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

この実験の全体的な目標は、プラズモニックナノ構造からの非線形散乱による分解能の向上を実証することです。光学顕微鏡の分野では、コントラストと解像度が最も重要な要素です。私たちの技術は、コントラストに基づく新しい散乱による超解像場にまで拡大します。

この技術の主な利点は、ナノ粒子からの散乱が強力で、非線形性が高く、漂白しないことです。手順を実演するのはHsuan Leeです。私の研究室からのより優れた学生。

実験は光学ベンチで行われます。顕微鏡と2つのレーザー光源がある場合。最初のレーザー光源は、イメージングに使用される532ナノメートルの連続波レーザーです。

2つ目は、分光測定に使用されるスーパーコンティニュアムレーザーです。これは、イメージングと分光法の両方の基本セットアップの概略図です。サンプルは、共焦点顕微鏡の圧電位置決めステージに取り付けられます。

532ナノメートルのレーザーからの光は、減光フィルターを通過します。ビームは、ビームスプリッターによってガルバノミラーに向けられ、ガルバノミラーは共焦点顕微鏡対物レンズの焦点面にラスタースキャンを提供します。後方散乱光は対物レンズによって収集され、検出器に集束されます。

まず、顕微鏡の白色光の照射経路を合わせます。ハロゲン光源はカーラー照明下でご使用ください。内部虹彩の位置合わせを確認するには、接眼レンズまたはCCDを介して八角形の鋭いエッジを必ず観察してください。

次に、紙を使って外部の光路を確認します。ビームがビームスプリッターによって部分的に反射され、紙を光路に沿って移動させることによりレーザーに向かって伝播することを確認します。これで、さらに位置合わせを進めるのに役立つ紙のターゲットが用意できます。

ターゲットは、同心円状のリングが付いた薄い紙にする必要があります。これらのターゲットをビーム経路に沿って配置し、ハロゲンビームと位置合わせします。ここでは、ターゲットは対物レンズの背面絞りの所定の位置にあります。

これは、光路に沿った位置にある別のターゲットです。次に、イメージングに使用した532ナノメートルのレーザーをONにして位置合わせを行います。紙のターゲットを使用して、ハロゲンビームの反対側に入射するレーザー光をコリメートします。

ターゲットを取り外して続行する前に、レーザービームの微調整を続けます。レーザーをアライメントした後、実験用に調製した金ナノスフィアサンプルを取得します。このサンプルには、油中に80ナノメートルの金ナノスフィアが含まれています。

混合物は2枚のガラス板の間に密封されています。続いて、サンプルを顕微鏡ステージに取り付け、対物オイルを加えます。この時点で、検出システムをイメージングする準備をします。

光路の端にある光電子増倍管で散乱光を収集します。ビーム経路に沿って戻り、光増倍管からの焦点が合っていない散乱光を遮断するために、直径20マイクロメートルのピンホールがあります。ガルバノミラーとフォトマルチプライヤーをオンにしてイメージングを進めます。

金ナノ粒子の信号で背面スキャナーを見るために、コンピュータのモニターを観察します。バックスキャナーの信号入力を最大化するには、ピンホールの位置とサンプルステージの高さを調整します。共焦点顕微鏡を位置合わせした後、サンプルの散乱非線形性を特徴付けます。

これを行うには、まずパワーメーターを使用して、対物レンズの後のレーザーパワーを測定します。読み取り値は、10 マイクロワット未満で、励起強度が 10 から 4 ワット/センチメートル四方まで対応している必要があります。次に、光増倍管を使用して金ナノ粒子の画像を取得します。

撮影した画像を画像解析ソフトウェアで開き、散乱強度プロファイルを特徴付けます。画像内のナノスフィアの中から金色のナノスフィアを選択し、それを横切る線を引きます。次に、ソフトウェアで必要な手順に従って、散乱プロファイルを取得します。

プロファイルをガウスにフィットさせると、イメージングシステムのアライメントをさらにチェックできます。次に、励起強度を体系的にスキャンし始めます。まず、減光フィルターを変更して励起強度を上げます。

新しい励起強度を決定し、新しい強度レベルで後方散乱画像を記録します。この画像を使用して、以前と同様にナノスフィアの散乱プロファイルを抽出します。散乱プロファイルをプロットし、球の中心にあるその値を散乱信号として特定します。

これらの手順を数回繰り返して、散乱信号と励起強度のプロットを作成します。この図では、青い点がデータを表しています。赤い線は多項式近似です。

散乱信号と励起エネルギーの低値との間には線形関係があります。この線形関係を下回る低下は、飽和が発生したことを示します。次のステップは、単一の金ナノスフィアで分光法を実行することです。

この回路図は、セットアップの概要を示しています。波長範囲が450〜1750ナノメートルのスーパーコンティニュアムレーザー光源を使用します。また、広帯域の50/50ビームスプリッターを使用して、可視スペクトル全体のスペクトルカバレッジを確保します。

光電子増倍管の前に反転ミラーを置き、光を分光器に向けます。電荷結合素子を搭載しています。スーパーコンティニュアムレーザーは、532ナノメートルレーザーと同じ手順でアライメントする必要があります。

