotation des nanotiges en or.
Le protocole décrit jusqu’ici est un simple chemin d’accès à un système de pinces optiques polarisée circulairement fonctionne pour la rotation de la NANOPARTICULE. Cependant, parfois les problèmes surviennent cette attention supplémentaire de la demande. Dans la quatrième section, nous présentons quelques uns des problèmes communs que nous avons rencontrés et comment y remédier. Ceux-ci incluent des questions liées aux propriétés optiques de nanoparticules conduisant à la stabilité de mauvais piège (4.1), basses fréquences de rotation en raison de la polarisation circulaire sous-optimal, causée par le diviseur de faisceau biréfringence (4.2), collage des nanoparticules à la surface du verre en raison de la répulsion coulombienne insuffisante (4.3) et déviation du signal caractéristique autocorrélation (4.4).

<table><tbody><tr><td>Nanoparticules</td><td></td><td></td> d’or <td>Acheté ou cultivé sur place</td></tr><tr><td>Microscope inversé commersial</td><td>Nikon</td><td>Eclipse TI</td><td></td></tr><tr><td>Laser de piégeage</td><td>Cobolt</td><td>Flamenco 05-01&nbsp ;</td><td>660 milles marins</td></tr><tr><td>Objectif</td><td>Nikon</td><td>CFI Plan Apo Lambda 40X</td><td></td></tr><tr><td>Lunettes de sécurité laser</td><td>Thorlabs</td><td>LG4</td><td></td></tr><tr><td>Composants optomécaniques assortis pour le montage de l’optique.</td><td></td><td></td><td>Une gamme de montures, de tenons et de composants de n’importe quelle entreprise</td></tr><tr><td>Lentille 1 Télescope Keplarian</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-035-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Lentille 2 Télescope Keplarian</td><td>Thorlabs</td><td>LA1725-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Miroirs argentés</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Montures de miroir cinématique</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>Platine de translation</td><td>Thorlabs</td><td>PT1/M</td><td>Quantité : 2</td></tr><tr><td>50/50 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21000</td><td></td></tr><tr><td>Caméra CMOS</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>Capteur de puissance</td><td>Thorlabs</td><td>PM100USB</td><td></td></tr><tr><td>Photodiode Capteurs de puissance</td><td>Thorlabs</td><td>S121C</td><td></td></tr><tr><td>Polariseur linéaire</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td>Pour la mesure de la polarisation laser</td></tr><tr><td>Monture de rotation 360°</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>Demi-plaque d’onde (HWP, &lambda ;/2)</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td>Utilisé si la polarisation n’est pas suffisante avec uniquement QWP</td></tr><tr><td>Oil Condenseur DF</td><td>Nikon</td><td>C-DO Dark Field Condenser Oil&nbsp ;</td><td></td></tr><tr><td>30/70 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21009</td><td></td></tr><tr><td>Détecteur Fast Si</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Module d’acquisition de données</td><td>National Instruments</td><td>USB-6361</td><td></td></tr><tr><td>Fiber 400 &micro ; m taille du noyau</td><td>Thorlabs</td><td>M74L01</td><td></td></tr><tr><td>monture xy-translation</td><td>Thorlabs</td><td>LM1XY/M</td><td></td></tr><tr><td>Polariseur linéaire</td><td>Spectromètre LPVIS050</td><td></td><td></td>Thorlabs</tr><tr><td></td><td>Princeton Instruments&nbsp ;</td><td>IsoPlane SCT320&nbsp ;</td><td></td></tr><tr><td>Caméra CCD pour spectromètre</td><td>Princeton Instruments&nbsp ;</td><td>PyLoN&nbsp ;</td><td></td></tr><tr><td>Filtre à encoche</td><td>Semrock</td><td>NF03-658E-25</td><td></td></tr><tr><td>Filtre à encoche</td><td>Thorlabs</td><td>NF658-26</td><td></td></tr><tr><td>Nettoyeur à ultrasons bain</td><td>Branson</td><td>Branson 3510&nbsp ;</td><td></td></tr><tr><td>Lame</td><td>de microscope Ted Pella</td><td>260202</td><td></td></tr><tr><td>n° 1.5 Lamelles de recouvrement</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>Détergent de base</td><td>Hellma Hellmanex</td><td>III</td><td>Nettoyage en cas de collage de particules</td></tr><tr><td>Secure-Seal</td><td>Spacer Thermo Fisher</td><td>S24735</td><td>Bande d’espacement avec trou, pour la fabrication d’une cellule d’échantillonnage</td></tr><tr><td>Huile d’immersion</td><td>Zeiss</td><td>444960-0000-000&nbsp ;</td><td></td></tr><tr><td>Perles PS</td><td>Microparticles GmbH</td><td>PS-R-5.0</td><td></td></tr><tr><td>Spectrophotomètre</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 SEM</td><td></td></tr><tr><td>Pince à</td><td></td><td></td> épiler <td>Toute marque</td></tr></tbody></table>

construction et exploitation d’un système de moteur axée sur la lumière or nanotige rotary

