מדידת פיזור אי-לינאריות מNanoparticle Plasmonic יחיד

סיכום

פיזור רווי ורווי הפוך התגלו בחלקיקים פלזמוניים מבודדים ואומצו כשיטת ניגודיות חדשה ללא הלבנה במיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה. כאן מוסברים בפירוט ההליכים הניסיוניים של איתור וחילוץ פיזור לא ליניארי, כמו גם כיצד לשפר את הרזולוציה בעזרת מיקרוסקופ עירור רווי.

תקציר

פלזמוניקה, המבוססת על תנודה קולקטיבית של אלקטרונים עקב עירור אור, מערבת שדות חשמליים מקומיים משופרים מאוד ולכן יש לה יישומים פוטנציאליים באופטיקה לא ליניארית, הדורשת עוצמה אופטית יוצאת דופן. אחת הלא-ליניאריות הנחקרות ביותר בפלזמוניקה היא ספיגה לא ליניארית, כולל התנהגויות רוויה ורוויה הפוכה. למרות שפיזור וספיגה בננו-חלקיקים קשורים קשר הדוק על ידי תיאוריית מיי, לא היה דיווח על אי-ליניאריות בפיזור פלזמוני עד לאחרונה.

בשנה שעברה הודגמה לראשונה לא רק רוויה, אלא גם רוויה הפוכה של פיזור בחלקיק פלזמוני מבודד. התוצאות הראו כי פיזור רווי מציג תלות ברורה באורך הגל, אשר נראה כי קשורה ישירות לתהודה המקומית של פלזמון פני השטח (LSPR). בשילוב עם המדידות התלויות בעוצמה, התוצאות מצביעות על אפשרות של מנגנון משותף העומד בבסיס ההתנהגויות הלא ליניאריות של פיזור וספיגה. אי-ליניאריות אלה של פיזור מננו-ספירה זהב בודדת (GNS) ישימות באופן נרחב, כולל במיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה ובמתגים אופטיים.

במאמר זה, מתואר בפירוט כיצד למדוד אי-ליניאריות של פיזור בתל"ג יחיד וכיצד להשתמש בטכניקת הסופר-רזולוציה כדי לשפר את רזולוציית ההדמיה האופטית המבוססת על פיזור רווי. תגלית זו כוללת את המיקרוסקופיה הראשונה ברזולוציה גבוהה המבוססת על פיזור לא ליניארי, שהיא שיטת ניגודיות חדשה שאינה מלבינה שיכולה להשיג רזולוציה נמוכה עד l/8 ועשויה להיות שימושית במחקרי ביו-רפואה וחומרים.

מבוא

המחקר של plasmonics משך עניין רב בשל היישומים שלה בתחומים רבים ושונים ^1-4. אחד התחומים הנחקרים ביותר בplasmonics הוא plasmonics פני השטח, שבו התנודה הקולקטיבית של זוגות אלקטרונים הולכה עם גל אלקטרומגנטים חיצוני בממשק שבין מתכת ודיאלקטרי. plasmonics המשטח נחקר עבור היישומים הפוטנציאליים שלה באופטיקה subwavelength, biophotonics, ומיקרוסקופיה ^5,6. שיפור השדה החזק בנפח קטן במיוחד של חלקיקים מתכתיים בשל תהודת plasmon המשטח מקומי (LSPR) משך תשומת לב רבה, לא רק בגלל הרגישות יוצאת דופן שלה לגדלי חלקיקים, צורות חלקיקים, ומאפיינים דיאלקטרי של המדיום סביב ^{7 -10,} אלא גם בגלל היכולת שלה כדי להגביר את האפקטים אופטיים קוי חלשים מטבעם ^11. הרגישות יוצאת דופן של LSPR היא בעל ערך ליו-חישה וליד-אוףטכניקות הדמיה LD ^12,13. מצד השני, הליניאריות המשופרת של מבני plasmonic יכולה להיות מנוצלת במעגלים משולבים פוטוניים ביישומים כגון מיתוג אופטי ועיבוד אותות כל-אופטי ^14,15. זה ידוע היטב כי קליטת plasmonic היא ליניארי פרופורציונאלי לעוצמת העירור ברמות עצימות נמוכות. כאשר העירור הוא מספיק חזק, הקליטה מגיעה לרוויה. מסקרן, בעוצמות גבוהות יותר, הקליטה מגדילה שוב. השפעות קוי אלה נקראות קליטת saturable (SA) ^15-17 ולהפוך קליטת saturable (RSA) ^18, בהתאמה.