スーパーコンティニュアムレーザーの出力では、システムから余分な赤外線電力を取り除くためにいくつかの予防策を講じてください。レーザー出力の直後に可視光反射ミラーを光路に配置してから、ビームを顕微鏡に送ります。ミラーと連動して、ビームダンプを使用して、システムに損傷を与える可能性のある赤外線を収集します。

レーザーを位置合わせして、金ナノスフィアを取得し、画像化します。画像を表示し、研究用の単一のナノスフィアを特定します。入射した広帯域光の焦点を選択したナノスフェアに固定します。

次に、分光器が光路内にあることを確認します。この位置では、反転ミラーが入射光を光増倍管に向けます。ミラーの向きを変えて、入射光を分光器に向けます。

単一の金ナノ粒子の散乱スペクトルに関するデータの収集に進みます。この例のように、測定されるスペクトルは、ナノスフィア散乱と反射によるバックグラウンドの混合物になります。スペクトルを取った後、フリッピングミラーを戻します。

回して光増倍管に光を当てます。別の画像を撮影して、金ナノ粒子の位置が変わっていないことを確認します。次に、広帯域光のピントを粒子のない点に移します。

ミラーを再度交換して、光を分光器に向け、別のスペクトル測定に進みます。新しいスペクトルは背景です。それは金ナノスフィアのスペクトルから差し引かれます。

これは、金ナノスフィアのスペクトルから背景スペクトルを差し引くことによって生成される明確な後方散乱スペクトルです。サンプルの飽和励起顕微鏡法には、異なるセットアップが必要です。飽和励起顕微鏡の概略図です。

レーザー光源は532ナノメートルのレーザーです。50/50ビームスプリッターを使用して、レーザー光源から2つのビームを作成します。各ビームを別々の音響光学変調器に通します。

異なる変調器周波数は、飽和した励起信号の変調周波数として機能するビート周波数を生成します。音響光学変調器からの1次回折ビームを別の50/50ビームスプリッターと組み合わせます。時間変調を監視するには、スライドガラスを使用して、レーザー光のごく一部を光検出器に分割します。

システムを確認するには、フォトディテクターをオシロスコープに接続します。サンプルが所定の位置にないことを確認してください。オシロスコープで光検出器の信号を評価します。

変調とビームのオーバーラップが正しい場合、信号はビート周波数で正弦波である必要があります。この実験では、予想されるビート周波数は 10 キロヘルツです。非線形性を最小限に抑えて、可能な限り完璧な正弦波を実現するように努力してください。

次のステップは、ロックインアンプをシステムに組み込むことです。飽和励起顕微鏡の場合、ロックインアンプは光検出器と光増倍管からの入力を持っています。フォトディテクタの出力をオシロスコープから切り離し、アンプのリファレンス入力に接続します。

光電子増倍管の出力をロックインに接続します amplifier信号入力として。アンプからの出力をデータ集録カードに送信します。この時点で、サンプルを顕微鏡ステージにマウントします。

同じサンプルを、2枚のガラス板の間にオイルシールしたオイルに80ナノメートルの金ナノスフィアを入れて使用します。ロックインに戻ります amplifier測定中。電圧信号の絶対振幅をエクスポートするようにアンプを設定します。

この場合、チャネル1ディスプレイパネルでR"を選択します。基準チャンネルの高調波成分の設定を変更して、飽和励起の単一振幅を取得します。これらのカラー画像は、カスタムソフトウェアを使用して形成され、ロックインアンプからの信号とガルバノモーターの駆動電圧を同期および結合します。

走査型電子顕微鏡の画像は比較用です。画像は、さまざまな高調波成分による解像度の向上を示しています。80ナノメートルの金ナノスフィアの測定スペクトルは赤です。

三重理論を用いて計算されたソリッドカーブは、優れた一致を示しています。局在する表面プラズモン共鳴は580ナノメートルです。上の散乱画像と下の線プロファイルは、励起強度の関数として異なる特徴を持っています。

低強度では、点像分布関数は標準のガウス プロファイルです。強度が高いほど、関数は平坦化され、広がり、飽和を示します。値が大きいほど、中心強度が最大ではないため、ドーナツ型の点像分布関数になります。

最終的に、中心強度は逆飽和時に再びピークになります。このプロットの青色のデータ点は、異なる励起強度での中心強度を示しており、飽和と逆飽和の両方の挙動を示しています。データ点は、赤でプロットされた 5 次多項式に適合されます。

このデータを使用して、高調波周波数成分を抽出できます。高調波成分は、ロックインアンプを使用して直接見つけることもできます。この左のプロットは実験データです。

右のプロットは、5次多項式近似を使用した計算の結果です。どちらのプロットも、曲線に沿って特定の強度でくぼみを示しています。たとえば、2 次高調波の 3 つのディップです。

また、各プロットでは、高調波次数ごとに、最初のディップの後に傾きが増加します。このテクニックをマスターすると、適切に実行すれば3時間未満で完了できます。この手順を試行する際には、正弦波変調の品質、検出システムの直線性、およびサンプルの機械的安定性を確認することが重要です。

このビデオを見れば、プラズモニックナノ構造からの非線形散乱に基づく分解能向上を実現する方法について十分に理解できるはずです。この技術は、超解像顕微鏡の分野の研究者が、他の基本的な光と物質の相互作用における新しいコントラストを探求するための意欲的なサンプルを提供します。