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

La possibilité de générer et de mesurer le couple à l’échelle nanométrique est d’un intérêt fondamental pour l’étude et l’application des nanomoteurs biologiques et artificiels et peut fournir de nouvelles routes vers analyse unicellulaires, études de non-équilibre thermodynamique et actionnement mécanique des systèmes nanométriques. Un moyen facile de rotation du disque est d’utiliser la lumière polarisée circulairement laser concentrée dans des pinces optiques. En utilisant cette approche, les nanoparticules métalliques peuvent être utilisés comme très efficaces axée sur la diffusion de moteurs rotatifs tournant à des fréquences de rotation sans précédent dans l’eau.
Dans ce protocole, nous décrivent la construction et l’exploitation des pinces optiques polarisées circulairement pour la rotation de la NANOPARTICULE et décrivent les instruments nécessaires pour l’enregistrement de la dynamique brownienne et la diffusion de Rayleigh de la particule piégée. Le mouvement de rotation ainsi que les spectres de diffusion fournit une information indépendante sur les propriétés de la NANOPARTICULE et son environnement immédiat. La plate-forme expérimentale s’est avéré utile comme un gage de nanoscopiques de viscosité et de la température locale, pour suivre l’évolution morphologique des nanotiges et revêtements moléculaires et en tant que capteur et sonde de photothermique et processus thermodynamiques.