זה ידוע כי בשל LSPR, פיזור הוא חזק במיוחד במבני plasmonic. בהתבסס על אלקטרומגנטיות בסיסית, התגובה של פיזור לעומת עוצמת אירוע צריכה להיות ליניארי. עם זאת, בחלקיקים, פיזור וקליטה קשור קשר הדוק באמצעות תיאורית מ.י., ושניהם יכולים להיות דוארxpressed במונחים של חלקים אמיתיים ומדומים של קבוע דיאלקטרי. בהנחה שGNS אחת מתנהג כמו דיפול תחת תאורת אור, מקדם פיזור _(SCA Q) ומקדם קליטה _{(שרירי בטן)} Q מננו-חלקיקי plasmonic אחת על פי תיאורית מ.י. יכולים לבוא לידי ביטוי ^כ19

כאשר x הוא 2 πa / λ, הוא הרדיוס של הכדור, והמטר ² הוא _{ד מ '/} ε ε. הנה, _{מ 'ε וד} ε מתאים לקבועי דיאלקטרי של המתכת ושל החומרים דיאלקטריים שמסביב, בהתאמה. מאז בצורה של מקדם הפיזור דומה לזה של המקדם קליטת דואר, זה צפוי ולכן להתבונן פיזור saturable בננו-חלקיקי plasmonic אחת ^20.

לאחרונה, פיזור saturable קוי בחלקיקי plasmonic מבודדים הודגם לראשונה ^21. זה מדהים כי ברוויה עמוקה, עוצמת הפיזור למעשה ירדה מעט כאשר עוצמת העירור מוגברת. עוד יותר להפליא, כאשר עוצמת העירור המשיכה להגדיל לאחר הפיזור הפך רווי, עוצמת הפיזור עלתה שוב, מראה את ההשפעה של הפוך saturable פיזור ^20. Wavelength- ומחקרי גודל תלוי הראו קשר חזק בין LSPR וקוי פיזור ^21. Dependences העצמה ואורך הגל של פיזור plasmonic מאוד דומה לאלה של ספיגה, המצביעים על מנגנון משותף שבסיס התנהגות לא לינארית אלה.

במונחים של יישומים, זה kno גםwn הליניאריות שמסייעת לשפר את הרזולוציה מיקרוסקופיה אופטית. בשינה 2007, עירור רווי מיקרוסקופיה (SAX) הוצע, אשר יכולה לשפר את הרזולוציה על ידי חילוץ האות הרווי באמצעות אפנון סינוסי זמני של קרן עירור ^22. מיקרוסקופיה SAX מבוססת על הרעיון כי, לנקודת מוקד לייזר, העצמה היא חזקה במרכז מאשר בפריפריה. אם האות (או הקרינה או פיזור) מציגה הרוויה התנהגות, הרוויה חייבת להתחיל מהמרכז, ואילו התגובה ליניארי נשארה בפריפריה. לכן, אם יש שיטה כדי לחלץ רק חלק הרווי, זה ישאיר רק את החלק המרכזי תוך דחיית החלק ההיקפי, ובכך למעשה שיפור הרזולוציה מרחבית. בעיקרון, יש גבול רזולוציה לא נמוך במיקרוסקופ SAX, כל עוד הוא הגיעה לרוויה עמוקה ואין נזק מדגם בשל התאורה החזקה.

