シングルプラズモニックナノ粒子からの散乱非線形性の測定

サマリー

可飽和散乱と逆可飽和散乱は、単離されたプラズモニック粒子で発見され、超解像顕微鏡における新しい非漂白コントラスト法として採用されました。ここでは、非線形散乱を検出して抽出する実験手順と、飽和励起顕微鏡を使用して分解能を向上させる方法について詳しく説明します。

要約

プラズモニクスは、光励起による電子の集団振動に基づいており、強く増強された局所電場を含んでおり、したがって、並外れた光学強度を必要とする非線形光学への応用が期待できます。プラズモニクスで最も研究されている非線形性の1つは、飽和および逆飽和動作を含む非線形吸収です。ナノ粒子の散乱と吸収はミー理論によって密接に相関していますが、プラズモン散乱の非線形性についてはごく最近まで報告されていませんでした。

昨年、孤立したプラズモン粒子の散乱の飽和だけでなく、逆の飽和も初めて実証されました。その結果、可飽和散乱は明確な波長依存性を示し、これは局在表面プラズモン共鳴(LSPR)に直接関連していると考えられることが示されました。強度依存の測定と組み合わせると、結果は、散乱と吸収の非線形挙動の根底にある共通のメカニズムの可能性を示唆しています。単一の金ナノスフィア(GNS)からの散乱のこれらの非線形性は、超解像顕微鏡や光スイッチなど、広く適用できます。

この論文では、単一のGNPにおける散乱の非線形性を測定する方法と、飽和散乱に基づく光学イメージング解像度を向上させるための超解像技術をどのように採用するかについて詳細に説明されています。この発見は、非線形散乱に基づく最初の超解像顕微鏡を特徴としており、これはl/8という低い分解能を達成できる新しい非漂白造影法であり、生物医学や材料研究に役立つ可能性があります。

概要

プラズモニクスの研究では、様々な分野への応用^1-4による大きな関心を集めています。プラズモニクスの中で最も研究さフィールドのうちの1つは、金属と誘電体との界面での外部の電磁波との伝導電子の集団振動カップル表面プラズモニクス、です。表面プラズモニクスは、サブ波長光学、バイオフォトニクス、および顕微鏡^5,6におけるその潜在的用途のために検討されています。局在表面プラズモン共鳴（LSPR）による金属ナノ粒子の超小体積の強い場の増強が原因粒子サイズ、粒子形状、及び⁷周囲媒体の誘電特性に対する卓越した感度だけでなく、広範な関心を集めています^-10だけでなく、本質的に弱いため、非線形光学効果^{11をブースト}する能力。 LSPRの例外的な感度バイオセンシングおよび近FIEのための価値がありますLDイメージング技術^12,13。一方、プラズモン構造の強化非線形性は、光スイッチング及び全光信号処理^14,15のような用途における光集積回路に利用することができます。これはよくプラズモン吸収が低い強度レベルでの励起強度に線形に比例することが知られています。励起が十分に強い場合、吸収が飽和状態に達します。興味深いことに、より高強度で、吸収が再び増加します。これらの非線形効果は、可飽和吸収^{（SA）15〜17}と呼ばれ、それぞれ、可飽和吸収^{（RSA）18を逆に}しています。....

プロトコル

1. GNSサンプル調製

1. LSPRピークがシフトする可能性があり、粒子の凝集を防止するために約40キロヘルツ、少なくとも15分間、試料を調製する前に、超音波処理1mLのGNSコロイド溶液。
2. GNSSを修正するための商用マグネシウムアルミニウムシリケート（MAS）コーティングを施したスライドガラス上にGNSコロイドの100〜200μLをドロップします。
3. 少なくとも1分後、蒸留水で洗浄することにより、余分なコロイドを除去します。待ち時間は、GNSSの必要な分布密度に依存します。典型的に、それらのほとんどが互いに分離されているので、粒子が容易に識別されることを可能にする適切な密度で1-3分をもたらします。待ち時間が長すぎる場合に有意な凝集が生じる可能性があります。
4. 窒素ガスでパージすることによって、サンプルを乾燥させます。
5. （オプション）、高解像度でガラス上にGNSSをマッピングこの^ステージ 23で、走査型電子顕微鏡（SEM）を実行します。例えば画像はFIGURに設けられていますE 1、GNSSの特徴密度を示します。画像を取得する電界放出SEMを使用してください。油試料（次工程）に追加されると、それは、油を除去し、SEMを用いて試料を観察することは困難であろう。
6. GNSSを覆うように、ガラス基板からの強い反射を除去するために試料に同じ屈折率を有する油の滴を加えます。....

結果

図6は、80 nmのGNSから測定されたスペクトルを示しています。 Mie理論に基づいて計算された曲線は、優れた一致を示し、同グラフに示されています。 LSPRのピークは580nmで周りです。以下の実験では、レーザー波長は、それがプラズモン効果で光散乱を強化し、飽和^21を有効にするために散乱プラズモンバンド内に位置するように選ばれた532 nmでした。

図7のプレゼントは異なる励起強度で、単一の金ナノ粒子の画像を散乱し、一番下の行は、非線形性を強調するために、各粒子のラインプロファイルを提供します。画像サイズは、600ナノメートル×600 nmであり、画素サイズは13.8 nmです。取得速度は、通常のXY撮像モードで毎秒234,000ピクセルでした。各画像は、信号対雑音比を高めるために、5以上の買収を平均しました。

励起強度がより低い場合1.5×10 ⁶ W / ^cm 2であり、散乱は励起強.......

ディスカッション

プロトコルでは、いくつかの重要なステップがあります。サンプルを調製する際にまず、ナノ粒子の密度は、粒子間のプラズモンカップリングを避けるために、高すぎてはなりません。二つ以上の粒子が互いに非常に接近している場合は、LSPR波長の結合の結果、大幅非線形性を減少させる、より長い波長に向かってシフトします。しかし、このイメージング技術は、実際には代わりに粒子自体の、プラズモンモードの分布をマッピングします。したがって、適切な励起波長と、接続されたプラズモンモードはまた、強力な散乱非線形性を示すことができ、強化された解像度で画像化することができることが期待されます。第二に、それは、したがって、2つの間のAOM鼓動を使用する動機、励起ビームの中に純粋な正弦波変調を生成することが非常に重要です。非線形の場合に高解像度化は、散乱信号の変調の非線形部（高調波周波数成分）を抽出に依存しているので歪みは、励起変調中に存在する場合、抽出はより困難になります。加えて、現在の方式では、干渉計の設定は、叩解変調を生成するために使用されるので、干渉計内の2つのビームの位置合わせも可能として変調深さのような大きな達成するために重要です。第三に、信号の非線形性は（I /.......

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
顕微鏡本体	オリンパス、日本	BX-51
対物レンズ	リンパス、日本	UPlanSapo、100X、NA 1.4
80 nm金コロイド	BBIソリューション、英国	EM。GC80
supercontinuum laser	Fianium, United Kingdom	SC400-2-PP
broadband dielectric mirrors	Thorlabs, USA	BB1-E02
field emission SEM	JEOL, 日本	JSM-6330F	オプション
分光器	Andor Technology, 英国	Shamrock 163
電荷結合素子	Andor Technology, UK	iDusDV420A-OE
音響光学変調器	IntraAction Corp., USA	AOM-402AF1
lock-in amplifier	Stanford Research Systems, USA	SR-830
MASコーティングスライドガラス	松波ガラス, 日本,	S9215

オ