La rotation et rotation mouvement brownien d’une nanotige d’or qui est correctement pris au piège dans la pince à épiler polarisée circulairement laser peuvent être sondée en enregistrant des fluctuations d’intensité de diffusion de la lumière (Figure 3 a) à l’aide d’un détecteur à pixel unique. Un spectre d’autocorrélation de ce signal contient un composant oscillatoire, similaire à celui illustré à la Figure 3 b. qui peut être adapté à une fonction d’autocorrélation théorique. Le raccord permet l’extraction de la fréquence de rotation et le temps de décroissance d’autocorrélation, qui est lié aux fluctuations browniens rotationnels, de la nanotige.
Comme mentionné dans le protocole (instruction 4.4.2), il est essentiel d’utiliser un noyau de fibre suffisamment épaisse pour collecter la lumière laser rétrodiffusée pour la spectroscopie de corrélation de photons. Si ce n’est pas le cas, un terme de décomposition supplémentaires lié à la traduction de la particule dans et hors du volume de la sonde sera présent dans la fonction de corrélation, voir la Figure 4. Grâce à une analyse minutieuse, cela pourrait fournir plus d’informations sur le système ; Toutefois, cela complique l’analyse de la dynamique brownienne rotation contenue dans les données.
Pour obtenir les spectres de diffusion DF correctes de nanoparticules piégées, comme décrit dans la section 3.5, les données spectrales brutes doivent être calibré. Cela, en enregistrant le spectre de lampe d’éclairage, mais aussi un éventail de fond (Figure 5 a). Lorsqu’on se concentre la lumière laser intense à une surface de verre, comme le substrat contre lequel les nanotiges sont pris au piège, certains fluorescence peut être générée (voir la contribution spectrale rouge dans le spectre de l’arrière-plan de la Figure 5 a). Cette contamination de fluorescence peut être réduite en utilisant des substrats de silice fondue. Toutefois, il est quand même fortement recommandé d’enregistrer un spectre de fond avec des pinces optiques vides à la puissance du laser correcte. Quand un spectre de diffusion est enregistré et toutes les composantes spectrales non liés à la dispersion des nanoparticules réelles ont été indemnisées pour, le spectre peut être monté à l’échelle d’énergie avec une fonction de raccord bi-fonction lorentzienne pour extraire des informations relatives à la Positions des pics LSPR (Figure 5 b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> Figure 1 : images de SEM et spectres d’extinction ensemble pour deux lots de nanoparticules représentatif. un) Barre d’échelle est de 200 nm. b) le bleu/rouge bordé images SEM dans un) correspondent au spectre rouge/bleu, respectivement. Les pics spectraux associés aux LSPRs transversales et longitudinales sont clairement reconnaissables. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> Figure 2 : illustration schématique de l’installation de pinces optiques pour les mesures de rotation NANOPARTICULE. Lumière laser est collimatée et élargie à travers un télescope képlérienne et guidée par la suite vers l’objectif par le biais de deux miroirs mobiles (M1, M2) et un diviseur de faisceau (BS). Deux waveplates dans le chemin de laser optimiser la polarisation circulaire des pinces optiques (λ/2, λ/4). La lumière laser rétrodiffusée peut être collectée après un polariseur linéaire pour la spectroscopie de corrélation de photons et de mesures de la dynamique de rotation. Après avoir retiré la lumière laser, lumière blanche diffusée est guidé vers un spectromètre ou un appareil photo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> Figure 3 : données représentatives d’intensité et d’autocorrélation avec courbe digne d’un nanotige pris au piège et tournantes. un) Fluctuations d’intensité enregistrées par le détecteur seul pixel après un polariseur linéaire pour 1 s et une intrigue zoomée à des fluctuations. b) autocorrélées recueillies des fluctuations d’intensité pour une rotation nanotige or (points bleus), de la lumière laser rétrodiffusée. Les données montrent une oscillation qui se désintègre après quelques périodes. L’oscillation est reliée à la fréquence de rotation de la nanotige, alors que la décroissance est dû à un mouvement brownien rotation. A s’adapter à la fonction d’autocorrélation théorique est effectué (ligne rouge) pour extraire une fréquence de rotation de f = 24285 ± 45 Hz et une corrélation de désintégration temps τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. Les incertitudes de0 f et τreprésentent des intervalles de confiance de 95 % de l’ajustement, qui a un coefficient de détermination (R2) de 0,9877. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> Figure 4 : problème avec un volume trop petite sonde en mesures de spectroscopie de corrélation photon. un) Autocorrélation données pour une rotation nanotige or, recueillies à l’aide d’une grosse (données de 400 µm, bleu) et un mince (62,5 µm, alerte rouge) fibre. Collection à l’aide d’une fibre épaisse assure que le nanotige est toujours limité dans le volume de la sonde et que la fonction d’autocorrélation mesures de rotation dynamique seulement. Un terme de décomposition supplémentaires dû à un mouvement brownien translationnel est présent lorsque le volume de la sonde est insuffisant. En b) et c), illustrations schématiques de l’effet et des images de la collection rétro-éclairé de la région sont indiqués. Barreaux de l’échelle est 2 µm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> Figure 5 : les spectres de diffusion rasant exemplaire enregistrement pour une nanotige or optique piégé par la lumière laser 660 nm. Le domaine spectral que 630-670 nm (1,85-1,97 eV) est déformé à cause des filtres notch nécessaires pour bloquer la lumière de laser de piégeage. un) des spectres de diffusion Raw (bleu foncé) affichant les fonctionnalités qui ne sont pas inhérentes à la diffusion de la particule et doivent être calibrées pour. Il s’agit du spectre de fond (rouge), qui contient l’autofluorescence excités par la lumière laser fortement focalisée, et le spectre d’excitation de lumière blanche (orange, enregistré sans filtre notch). Après calibration, le spectre de diffusion a été corrigé (bleu clair) montre deux pics LSPR distincts comme prévu. Les flèches indiquent l’échelle pour chaque gamme. b) spectre de diffusion pour une nanotige piégée (points bleus) ainsi qu’un accès à la fonction de modèle bi-fonction lorentzienne (rouge) avec ses composantes (bleu clair et orange). Le domaine spectral déformé est ignoré dans l’ajustage de précision des données et la fit a un R2 de 0.9975. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>

Plasmoniques nanotiges en or peut être pris au piège dans les liquides et tourné aux fréquences kHz à l’aide de pinces optiques polarisées circulairement. Présentant les outils d’analyse de la dynamique brownienne et léger scatteringspectroscopy conduit à un puissant système de recherche et d’application dans de nombreux domaines de la science.