הוכח שresolution של הדמיה הקרינה ניתן לשפר באופן משמעותי על ידי שימוש בטכניקת SAX. עם זאת, הקרינה סובלת מאפקט photobleaching. שילוב של גילוי הליניאריות פיזור ואת הרעיון של SAX, יכול להתממש במיקרוסקופ ברזולוציה הסופר מבוסס על פיזור ^21. בהשוואה לmicroscopies ברזולוציה סופר הקונבנציונלי, הטכניקה מבוססת הפיזור מספקת שיטת ניגוד הלא הלבנת רומן. במאמר זה, תיאור צעד-אחר-צעד ניתן להתוות את ההליכים הנדרשים על מנת להשיג ולחלץ את הליניאריות של פיזור plasmonic. שיטות לזיהוי אי-לינאריות פיזור הציגה על ידי שינוי עוצמת האירוע מתוארות. פרטים נוספים יינתנו לפענח איך אי-לינאריות אלה משפיעות תמונות של חלקיקים בודדים וכיצד מרחבי רזולוציה ניתן לשפר בהתאם על ידי טכניקת SAX.

פרוטוקול

1. GNS הכנת דוגמאות

1. לפני הכנת המדגם, פתרון קולואיד 1 מיליליטר GNS sonicate לפחות 15 דקות בכ -40 קילוהרץ כדי למנוע אגרגציה, אשר עלול לגרום לשיא LSPR להעביר.
2. זרוק 100-200 μl של קולואיד GNS על זכוכית שקופית עם ציפוי אלומיניום סיליקט מגנזיום (MAS) מסחרי כדי לתקן את GNSS.
3. לאחר דקות לפחות 1, להסיר את קולואיד הנוסף על ידי שטיפה במים מזוקקים. זמן ההמתנה תלוי בצפיפות ההפצה המבוקשת לGNSS. בדרך כלל, 1-3 דקות בתוצאות צפיפות מתאימה המאפשרת את החלקיקים להיות מזוהים בקלות שכן רובם מבודדים אחד מהשני. צבירה משמעותית עלולה להתרחש אם זמן ההמתנה ארוך מדי.
4. ייבש את המדגם על ידי טיהור עם גז חנקן.
5. (אופציונאלי) כדי למפות את GNSS על הזכוכית עם רזולוציה גבוהה, לבצע במיקרוסקופ אלקטרונים סורקים (SEM) בשלב זה ^23. תמונת דוגמא מסופקת בFigurדואר 1, המציג את הצפיפות האופיינית GNSS. השתמש בפליטת שדה SEM לרכוש את התמונה. ברגע שהוא הוסיף שמן על המדגם (השלב ​​הבא), זה יהיה קשה להסיר את השמן ולבחון את המדגם עם SEM.
6. להוסיף טיפה של שמן עם אותו מקדמת השבירה על המדגם כדי לכסות את GNSS ולחסל את ההשתקפות החזקה מהמצע הזכוכית.
7. מניחים כוס על גבי עטיפה של המדגם ולאטום אותו עם לק.
8. חכה לפחות 5 דקות עד לק מתייבש. המדגם הוא מוכן עכשיו.

2. מערך של מיקרוסקופ confocal מובנה בית

1. ראה איור 2 לתכנית של התקנה. יישר את נתיב תאורת אור הלבן של גוף מיקרוסקופ עצמו. הפעל את מקור אור ההלוגן של המיקרוסקופ, ולעקוב אחרי הוראות של יצרן מיקרוסקופ כדי להשיג את מצב תאורת קוהלר. ודא שקורות הלוגן האור הלבנים הם כמעט מקבילים בחלק האחורי שלצמצם של המטרה, בא לידי ביטוי באופן חלקי על ידי beamsplitter 50/50, ולאחר מכן להפיץ לליזר.
2. הפעל את מראות Galvano כדי להבטיח שהם יישארו בעמדה הראשונית הנכונה, כלומר, במרכז טווח הסריקה.
3. הנח לפחות שתי מטרות, שנעשו על ידי שכבה דקה של נייר עם טבעות קונצנטריות על זה, לאורך שביל אור ההלוגן, וליישר אותם עם קרן ההלוגן.
4. כדי לבצע הדמיה, בחר בלייזר 532 ננומטר. כדי לבצע מדידות ספקטרוסקופיה, בחר בלייזר סופר-הרצף. במהלך היישור, את כוחו של הלייזרים צריך להיות פחות מ 10 μW בצמצם האחורי של המטרה להימנע הליניאריות. לאחר מכן, collimate ההפך קרן לייזר אירוע לקרן ההלוגן היוצאת עם הסיוע של שתי מטרות. כאשר תהליך זה יסתיים, היישור הגס של קרן הלייזר הושג.
5. יישר את קרן הלייזר דרך מרכז הצמצם האחורי של העדשה האובייקטיבית. בדרך כלל, להשתמש oiמטרת L-טבילה. להוסיף טיפה של שמן בין עדשת מטרת נפט הטבילה ומדגם GNS. השתמש בצינור מכפיל (PMT) כגלאי כדי לאסוף את אותות הפיזור של GNSS.
6. הנח חריר 20 מיקרומטר בקוטר מול PMT לחסום פיזור מחוץ לפוקוס אותות. הפעל את מראות Galvano וPMT (באמצעות תוכנת הבית בנוי), להתאים את המיקום וגובה חריר של שלב המדגם למקסם את אותות backscattering של GNSS, ולאחר מכן לצפות GNS בודד על מסך מחשב. תמונת XY מדגם של GNSS עם יישור נכון מוצגת באיור 2.
7. מעט לשנות את הגובה של שלב המדגם לבדוק concentricity של המוקד. אם זה לא קונצנטריים, להתאים את הקרן עם שתי המראות מול הסורק עד מרכז GNS נשאר באותה העמדה ואילו הגובה של שלב המדגם השתנה. ודא שתמונת XZ של כוחות הביטחון הפלסטיניים דומה לאיור 2Cכדי להבטיח יישור קרן נכון. לעבד שתי תמונות עם נמוך לעבור ומסננים חלקים גאוס.

