Misura di Scattering non linearità da un nanoparticelle plasmoniche singolo

Sommario

Lo scattering saturabile e saturabile inverso è stato scoperto in particelle plasmoniche isolate e adottato come nuovo metodo di contrasto non sbiancante nella microscopia a super-risoluzione. Qui vengono spiegate in dettaglio le procedure sperimentali di rilevamento ed estrazione dello scattering non lineare, nonché come migliorare la risoluzione con l'aiuto della microscopia ad eccitazione satura.

Abstract

La plasmonica, che si basa sull'oscillazione collettiva degli elettroni dovuta all'eccitazione della luce, coinvolge campi elettrici locali fortemente potenziati e quindi ha potenziali applicazioni nell'ottica non lineare, che richiede un'intensità ottica straordinaria. Una delle non linearità più studiate in plasmonica è l'assorbimento non lineare, compresi i comportamenti di saturazione e saturazione inversa. Sebbene lo scattering e l'assorbimento nelle nanoparticelle siano strettamente correlati dalla teoria di Mie, non c'è stata alcuna segnalazione di non linearità nello scattering plasmonico fino a poco tempo fa.

L'anno scorso, non solo la saturazione, ma anche la saturazione inversa dello scattering in una particella plasmonica isolata è stata dimostrata per la prima volta. I risultati hanno mostrato che lo scattering saturabile mostra una chiara dipendenza dalla lunghezza d'onda, che sembra essere direttamente collegata alla risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR). Combinati con le misure dipendenti dall'intensità, i risultati suggeriscono la possibilità di un meccanismo comune alla base dei comportamenti non lineari di scattering e assorbimento. Queste non linearità di scattering da una singola nanosfera d'oro (GNS) sono ampiamente applicabili, anche nella microscopia a super-risoluzione e negli interruttori ottici.

In questo articolo, viene descritto in dettaglio come misurare la non linearità dello scattering in un singolo GNP e come utilizzare la tecnica della super-risoluzione per migliorare la risoluzione dell'imaging ottico basata sullo scattering saturabile. Questa scoperta presenta la prima microscopia a super-risoluzione basata sullo scattering non lineare, che è un nuovo metodo di contrasto non sbiancante che può raggiungere una risoluzione fino a l/8 e sarà potenzialmente utile in biomedicina e negli studi sui materiali.

Introduzione

Lo studio di plasmonica ha suscitato un grande interesse per le sue applicazioni in molti campi diversi ^1-4. Uno dei campi più studiati in plasmonica è plasmonica di superficie, in cui l'oscillazione collettiva di elettroni di conduzione coppie con un'onda elettromagnetica esterna ad un'interfaccia tra un metallo e dielettrico. Plasmonica di superficie è stata esplorata per le sue potenziali applicazioni nella subwavelength ottica, biofotonica, e microscopia ^5,6. La forte amplificazione di campo nel volume ultra-piccole di nanoparticelle metalliche a causa localizzato risonanza plasmonica superficiale (LSPR) ha attirato grande attenzione, non solo per la sua eccezionale sensibilità dimensioni delle particelle, forme di particelle, e le proprietà dielettriche del mezzo circostante ^{7 -10,} ma anche per la sua capacità di stimolare intrinsecamente deboli effetti ottici non lineari ^11. La sensibilità eccezionale di LSPR è prezioso per la bio-sensing e near-fietecniche di imaging ld ^12,13. D'altra parte, la maggiore linearità delle strutture plasmoniche può essere utilizzato in circuiti integrati fotonici in applicazioni quali commutazione ottica ed elaborazione del segnale completamente ottica ^14,15. E 'noto che l'assorbimento plasmonica è linearmente proporzionale all'intensità di eccitazione a bassi livelli di intensità. Quando l'eccitazione è abbastanza forte, l'assorbimento raggiunge la saturazione. Curiosamente, a intensità più elevate, l'assorbimento aumenta di nuovo. Questi effetti non lineari sono chiamati assorbimento saturabile (SA) ^15-17 e inversa assorbimento saturabile (RSA) ^18, rispettivamente.

