Misura di Scattering non linearità da un nanoparticelle plasmoniche singolo

L'obiettivo generale di questo esperimento è dimostrare il miglioramento della risoluzione con lo scattering non lineare da nanostrutture plasmoniche. Nel campo della microscopia ottica, il contrasto e la risoluzione sono i fattori più importanti. La nostra tecnica si espande al campo della super risoluzione con il nuovo scattering basato sul contrasto.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che la dispersione dalle nanoparticelle è forte, altamente non lineare e non sbiancante. A dimostrare la procedura sarà Hsuan Lee. Uno studente più grande del mio laboratorio.

L'esperimento sarà eseguito su un banco ottico. Dove c'è un microscopio e due sorgenti laser. La prima sorgente laser è un laser a onda continua da 532 nanometri utilizzato per l'imaging.

Il secondo è un laser super-continuo utilizzato per le misure spettroscopiche. Questo è uno schema della configurazione di base sia per l'imaging che per la spettroscopia. I campioni saranno montati su un tavolino di posizionamento piezoelettrico nel microscopio confocale.

La luce del laser a 532 nanometri passa attraverso un filtro a densità neutra. Il fascio è diretto da un divisore di fascio verso specchi galvano che forniscono la scansione raster nel piano focale dell'obiettivo del microscopio confocale. La luce diffusa all'indietro viene raccolta dall'obiettivo e focalizzata sul rivelatore.

Iniziare allineando il percorso di illuminazione della luce bianca del microscopio. Utilizzare la sorgente luminosa alogena sotto l'illuminazione del bigodino. Per verificare l'allineamento dell'iride interna, assicurarsi di osservare gli spigoli vivi sull'ottagono tramite l'oculare o il CCD.

Quindi, usa un pezzo di carta per controllare il percorso della luce esterna. Verificare che i raggi siano parzialmente riflessi dal divisore di raggio e si propaghino verso il laser spostando la carta lungo il percorso della luce. Ora, avere obiettivi cartacei pronti per aiutare in un ulteriore allineamento.

I bersagli dovrebbero essere su carta sottile con anelli concentrici. Posizionare questi bersagli lungo il percorso del raggio in modo che siano allineati con il raggio alogeno. In questo caso, un bersaglio è in posizione sull'apertura posteriore dell'obiettivo.

Questo è un altro bersaglio in posizione lungo il percorso ottico. Quindi, accendi il laser a 532 nanometri utilizzato per l'imaging per allinearlo. Utilizzare i bersagli di carta per facilitare la collimazione della luce laser incidente opposta al raggio alogeno.

Continuare con un allineamento più preciso del raggio laser prima di rimuovere i bersagli e procedere. Dopo aver allineato il laser, ottenere un campione di nanosfera d'oro preparato per l'esperimento. Questo campione contiene nanosfere d'oro a 80 nanometri in olio.

La miscela viene sigillata tra due lastre di vetro. Continuare montando il campione sul tavolino del microscopio e aggiungendo olio per obiettivi. A questo punto, preparare il sistema di rilevamento per l'imaging.

Raccogli la luce diffusa con il tubo fotomoltiplicatore alla fine del percorso ottico. Tornando lungo il percorso del raggio, avere un foro stenopeico di 20 micrometri di diametro per bloccare la luce diffusa fuori fuoco dal tubo moltiplicatore fotografico. Procedere con l'imaging accendendo gli specchi galvano e il moltiplicatore di foto.

Osservare il monitor del computer per vedere lo scanner posteriore nel segnale delle nanoparticelle d'oro. Massimizza il segnale dello scanner posteriore regolando la posizione del foro stenopeico e l'altezza del tavolino del campione. Dopo aver allineato il microscopio confocale, caratterizzare la non linearità di scattering del campione.

Per fare ciò, utilizzare prima un misuratore di potenza per misurare la potenza del laser dopo la lente dell'obiettivo. La lettura deve essere inferiore a 10 microwatt, corrispondente a un'intensità di eccitazione inferiore a 10-quarto watt per centimetro quadrato. Quindi, acquisisci un'immagine delle nanoparticelle d'oro utilizzando il tubo moltiplicatore fotografico.