3. אפיון פיזור הליניאריות

1. בעוצמה עירור נמוכה (פחות מ -10 W ^4/2 סנטימטר), לרכוש תמונה של חלקיקי זהב על ידי ביצוע הפרוטוקול 2.6.
2. פתח את התמונה בImageJ (או כל תוכנת ניתוח תמונה אחרת). צייר קו על פני אחד GNSS בתמונה (ראה איור 2), ולהשתמש בניתוח -> פרופיל מגרש של הכלים ImageJ כדי לאחזר את פרופיל עוצמת פיזור. מתאים לפרופיל של כוחות הביטחון הפלסטיניים שנבחרו על ידי פונקצית גאוס:
   
   שבו Y הוא ערך קריאת נתוני PMT, y ₀ הוא ערך הרקע (אם בכלל), הוא משרעת השיא, W הוא הרוחב, x הוא לתאם את מרחבי, וx _ג הוא coordinat המרכזדואר של פונקצית גאוס. FWHM של כוחות הביטחון הפלסטיניים המקבילים הוא (½ln2) w. בהתבסס על הצמצם המספרי (NA) של המטרה, ניתן להעריך FWHM התיאורטי של כוחות הביטחון הפלסטיניים confocal להיות כ 0.43l / NA, שבו אני הוא גל העירור. להשוות בין שני מספרים הבאים כדי לבדוק את היישור של מערכת ההדמיה.
3. להגביר את עוצמת העירור על ידי שינוי ידני מסנן צפיפות ניטראלית (ND) באיור 2 א, ולהקליט תמונות backscattering בכל רמת אינטנסיביות. קח את הערך של אות הפיזור מהמרכז של כל GNS בעוצמות עירור שונים, ולתכנן את העקומה של פיזור אותות לעומת עוצמות עירור. בדוק את הליניאריות של כמה נקודות הראשונות, שאמור להציג קשר לינארי כאשר עוצמת העירור היא כראוי נמוכה. צייר קו על בסיס הולם ליניארי של כמה הנקודות הראשונות. אם עוצמות הפיזור של הנקודות הבאות לרדת מתחת המגמה, saturatio יניארי זהn התרחש.
4. לאחר התבוננות פיזור saturable, להקטין בהדרגה את עוצמת מתחת לסף רווי, ותמונה באותו GNSS שוב כדי להבטיח את ההפיכות של ההתנהגויות לא-ליניארית.