È noto che a causa della LSPR, dispersione è particolarmente forte in strutture plasmoniche. Sulla base di elettromagnetismo fondamentali, la risposta di dispersione rispetto dell'intensità incidente dovrebbe essere lineare. Tuttavia, in nanoparticelle, dispersione e l'assorbimento sono strettamente collegati tramite la teoria di Mie, ed entrambi possono essere eXpressed in termini di parti reale e immaginaria della costante dielettrica. Partendo dal presupposto che un singolo GNS si comporta come un dipolo sotto illuminazione luce, il coefficiente di diffusione (Q _sca) e il coefficiente di assorbimento (Q _abs) da una singola nanoparticella plasmonico secondo la teoria di Mie possono essere espressi come ¹⁹

dove x è 2 πa / λ, a è il raggio della sfera, ed m è ² _m ε / ε _d. Qui, ε _m ed ε _d corrispondono alle costanti dielettriche del metallo e dei dielettrici che circondano rispettivamente. Poiché la forma del coefficiente di dispersione è simile a quello di the coefficiente di assorbimento, si prevede pertanto di osservare dispersione saturabile in una singola nanoparticella plasmonico ^20.

Recentemente, lineare dispersione saturabile in una particella plasmonica isolata è stata dimostrata per la prima volta ^21. È notevole che in saturazione profonda, l'intensità di scattering infatti leggermente diminuita quando l'intensità di eccitazione aumentata. Ancora più notevole, quando l'intensità di eccitazione continuato ad aumentare dopo che la dispersione si è saturato, l'intensità di scattering risorto, che mostra l'effetto di dispersione saturabile inverso ^20. Wavelength- e studi dipendenti dalle dimensioni hanno dimostrato una forte relazione tra LSPR e non lineari dispersione ^21. L'intensità e lunghezza d'onda dipendenze scattering plasmonica sono molto simili a quelli di assorbimento, suggerendo un meccanismo comune alla base di tali comportamenti non lineari.

In termini di applicazioni, è ben known che non linearità aiuta a migliorare la risoluzione microscopia ottica. Nel 2007, l'eccitazione saturi è stata proposta (SAX) microscopia, che può aumentare la risoluzione estraendo il segnale saturo tramite una modulazione sinusoidale temporale del fascio di eccitazione ^22. Microscopia SAX si basa sul concetto che per un punto focale del laser, l'intensità è maggiore al centro rispetto alla periferia. Se il segnale (sia fluorescenza o scattering) mostra un comportamento di saturazione, la saturazione deve iniziare dal centro, mentre la risposta lineare rimane alla periferia. Pertanto, se vi è un metodo per estrarre solo la parte saturo, lascerà solo la parte centrale respingendo la parte periferica, migliorando così efficacemente la risoluzione spaziale. In linea di principio, non vi è limite di risoluzione non inferiore in microscopia SAX, purché profonda saturazione viene raggiunta e non vi è alcun danno campione a causa della illuminazione intensa.

E 'stato dimostrato che il resolution di imaging di fluorescenza può essere significativamente migliorata utilizzando la tecnica SAX. Tuttavia, la fluorescenza soffre dell'effetto photobleaching. Combinando la scoperta di dispersione non linearità e il concetto di SAX, microscopia a super-risoluzione basata sullo scattering può essere realizzato ^21. Rispetto ai tradizionali microscopie super-risoluzione, la tecnica basata scattering fornisce un metodo di contrasto non-imbianchimento romanzo. In questo lavoro, una descrizione passo-passo è dato a definire le procedure necessarie per ottenere ed estrarre la non linearità di dispersione plasmoniche. Vengono descritti metodi di identificazione non linearità di scattering introdotte modificando l'intensità incidente. Maggiori dettagli saranno forniti a svelare come queste non linearità influenzano immagini di singole nanoparticelle e come spaziale risoluzione può essere migliorata di conseguenza con la tecnica SAX.