Construction et exploitation d’un système de moteur axée sur la lumière or nanotige Rotary

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

L’objectif global de ce système expérimental est de générer et de mesurer la rotation et le couple à l’échelle nanométrique à l’aide de pinces optiques à polarisation circulaire. Les objets en rotation peuvent être interrogés à l’aide d’instruments supplémentaires pour l’analyse de la dynamique brownienne et la spectroscopie de diffusion de la lumière. Cette méthode peut nous aider à répondre à des questions clés en physique thermique et optique à l’échelle nanométrique.Par exemple, lié à la diffusion brownienne de nanoparticules et au transfert du moment angulaire optique dans une nanoparticule. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet une rotation stable des nanoparticules à haute fréquence, et que les mesures fournissent des informations détaillées sur la nanoparticule et son environnement immédiat. L’idée est de piéger une nanoparticule métallique par un faisceau laser focalisé dans une pince optique.Si le laser de piégeage est polarisé circulairement, la nanoparticule tournera en raison du transfert du moment angulaire de la lumière. Construisez l’installation autour d’un microscope inversé approprié. La configuration comprend des éléments pour la pince à épiler optique et les mesures sur une particule piégée.Il s’agit d’une représentation schématique de la configuration. Pour l’instant, concentrez-vous sur les éléments de la pince à épiler optique. Choisissez un laser à polarisation linéaire de 660 nanomètres avec une puissance de sortie stable allant jusqu’à 500 milliwatts.Utilisez des lentilles dans une configuration de télescope képlérien pour élargir le faisceau. Utilisez des miroirs dans des montures cinématiques pour diriger le faisceau laser vers le microscope. À l’intérieur du microscope, utilisez un séparateur de faisceau 50-50 pour coupler la lumière laser à l’objectif.Pour l’alignement et la collecte de données, incluez une caméra sur le chemin de la lumière réfléchie. Dans ce cas, un miroir pivotant à l’intérieur du microscope peut diriger la lumière vers celui-ci. Ajustez les lentilles képlériennes pour élargir le faisceau.Faites en sorte que le faisceau soit légèrement plus grand que l’ouverture arrière de l’objectif de piégeage pour optimiser la mise au point. Déplacez-vous le long de la trajectoire du faisceau pour vérifier la collimation. Le diamètre du faisceau doit être constant lorsqu’il se propage vers l’objectif.Focalisez le laser sur une lame de verre ou un miroir. Effectuez un réglage précis avec les miroirs dans le trajet du faisceau. Un laser mal aligné a un motif d’intensité non symétrique radialement.Si le laser est aligné, son intensité est radialement symétrique lorsque l’on change la mise au point au-dessus et en dessous du point focal. Maintenant, polarisez circulairement le faisceau en introduisant une plaque quart d’onde. Orientez-le avec son axe rapide à 45 degrés par rapport à la polarisation linéaire de la lumière.Pour des performances rotatives optimales, il est essentiel d’avoir une bonne polarisation circulaire du laser. En cas de problème à ce stade, insérez la plaque demi-onde pour corriger la biréfringence défavorable des composants optiques dans le trajet du faisceau. Enfin, mettez en place un système de fond noir et un éclairage par collier à l’aide d’un condenseur immergé dans l’huile.Réparer les éléments pour la spectroscopie de corelation photonique. Installez un séparateur de faisceau pour rediriger la lumière du microscope vers un port. Au niveau du port, placez un ensemble d’un polariseur linéaire, suivi d’un étage x y avec une fibre collectrice.Concentrez la lumière sur la fibre collectrice sur l’étape de translation x y. La fibre ira finalement à une photodiode en silicium rapide à pixel unique. Assurez-vous que la taille du noyau de la fibre collectrice est suffisamment grande pour contenir l’image de la nanoparticule lors de ses excursions dues au mouvement brownien translationnel.Si ce critère n’est pas respecté, les données collectées peuvent être difficiles à interpréter. Pour aligner la fibre collectrice, couplez la lumière visible à son extrémité non attachée. Cela éclairera le substrat dans le microscope et permettra de visiter la région de collecte de la fibre. Ajustez la position de la fibre avec la platine de translation.Arrêtez-vous lorsque la zone de collecte coïncide avec la position du piège optique. Déplacez ensuite l’extrémité de la fibre de la source lumineuse vers le détecteur. Dans ce schéma, ces éléments représentent la configuration nécessaire à la spectroscopie de corelation photonique.Pour la configuration de la spectroscopie à fond noir, ayez le spectromètre en place. Dirigez la lumière vers le spectromètre avec le miroir sur la trajectoire du faisceau réfléchi. Dans ce cas, le miroir est situé avec le corps du microscope Utilisez un filtre à encoche avant le miroir pour retirer la lumière laser piégeante.Ajustez les miroirs de guidage pour que la pince optique coïncide avec la fente du spectromètre. Commencez par préparer les particules