4. מדידה של ספקטרום פיזור של זהב nanosphere יחיד

1. כדי למדוד את ספקטרום backscattering מGNS אחת, להשתמש בליזר סופר-הרצף כמקור הלייזר. אורך הגל הראשוני של הלייזר נע בין 450 ננומטר ל 1,750 ננומטר. כדי להסיר את כוח אינפרא אדום העודף שעלולה לגרום נזק למדגם והרכיבים האופטיים, להציב מראות אחד או שתיים מייד אחרי לייזר סופר-הרצף כדי לשקף את האור הנראה, ולהשתמש בקרן מרוקנת כדי לאסוף את אור אינפרא אדום העודף.
2. בצע את הפעולות מפורטות בסעיף 2 היישור לכוון את לייזר סופר-הרצף למיקרוסקופ confocal סריקת הלייזר. השתמש בפס רחב 50/50 BS כדי להבטיח כיסוי רפאים על פני כל הטווח הנראה לעין.
3. לרכושתמונה של GNSS על זכוכית. אתר GNS יחיד בתמונה, ולתקן את המיקוד של הפס הרחב אור האירוע על החלקיק.
4. השתמש במראה מרפרף מול PMT לכוון את אות backscattering כלפי ספקטרומטר, אשר מצויד במכשיר תשלום מצמידים, ולאחר מכן לקחת ספקטרום של GNS היחיד שנבחר. היזהר שהספקטרום כאן היא תערובת של פיזור GNS ורקע בשל השתקפויות ממשטחים אחרים.
5. לחזור לגלאי PMT, ולקחת תמונה אחרת כדי לוודא שעמדת החלקיקים לא השתנתה. לאחר מכן, להעביר את המוקד לנקודה שבה אין חלקיקים הוא הווה. לחזור לספקטרומטר, ולקחת ספקטרום יותר אחד, המייצג את הרקע.
6. לחסר ספקטרום הרקע מצעד 4.5 מהספקטרום מצעד 4.4 להשיג ספקטרום backscattering ברור של GNS יחיד.

5. מערך של SAX מיקרוסקופ

1. ראה איור 3לתכנית של המיקרוסקופ SAX, בי אפנון זמני סינוסי אידיאלי מתקבל מתדר הפעימה בין שני מאפנני acousto אופטי (AOMs). ראשית, להתאים את גודל קרן הלייזר כדי לענות על הדרישה של AOMs שלאחר מכן. לפצל את אור לייזר 532 ננומטר לשתי קורות באמצעות מפצל 50/50 קרן.
2. מדריך שתי קורות באמצעות שני AOMs, עם קרן אחת שעוברת דרך כל AOM. תדרי הוויסות של שני AOMs חייבים להיות שונים. לדוגמא, אחד עלול להיות ב40.000 MHz והאחר ב40.010 MHz, מניב תדירות הבדל של 10 קילו-הרץ. תדירות הבדל זה תהיה _{מ 'ו} אפנון תדר הבסיסי לאותות SAX.
3. קח את הסדר הראשון קורות מתפזרות משני AOMs, ולשלב את שתי קורות באמצעות אחר מפצל 50/50 קרן. התאם את המראות לאחר AOMs לcollimate שתי קורות.
4. הוסף גלאי אור שמחובר לאוסצילוסקופ לפקח modulatio הזמניn. פיצול חלק קטן של הלייזר עם זכוכית שקופית, ולשלוח אותו לגלאי האור, כפי שמוצג באיור 3. עם אפנון נכון וחפיפת קרן, להתבונן אפנון עצמת סינוסי _{במ 'ו} התדר העיקרי, דומה לזו של הגל הראה באיור 4.
   הערה: הרקע של האפנון צריך להיות נמוך ככל האפשר כדי להשיג את עומק האפנון המרבי. בנוסף, להשתמש בפונקצית הניתוח פורייה של אוסצילוסקופ כדי לבדוק שהעיוות ההרמונית של האפנון הולכת ומתמעטת. כדי להשיג יישום מוצלח SAX, להבטיח אפנון עצמת עירור סינוסי מושלם עם הליניאריות ראשונית ממוזערת.
5. נתק את תפוקת החשמל של גלאי האור מאוסצילוסקופ ולהתחבר לקלט ההתייחסות של מגבר נעילה ב.
6. כפי שניתן לראות באיור 3, ליישר את קרן הלייזר למערכת confocal הבא הפרוטוקולים הקודמים. Here, לחבר את הפלט החשמלי של PMT למגבר הנעילה כבקלט האות.
7. השתמש בזכוכית כיסוי ריקה כמדגם, ולבדוק את הליניאריות של מערכת האיתור החשמלית על ידי הגדלת כוח העירור בהדרגה ,, כפי שמוצג באיור 5, שבו הגלאים הוא ליניארי להלן ערך קריאת נתונים של 1-V. בכל המדידות שלאחר מכן, דואג לרסן את ההודעה למתחת לערך זה.
8. הגדר את הפלט של מגבר הנעילה בלייצא את הגודל המוחלט של אות המתח. על ידי שינוי המרכיב ההרמוני הגדרה בערוץ ההתייחסות, להשיג אמפליטודות SAX, _{1, 2,} וכן הלאה.
9. לייצא ליניארי ואותות קוי ממגבר הנעילה לכרטיס רכישת נתונים, אשר גם מקבל את אותות מתח נהיגה של מראות Galvano סריקת סריקה. בעזרת תכנית Labview מותאמת אישית, לסנכרן את האותות של המגבר והנעילה בGalvano מראות כדי ליצור תמונה.
10. כדי לייעל את יחס אות לרעש בתמונות, בחר כראוי רכישת פיקסל ופעמים אינטגרציה של מגבר הנעילה ב. לדוגמא, כאשר _{מ 'ו} אפנון התדר העיקרי של העירור הוא 10 קילו-הרץ, כלומר, כאשר התקופה היא 100 μsec, להגדיר את זמן האינטגרציה של הנעילה ב מגבר להיות לפחות שלושה פעמים ארוכות יותר מהתקופה. הוספת הזמן של תנועת מראה Galvano, מהירות הרכישה מוגדרת ב1,500 פיקסלים בשנייה במצב ההדמיה SAX.