Protocollo

1. GNS preparazione del campione

1. Prima di preparare la, Sonicare 1 ml di soluzione colloidale GNS campione per almeno 15 minuti a circa 40 kHz a prevenire l'aggregazione delle particelle, che può causare il picco LSPR di spostare.
2. Goccia 100-200 ml di colloidi GNS su un vetrino con commerciale silicato di alluminio magnesio (MAS) rivestimento per fissare il GNSS.
3. Dopo almeno 1 min, rimuovere il colloide extra risciacquo con acqua distillata. Il tempo di attesa dipende dalla densità necessaria distribuzione del GNSS. Tipicamente, 1-3 min si ottiene una densità adatta che permette alle particelle di essere facilmente identificati poiché la maggior parte di essi sono isolati l'uno dall'altro. Aggregazione significativa si può verificare se il tempo di attesa è troppo lungo.
4. Essiccare il campione da spurgo con azoto.
5. (Facoltativo) Per mappare la GNSS sul vetro con alta risoluzione, eseguire microscopia elettronica a scansione (SEM), in questa fase ^23. Un'immagine esempio è fornito in Figure 1, che mostra la densità caratteristica del GNSS. Utilizzare una emissione di campo SEM per acquisire l'immagine. Una volta aggiunto olio sul campione (passo successivo), sarà difficile da rimuovere l'olio e osservare il campione con SEM.
6. Aggiungere una goccia di olio con lo stesso indice di rifrazione sul campione per coprire il GNSS e per eliminare il forte riflessione dal substrato di vetro.
7. Posizionare un vetro di copertura sulla parte superiore del campione e sigillare con smalto.
8. Attendere almeno 5 minuti fino a quando lo smalto si asciuga. Il campione è pronto ora.

2. Allineamento della casa costruita confocale microscopio

1. Vedere la Figura 2 per lo schema di installazione. Allineare il bianco percorso illuminazione luce del corpo del microscopio stesso. Accendere la sorgente luminosa alogena del microscopio, e seguire il manuale del produttore del microscopio per ottenere la condizione di illuminazione Köhler. Assicurarsi che i bianchi fasci di luce alogena sono quasi parallele sul retroapertura dell'obiettivo, parzialmente riflesso dal 50/50 beamsplitter, e quindi propaga verso il laser.
2. Accendere specchi galvaniche per garantire che rimangano nella posizione iniziale corretta, che è, al centro del campo di scansione.
3. Posizionare almeno due bersagli, realizzati da un sottile foglio di carta con anelli concentrici su di esso, lungo il percorso della luce alogena, e allinearli con il fascio alogeno.
4. Per eseguire l'imaging, selezionare il laser 532 nm. Per eseguire misure di spettroscopia, selezionare il laser super continuo. Durante l'allineamento, la potenza dei laser deve essere inferiore a 10? W in corrispondenza dell'apertura posteriore dell'obiettivo per evitare linearità. Poi, collimare il fascio laser incidente opposta al fascio alogeno uscente con l'aiuto dei due bersagli. Quando questo processo è completato, l'allineamento grossolano del fascio laser è stato raggiunto.
5. Allineare il raggio laser attraverso il centro dell'apertura posteriore della lente obiettivo. In genere, utilizzare un oiObiettivo l-immersione. Aggiungere una goccia di olio tra l'olio-immersion lente dell'obiettivo e il campione GNS. Utilizzare un tubo fotomoltiplicatore (PMT) come rilevatore per raccogliere i segnali di diffusione del GNSS.
6. Collocare un foro 20 micron di diametro davanti PMT per bloccare fuori fuoco dispersione segnali. Accendere specchi galvaniche e PMT (tramite software casa costruita), regolare la posizione foro stenopeico e l'altezza della fase del campione di massimizzare i segnali backscattering del GNSS, e quindi osservare un individuo GNS sullo schermo del computer. Un'immagine campione xy del GNSS con corretto allineamento è mostrata nella Figura 2B.
7. Leggermente modificare l'altezza della fase del campione per verificare la concentricità del fuoco. Se non è concentrica, la regolazione del fascio con i due specchi di fronte dello scanner fino al centro del GNS rimane nella stessa posizione, mentre l'altezza della fase del campione viene modificato. Assicurarsi che l'immagine xz della PSF è analoga alla figura 2Cper assicurare l'allineamento fascio corretto. Elaborare queste due immagini con passa-basso e filtri lisce gaussiana.

3. Caratterizzazione di Scattering Nonlinearità

1. A bassa intensità di eccitazione (meno di 10 ^{4 W} / cm ^2), acquisire un'immagine di nanoparticelle di oro dal seguente protocollo 2.6.
2. Apri l'immagine in ImageJ (o qualsiasi altro software di analisi di immagine). Tracciare una linea attraverso uno dei GNSS nell'immagine (vedere Figura 2B), e utilizzare l'analisi -> Profilo trama degli strumenti di ImageJ per recuperare il profilo di intensità di scattering. Inserire il profilo del PSF scelto da una funzione gaussiana:
   
