Name: 金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: 学ぶ金ナノロッドの光駆動回転とトルク測定法。円偏光光学トラップを用いてナノスケールのブラウン運動と光角運動量移行を解析し、ナノテクノロジー研究に応用する。

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この作品は、クヌートとアリス バレンベリー財団、スウェーデン研究評議会、事前ナノサイエンスとナノテクノロジーのチャルマーズ エリアによって支えられました。

<ol><li>Andrén, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+photothermal+effects+on+optically+trapped+gold+nanorods+by+simultaneous+plasmon+spectroscopy+and+brownian+dynamics+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Probing photothermal effects on optically trapped gold nanorods by simultaneous plasmon spectroscopy and brownian dynamics analysis.</a> ACS Nano. 11 (10), 10053-10061 (2017).</li>
<li>Shao, L., Yang, Z. -J., Andrén, D., Johansson, P., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanorod+rotary+motors+driven+by+resonant+light+scattering%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Gold nanorod rotary motors driven by resonant light scattering.</a> ACS Nano. 9 (12), 12542-12551 (2015).</li>
<li>Lehmuskero, A., Ogier, R., Gschneidtner, T., Johansson, P., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+spinning+of+gold+nanoparticles+in+water+using+circularly+polarized+light%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Ultrafast spinning of gold nanoparticles in water using circularly polarized light.</a> Nano Letters. 13 (7), 3129-3134 (2013).</li>
<li>Šípová, H., Shao, L., Odebo Länk, N., Andrén, D., Käll, M. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.8b00034">Photothermal DNA release from laser-tweezed individual gold nanomotors driven by photon angular momentum.</a> ACS Photonics. , (2018).</li>
<li>Hajizadeh, F., et al. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=optica-4-7-746">Brownian fluctuations of an optically rotated nanorod.</a> Optica. 4 (7), 746-751 (2017).</li>
<li>Tong, L., Miljkovic, V. D., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alignment%2C+rotation%2C+and+spinning+of+single+plasmonic+nanoparticles+and+nanowires+using+polarization+dependent+optical+forces%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Alignment, rotation, and spinning of single plasmonic nanoparticles and nanowires using polarization dependent optical forces.</a> Nano Letters. 10 (1), 268-273 (2009).</li>
<li>Lehmuskero, A., Li, Y., Johansson, P., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonic+particles+set+into+fast+orbital+motion+by+an+optical+vortex+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Plasmonic particles set into fast orbital motion by an optical vortex beam.</a> Optics Express. 22 (4), 4349-4356 (2014).</li>
<li>Lehmuskero, A., Johansson, P., Rubinsztein-Dunlop, H., Tong, L., Käll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+trapping+of+colloidal+metal+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Laser trapping of colloidal metal nanoparticles.</a> ACS Nano. 9 (4), 3453-3469 (2015).</li>
<li>Shao, L., Käll, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201706272/full">Light-driven rotation of plasmonic nanomotors.</a> Advanced Functional Materials. , In Press (2018).</li>
<li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+letters%22%5BJournal%5D)">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Optics letters. 11 (5), 288-290 (1986).</li>
<li>Neuman, K. C., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+scientific+instruments%22%5BJournal%5D)">Optical trapping.</a> Review of scientific instruments. 75 (9), 2787-2809 (2004).</li>
<li>Chu, S., Hollberg, L., Bjorkholm, J. E., Cable, A., Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+viscous+confinement+and+cooling+of+atoms+by+resonance+radiation+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure.</a> Physical Review Letters. 55 (1), 48(1985).</li>
<li>Svoboda, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+of+metallic+Rayleigh+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Optical trapping of metallic Rayleigh particles.</a> Optics Letters. 19 (13), 930-932 (1994).</li>
<li>Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stretching+DNA+with+optical+tweezers%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+journal%22%5BJournal%5D)">Stretching DNA with optical tweezers.</a> Biophysical journal. 72 (3), 1335-1346 (1997).</li>
<li>Friese, M. E. J., Nieminen, T. A., Heckenberg, N. R., Rubinsztein-Dunlop, H. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/nature/journal/v394/n6691/abs/28566.html">Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles.</a> Nature. 394 (6691), 348-350 (1998).</li>
<li>Gao, W., Wang, J. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/nr/c4nr03124e">Synthetic micro/nanomotors in drug delivery.</a> Nanoscale. 6 (18), 10486-10494 (2014).</li>
<li>Li, M., Lohmüller, T., Feldmann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+injection+of+gold+nanoparticles+into+living+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Optical injection of gold nanoparticles into living cells.</a> Nano Letters. 15 (1), 770-775 (2014).</li>
<li>Nelson, B. J., Kaliakatsos, I. K., Abbott, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microrobots+for+minimally+invasive+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+review+of+biomedical+engineering%22%5BJournal%5D)">Microrobots for minimally invasive medicine.</a> Annual review of biomedical engineering. 12, 55-85 (2010).</li>
<li>Balk, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kilohertz+rotation+of+nanorods+propelled+by+ultrasound%2C+traced+by+microvortex+advection+of+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Kilohertz rotation of nanorods propelled by ultrasound, traced by microvortex advection of nanoparticles.</a> ACS Nano. 8 (8), 8300-8309 (2014).</li>