Aprire l'immagine acquisita nel software di analisi delle immagini per caratterizzare il profilo di intensità di diffusione. Seleziona una nanosfera d'oro tra quelle nell'immagine e disegna una linea attraverso di essa. Quindi, seguire i passaggi richiesti nel software per recuperare il profilo di dispersione.

Montare il profilo su una gaussiana che consente un ulteriore controllo sull'allineamento del sistema di imaging. Ora, inizia a scansionare sistematicamente le intensità di eccitazione. Innanzitutto, cambia il filtro a densità neutra per aumentare l'intensità di eccitazione.

Determinare la nuova intensità di eccitazione e registrare l'immagine di retrodiffusione al nuovo livello di intensità. Usa l'immagine per estrarre un profilo di scattering di una nanosfera come prima. Traccia il profilo di scattering e identifica il suo valore al centro della sfera come segnale di scattering.

Ripeti questi passaggi più volte per costruire un grafico del segnale di dispersione rispetto all'intensità di eccitazione. In questa figura, i punti blu rappresentano i dati. La linea rossa è un adattamento polinomiale.

Esiste una relazione lineare tra il segnale di scattering e bassi valori dell'energia di eccitazione. Il calo al di sotto di questa relazione lineare indica che si è verificata una saturazione. Il passo successivo è quello di eseguire la spettroscopia su una singola nanosfera d'oro.

Questo schema fornisce una panoramica della configurazione. Utilizzare una sorgente laser super-continua con una gamma di lunghezze d'onda di 450-1750 nanometri. Inoltre, utilizzare un beamsplitter 50/50 a banda larga per garantire la copertura spettrale sullo spettro visibile.

Posiziona uno specchio ribaltabile davanti al tubo moltiplicatore di foto per dirigere la luce verso lo spettrometro. Che è dotato di un dispositivo ad accoppiamento di carica. Il laser super-continuum deve essere allineato utilizzando la stessa procedura del laser a 532 nanometri.

All'uscita del laser super-continuo, prendere alcune precauzioni per rimuovere l'eccesso di potenza infrarossa dal sistema. Posizionare gli specchi che riflettono la luce visibile nel percorso ottico subito dopo l'uscita del laser, prima di inviare il raggio al microscopio. In combinazione con gli specchi, utilizzare i beam dump per raccogliere la radiazione infrarossa che potrebbe danneggiare il sistema.

Con il laser allineato, acquisire un'immagine delle nanosfere d'oro. Visualizza l'immagine e identifica una singola nanosfera per lo studio. Fissa il fuoco della luce a banda larga incidente sulla nanosfera scelta.

Quindi, assicurarsi che lo spettrometro si trovi nel percorso ottico. In questa posizione, lo specchio ribaltabile dirige la luce incidente verso il tubo moltiplicatore fotografico. Riorientare lo specchio per dirigere la luce incidente verso lo spettrometro.

Procedere alla raccolta dei dati sullo spettro di scattering della singola nanoparticella d'oro. Come in questo esempio, lo spettro misurato sarà una miscela di scattering di nanosfere e fondo dovuto alle riflessioni. Dopo aver preso lo spettro, restituisci lo specchio ribaltabile.

Ruotalo per dirigere la luce verso il tubo moltiplicatore di foto. Scatta un'altra immagine per confermare che la nanoparticella d'oro non ha cambiato posizione. Quindi, sposta il fuoco della luce a banda larga su un punto in cui non ci sono particelle.

Sostituire nuovamente lo specchio per dirigere la luce verso lo spettrometro e procedere con un'altra misurazione dello spettro. Il nuovo spettro è sullo sfondo. Sarà sottratto dallo spettro della nanosfera d'oro.

Ecco lo spettro di retrodiffusione chiaro prodotto sottraendo lo spettro di fondo dallo spettro con le nanosfere d'oro. La microscopia ad eccitazione satura del campione richiede una configurazione diversa. Questo è lo schema del microscopio ad eccitazione satura.

La sorgente laser è un laser a 532 nanometri. Utilizzare un divisore di raggio 50/50 per creare due raggi dalla sorgente laser. Far passare ogni raggio attraverso un modulatore ottico acustale separato.