pour l’expérience. Diluez les particules dans de l’eau déminéralisée à une concentration appropriée.Sonicez la solution diluée pendant deux minutes pour briser les agrégats et créer une dispersion uniforme. Préparez ensuite la cellule d’échantillon. Utilisez une lame de microscope et un verre de protection.Faites-les pénétrer pendant cinq minutes chacun dans de l’acétone, suivi de l’isopropanol. Une fois terminé, créez un ruban d’espacement de 100 micromètres de profondeur bien sur la lame de verre. Dispersez deux microlitres de la solution de nanoparticules diluée dans le puits.Déposez également deux micro litres sur le verre de protection. Assemblez les deux parties de la cellule. Il ne doit pas y avoir de bulles d’air à l’intérieur de la chambre.Déplacez la cellule sur la platine du microscope. Placez une huile d’immersion à indice de goutte adaptée sur l’échantillon. Placez une autre goutte sur le condenseur.Démarrez l’expérience avec le laser de piégeage bloqué. Localisation d’une particule appropriée grâce à l’observation dans le système d’imagerie en fond noir. Débloquez le laser et manipulez la platine et faites la mise au point pour pousser la particule vers l’avant vers l’interface du verre d’eau.Pour les mesures de dynamique de rotation, collectez l’intensité de l’oscillation à l’aide du photodétecteur au silicium. Pour les mesures spectroscopiques, commencez par le substrat de billes de polystyrène densément dispersées et uniformément diffusées. Enregistrez le spectre de la lumière blanche à partir de la réponse de diffusion du substrat.Ensuite, remplacez l’échantillon de billes au microscope par l’échantillon de nanoparticules. Enregistrez un spectre d’arrière-plan avec une lumière parasite à partir du point de piégeage. Ensuite, bloquez toute la lumière du détecteur, enregistrez un spectre sombre dans ces conditions.Retirez le bloc du faisceau, piégez enfin une nanoparticule et enregistrez le spectre brut qui lui est associé. Il s’agit de fluctuations d’intensité de la lumière laser rétrodiffusée provenant d’une nanotige piégée en rotation. À partir de données non traitées, il est difficile d’extraire des informations sur une échelle de temps.Cependant, lorsque les données d’intensité sont auto-corrélées, elles montrent les oscillations liées à la fréquence de rotation de la nano-tige. La décroissance oscillatoire après quelques périodes est due au mouvement de rotation brownien. La ligne rouge est un ajustement à la fonction théorique d’autocorrélation à partir de laquelle on peut extraire des informations détaillées sur le mouvement de rotation.Ici, l’intensité brute diffusée d’une nano-tige piégée est en bleu foncé. Il est déformé par la présence d’un filtre coupe-bande. Pour isoler le spectre de diffusion de la nano-tige, calibrez les données brutes avec le spectre de fond, en rouge, et un spectre d’excitation de la lumière blanche en orange.Il s’agit du spectre de diffusion corrigé. Le spectre présente deux résonances plasmoniques de surface localisées, comme prévu. Dans ce graphique, les points bleus sont le spectre de diffusion d’une nano-tige piégée, sans tenir compte de la région du spectre déformée.La courbe rouge est l’ajustement de la fonction du modèle bi-lorentzien. Les composants de l’ajustement sont en bleu clair et orange. Une fois l’installation construite et la technique maîtrisée, l’expérience de piégeage et de rotation optique peut être effectuée en quelques heures si elle est effectuée correctement.Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler d’utiliser des nano-tiges appropriées qui dominent la résonance du côté de la longueur d’onde bleue du laser, il doit également avoir des pics de résonance clairement séparés tout en étant physiquement suffisamment grand pour être piégé de manière stable. Les pinces optiques pour les expériences de rotation de nano-tiges peuvent être construites à l’aide d’une gamme de différentes longueurs d’onde laser, d’objectifs de microscope et de microscopes, avec seulement des modifications mineures. De plus, des instruments pour les mesures translationnelles du brownien peuvent facilement être ajoutés pour la collecte de données complémentaires.Cette plate-forme de rotation de nanoparticules s’est avérée utile comme indicateur d’oscilloscope de la viscosité et de la température locale, pour suivre les changements morphologiques des nano-bâtonnets et des revêtements moléculaires et comme transducteur et sonde des processus photothermiques et thermodynamiques. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’effectuer des expériences d’épilation optique sur des nano-tiges métalliques. Comment les faire pivoter à l’aide d’une lumière polarisée circulairement et comment extraire des informations par spectroscopie de corelation photonique et spectroscopie à fond noir.N’oubliez pas que travailler avec des lasers peut être extrêmement dangereux pour les yeux et que des précautions telles que le port de lunettes de sécurité laser et de filtres laser appropriés et les procédures de manipulation doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.

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