   dove Y è il valore di lettura PMT, y _{0 è} il valore di fondo (se presente), A è l'ampiezza di picco, w è la larghezza, x è la coordinata spaziale e x _{c è il} centro coordinate della funzione gaussiana. La FWHM della PSF corrispondente è (½ln2) w. Sulla base della apertura numerica (NA) dell'obiettivo, la FWHM teorico del PSF confocale può essere stimato in circa 0.43l / NA, dove L è la lunghezza d'onda di eccitazione. Confrontare questi due numeri per controllare l'allineamento del sistema di imaging.
3. Aumentare l'intensità di eccitazione cambiando manualmente il filtro a densità neutra (ND) nella Figura 2A, e registrare le immagini di backscattering ad ogni livello di intensità. Prendere il valore del segnale di dispersione dal centro di ogni GNS a diverse intensità di eccitazione, e tracciare la curva di segnali rispetto intensità di eccitazione dispersione. Controllare la linearità dei primi punti, che dovrebbe esibire una relazione lineare quando l'intensità di eccitazione è sufficientemente bassa. Tracciare una linea sulla base di montaggio lineare dei primi punti. Se le intensità di scattering dei punti successivi scendono sotto questa tendenza lineare, saturation è verificato.
4. Dopo aver osservato dispersione saturabile, diminuire gradualmente l'intensità di sotto della soglia di saturazione, e di nuovo la stessa immagine GNSS per assicurare la reversibilità dei comportamenti non lineari.

4. Misura di una Scattering spettro di un oro Nanosphere singolo

1. Per misurare lo spettro backscattering da un singolo GNS, utilizzare il laser super-continuo come sorgente laser. La lunghezza d'onda iniziale del laser varia da 450 nm a 1.750 nm. Per rimuovere l'alimentazione infrarossi eccesso che potrebbe causare danni al campione ed i componenti ottici, posizionare uno o due specchi subito dopo il laser super-continuo per riflettere la luce visibile, e utilizzare fascio discariche per raccogliere la luce infrarossa in eccesso.
2. Seguire le procedure di allineamento nella Sezione 2 per dirigere il laser super-continuo nel microscopio confocale a scansione laser. Utilizzare una banda larga 50/50 BS al fine di garantire la copertura spettrale tutta la gamma visibile.
3. Acquisire unimmagine del GNSS su vetro. Individuare un singolo GNS nell'immagine, e fissare la messa a fuoco della luce a banda larga incidente sulla particella.
4. Utilizzare uno specchio capovolgimento di fronte al PMT per dirigere il segnale di backscattering verso lo spettrometro, che è dotato di un dispositivo ad accoppiamento di carica, e poi prendere uno spettro dei singoli GNS selezionati. Fare attenzione che lo spettro qui è una miscela di GNS dispersione e lo sfondo a causa di riflessioni da altre superfici.
5. Tornare al rivelatore PMT, e prendere un'altra immagine per confermare che la posizione delle particelle non è cambiata. Quindi, spostare l'attenzione ad un punto in cui è presente nessuna particella. Passare allo spettrometro, e prendere un altro spettro, che rappresenta lo sfondo.
6. Sottrarre il spettro di fondo dal punto 4.5 dello spettro dal punto 4.4 per ottenere una chiara gamma backscattering di un singolo GNS.