Le diverse frequenze del modulatore generano una frequenza di battimento che fungerà da frequenza di modulazione dei segnali di eccitazione saturi. Combina i fasci diffratti del primo ordine dei modulatori ottici acustali con un altro divisore di fascio 50/50. Per monitorare la modulazione temporale, utilizzare un vetrino per dividere una piccola parte della luce laser in un fotorilevatore.

Per controllare il sistema, collegare il fotorilevatore a un oscilloscopio. Assicurarsi che non sia presente alcun campione. Valutare il segnale del fotorilevatore sull'oscilloscopio.

Il segnale dovrebbe essere sinusoidale alla frequenza di battimento se la modulazione e la sovrapposizione del raggio sono corrette. Per questo esperimento, la frequenza di battimento prevista è di 10 kilohertz. Sforzati di ottenere una sinusoide il più perfetta possibile con la minima non linearità.

Il passo successivo consiste nell'incorporare un amplificatore lock-in nel sistema. Per la microscopia ad eccitazione satura, l'amplificatore lock-in ha l'ingresso dal fotorivelatore e dal tubo fotomoltiplicatore. Scollegare l'uscita del fotorilevatore dall'oscilloscopio e collegarla all'ingresso di riferimento dell'amplificatore.

Collegare l'uscita del tubo moltiplicatore fotografico all'amplificatore di blocco come ingresso del segnale. Invia l'uscita dall'amplificatore a una scheda di acquisizione dati. A questo punto, montare il campione sul tavolino del microscopio.

Utilizzare lo stesso campione con nanosfere d'oro a 80 nanometri in olio sigillate tra due lastre di vetro. Tornare all'amplificatore di blocco durante le misurazioni. Impostare l'amplificatore per esportare l'ampiezza assoluta del segnale di tensione.

In questo caso, selezionando R" nel pannello del display del canale 1. Modificare l'impostazione della componente armonica sul canale di riferimento per ottenere le singole ampiezze di eccitazione satura. Queste immagini a colori sono formate utilizzando un software personalizzato per sincronizzare e combinare i segnali provenienti dall'amplificatore lock-in e le tensioni di pilotaggio dei motori galvano.

L'immagine del microscopio elettronico a scansione è a scopo di confronto. Le immagini dimostrano il miglioramento della risoluzione con diverse componenti armoniche. Lo spettro misurato di una nanosfera d'oro a 80 nanometri è in rosso.

La curva solida calcolata utilizzando la teoria di Mie, mostra un ottimo accordo. La risonanza plasmonica di superficie localizzata è a 580 nanometri. Le immagini di scattering, sopra, e i profili lineari, sotto hanno caratteristiche diverse in funzione dell'intensità di eccitazione.

A bassa intensità, la funzione di diffusione dei punti è un profilo gaussiano standard. Intensità più elevate determinano l'appiattimento e l'allargamento della funzione che indicano la saturazione. A valori più alti, l'intensità centrale non è la massima, risultando in una funzione di diffusione del punto a forma di ciambella.

Alla fine, l'intensità centrale diventa di nuovo il picco durante la saturazione inversa. I punti dati blu in questo grafico dell'intensità centrale a diverse intensità di eccitazione rivelano sia il comportamento della saturazione che quello della saturazione inversa. I punti dati sono adattati a un polinomio del 5° ordine tracciato in rosso.

Questi dati possono essere utilizzati per estrarre le componenti di frequenza armonica. I componenti armonici possono anche essere trovati direttamente utilizzando l'amplificatore lock-in. Questo grafico a sinistra è costituito da dati sperimentali.

Il grafico corretto è il risultato del calcolo utilizzando l'adattamento polinomiale del 5° ordine. Entrambi i grafici mostrano avvallamenti a intensità specifiche lungo le curve. Ad esempio, tre cali nella seconda armonica.

Anche in ogni grafico, per ogni ordine armonico, la pendenza aumenta dopo il primo avvallamento. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in meno di tre ore se la si esegue correttamente. Durante l'esecuzione di questa procedura, è importante verificare la qualità della modulazione sinusoidale, la linearità del sistema di rivelazione e la stabilità meccanica del campione.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come ottenere un miglioramento della risoluzione basato sullo scattering non lineare da nanostrutture plasmoniche. Questa tecnica fornisce un campione aspirante per i ricercatori nel campo della microscopia a super-risoluzione per esplorare un nuovo contrasto in altre interazioni fondamentali luce-materia.