תוצאות

איור 6 מציג את הספקטרום הנמדד מGNS 80 ננומטר. עקומה המחושבת על בסיס תיאורית מ.י. ניתנת באותה החלקה, מראה הסכם מצוין. שיא LSPR הוא סביב 580 ננומטר. בניסוי הבא, באורך גל הלייזר היה 532 ננומטר, אשר נבחר כהוא ממוקם בתוך להקת plasmonic כדי לשפר את הפיזור אופטי עם אפקט plasmonic ולאפשר פיזור הרוויה ^21.

איור 7 מתנות פיזור תמונות של ננו-חלקיקי זהב אחת בעוצמות עירור שונות, והשו...

דיון

בפרוטוקול, יש כמה שלבים קריטיים. ראשית, בעת הכנת הדגימות, הצפיפות של חלקיקים לא צריכה להיות גבוהה מדי, כדי להימנע מצימוד plasmonic בין חלקיקים. אם שניים או יותר חלקיקים קרובים מאוד זה לזה, תוצאות הצימוד באורך גל LSPR הסטה לכיוון אורכי גל ארוכים יותר, ובכך להקטין באופן משמעותי את הליניאריות. עם זאת, טכניקת הדמיה זו בעצם ממפה את חלוקת מצבי plasmonic, במקום החלקיקים עצמם. לכן, צפוי כי עם גל עירור מתאים, מצבי plasmonic בשילוב יכולים גם להראות הליניאריות פיזור חזקה וניתן הדמיה עם רזולו...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
גוף מיקרוסקופ	אולימפוס, יפן	BX-51
עדשת אובייקטיבית	אולימפוס, יפן	UPlanSapo, 100X, NA 1.4
קולואיד זהב 80 ננומטר	BBI Solutions, בריטניה	EM. GC80
supercontinuum לייזר	פיאניום, בריטניה	SC400-2-PP
מראות דיאלקטריות בפס רחב	Thorlabs, ארה"ב	BB1-E02
פליטת שדה SEM	JEOL, יפן	JSM-6330F	אופציונלי
	Andor Technology, בריטניה	שמרוק 163
מכשיר מצמד טעינה	Andor Technology, בריטניה	iDus DV420A-OE
מודולטורים אקוסטו-אופטיים	IntraAction Corp., ארה"ב	מגבר נעילה AOM-402AF1
	סטנפורד מערכות מחקר, ארה"ב	SR-830
זכוכית שקופיות מצופה MAS	זכוכית מטסונאמי, יפן,	S9215