5. L'allineamento di SAX microscopio

1. Vedi Figura 3per lo schema del microscopio SAX, dove una modulazione temporale sinusoidale ideale è ottenuta dalla frequenza di battimento tra due modulatori acusto-ottica (AOMS). Innanzitutto, regolare la dimensione del fascio del laser per soddisfare il requisito dei AOMS successive. Dividere la luce laser 532 nm in due fasci, utilizzando un divisore di fascio 50/50.
2. Guida i due raggi attraverso i due AOMS, ad un trave che passa attraverso ogni AOM. Le frequenze di modulazione dei due AOMS devono essere diversi. Ad esempio, si può essere a 40.000 MHz e l'altro a 40.010 MHz, ottenendo una differenza di frequenza di 10 kHz. Questa frequenza differenza sarà la frequenza fondamentale di modulazione f _m per i segnali SAX.
3. Prendere il primo ordine fasci diffratti da entrambi AOMS, e combinare i due fasci utilizzando un altro splitter 50/50 fascio. Regolare gli specchi dopo che i AOMS per collimare i due fasci.
4. Aggiungere un fotorivelatore che è collegato ad un oscilloscopio per monitorare la modulatio temporalen. Dividere una piccola porzione del laser con un vetrino, e inviarlo al fotorivelatore, come mostrato nella figura 3. Con corretta modulazione e fascio sovrapposizione, osservare modulazione dell'intensità sinusoidale alla principale frequenza f _m, simile a quella della forma d'onda mostrata in figura 4.
   Nota: Lo sfondo della modulazione deve essere il più basso possibile per ottenere la massima profondità di modulazione. Inoltre, utilizzare la funzione di analisi di Fourier dell'oscilloscopio per verificare che la distorsione armonica della modulazione sta diminuendo. Per raggiungere implementazione SAX successo, garantire una perfetta modulazione dell'intensità eccitazione sinusoidale con minimizzato linearità iniziale.
5. Scollegare l'uscita elettrica del fotorivelatore dall'oscilloscopio e collegare l'ingresso di riferimento di un amplificatore lock-in.
6. Come mostrato in figura 3, allineare il raggio laser nel sistema confocale seguendo i protocolli precedenti. Here, collegare l'uscita elettrica del PMT all'amplificatore lock-in come ingresso di segnale.
7. Utilizzare un vetro di copertura in bianco come campione, e verificare la linearità del sistema di rivelazione elettrico gradualmente aumentando la potenza di eccitazione ,, come mostrato in figura 5, dove il rivelatore è lineare sotto di un valore di lettura di 1-V. In tutte le misurazioni successive, fare attenzione a frenare la lettura al di sotto di questo valore.
8. Impostare l'uscita dell'amplificatore lock-in per esportare la grandezza assoluta del segnale di tensione. Modificando la componente armonica impostazione al canale di riferimento, ottenere le ampiezze dei segnali SAX, A _1, A _2, e così via.
9. Esportare i segnali lineari e non lineari dal amplificatore lock-in per una scheda di acquisizione dati, che riceve anche i segnali di tensione guida degli specchi galvaniche scansione raster. Con l'ausilio di un programma personalizzato Labview, sincronizzare i segnali dell'amplificatore lock-in egalvano specchi per formare un'immagine.
10. Per ottimizzare il rapporto segnale-rumore nelle immagini, selezionare opportunamente l'acquisizione pixel e tempi di integrazione dell'amplificatore lock-in. Ad esempio, quando la frequenza di modulazione principale f _m dell'eccitazione è 10 kHz, cioè quando il periodo è di 100 msec, impostare il tempo di integrazione del blocco amplificatore di essere almeno tre volte più lungo del periodo. Aggiungendo il tempo del movimento specchio galvano, la velocità di acquisizione è impostato a 1.500 pixel al secondo in modalità di imaging SAX.

Risultati

La figura 6 mostra lo spettro misurato da un 80 GNS nm. Una curva calcolata sulla base della teoria di Mie è dato nello stesso appezzamento, mostrando ottima accordo. Il picco LSPR è di circa 580 nm. Nel seguente esperimento, la lunghezza d'onda del laser è a 532 nm, che è stato scelto in quanto si trova all'interno della banda plasmonica per migliorare la dispersione ottica con effetto plasmoniche e consentire la dispersione di saturazione ^21.

Figura 7

Discussione

Nel protocollo, ci sono diversi passaggi critici. In primo luogo, durante la preparazione dei campioni, la densità di nanoparticelle non deve essere troppo elevato, per evitare l'accoppiamento plasmonica tra le particelle. Se due o più particelle sono molto vicini l'uno all'altro, i risultati di accoppiamento in lunghezza d'onda LSPR spostando verso lunghezze d'onda maggiori, riducendo in modo significativo la non linearità. Tuttavia, questa tecnica di imaging mappe realtà la distribuzione dei modi p...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
corpo del microscopio	Olympus, Giappone	Obiettivo BX-51
	Olympus, Giappone	UPlanSapo, 100X, NA 1.4
80-nm oro colloidale	BBI Solutions, Regno Unito	EM. Laser supercontinuum GC80
	Fianium, Regno Unito	SC400-2-PP
specchi dielettrici a banda larga	Thorlabs, USA	BB1-E02
emissione di campo SEM	JEOL, Giappone	JSM-6330F
spettrometro	Andor Technology, Regno Unito	Shamrock 163
dispositivo ad accoppiamento di carica	Andor Technology, Regno Unito	iDus Modulatori acusto-ottici DV420A-OE
	IntraAction Corp., USA	AOM-402AF1
	Stanford Research Systems, USA	SR-830
Vetro scorrevole rivestito in MAS	Matsunami Glass, Giappone,	S9215