<li>Chen, H., Shao, L., Li, Q., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanorods+and+their+plasmonic+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Gold nanorods and their plasmonic properties.</a> Chemical Society Reviews. 42 (7), 2679-2724 (2013).</li>
<li>Maier, S. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMaier%2C+SA+%22Plasmonics%3A+fundamentals+and+applications%22">Plasmonics: fundamentals and applications</a>. , Springer Science & Business Media. (2007).</li>
<li>Xu, H., Bjerneld, E. J., Käll, M., Börjesson, L. <a target="_blank" href="https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.83.4357">Spectroscopy of single hemoglobin molecules by surface enhanced Raman scattering.</a> Physical Review Letters. 83 (21), 4357(1999).</li>
<li>Chen, H., Kou, X., Yang, Z., Ni, W., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape-and+size-dependent+refractive+index+sensitivity+of+gold+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Shape-and size-dependent refractive index sensitivity of gold nanoparticles.</a> Langmuir. 24 (10), 5233-5237 (2008).</li>
<li>Ruijgrok, P. V., Verhart, N. R., Zijlstra, P., Tchebotareva, A. L., Orrit, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brownian+fluctuations+and+heating+of+an+optically+aligned+gold+nanorod%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Brownian fluctuations and heating of an optically aligned gold nanorod.</a> Physical Review Letters. 107 (3), 037401(2011).</li>
<li>Pelton, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+and+alignment+of+single+gold+nanorods+by+using+plasmon+resonances%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Optical trapping and alignment of single gold nanorods by using plasmon resonances.</a> Optics Letters. 31 (13), 2075-2077 (2006).</li>
<li>Hansen, P. M., Bhatia, V. K., Harrit, N., Oddershede, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Expanding+the+optical+trapping+range+of+gold+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Expanding the optical trapping range of gold nanoparticles.</a> Nano Letters. 5 (10), 1937-1942 (2005).</li>
<li>Ni, W., Ba, H., Lutich, A. A., Jäckel, F., Feldmann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancing+Single-Nanoparticle+Surface-Chemistry+by+Plasmonic+Overheating+in+an+Optical+Trap%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Enhancing Single-Nanoparticle Surface-Chemistry by Plasmonic Overheating in an Optical Trap.</a> Nano Letters. 12 (9), 4647-4650 (2012).</li>
<li>Liu, M., Zentgraf, T., Liu, Y., Bartal, G., Zhang, X. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nnano.2010.128">Light-driven nanoscale plasmonic motors.</a> Nature nanotechnology. 5 (8), 570-573 (2010).</li>
<li>Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-optical+control+of+microfluidic+components+using+form+birefringence%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">All-optical control of microfluidic components using form birefringence.</a> Nature Materials. 4 (7), 530-533 (2005).</li>
<li>Jones, P., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19856981">Rotation detection in light-driven nanorotors.</a> ACS Nano. 3 (10), 3077-3084 (2009).</li>
<li>Bonin, K. D., Kourmanov, B., Walker, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light+torque+nanocontrol%2C+nanomotors+and+nanorockers%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Light torque nanocontrol, nanomotors and nanorockers.</a> Optics Express. 10 (19), 984-989 (2002).</li>
<li>Arita, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotational+dynamics+and+heating+of+trapped+nanovaterite+particles%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Rotational dynamics and heating of trapped nanovaterite particles.</a> ACS Nano. 10 (12), 11505-11510 (2016).</li>
<li>Lee, Y. E., Fung, K. H., Jin, D., Fang, N. X. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1405.0239">Optical torque from enhanced scattering by multipolar plasmonic resonance.</a> Nanophotonics. 3 (6), 343-350 (2014).</li>
<li>Kyrsting, A., Bendix, P. M., Stamou, D. G., Oddershede, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat+profiling+of+three-dimensionally+optically+trapped+gold+nanoparticles+using+vesicle+cargo+release%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Heat profiling of three-dimensionally optically trapped gold nanoparticles using vesicle cargo release.</a> Nano Letters. 11 (2), 888-892 (2010).</li>
<li>Andres-Arroyo, A., Wang, F., Toe, W. J., Reece, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intrinsic+heating+in+optically+trapped+au+nanoparticles+measured+by+dark-field+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Intrinsic heating in optically trapped au nanoparticles measured by dark-field spectroscopy.</a> Biomedical Optics Express. 6 (9), 3646-3654 (2015).</li>
<li>Ye, X., Zheng, C., Chen, J., Gao, Y., Murray, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+binary+surfactant+mixtures+to+simultaneously+improve+the+dimensional+tunability+and+monodispersity+in+the+seeded+growth+of+gold+nanorods%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Using binary surfactant mixtures to simultaneously improve the dimensional tunability and monodispersity in the seeded growth of gold nanorods.</a> Nano Letters. 13 (2), 765-771 (2013).</li>
<li>Arias-González, J. R., Nieto-Vesperinas, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+forces+on+small+particles%3A+attractive+and+repulsive+nature+and+plasmon-resonance+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22JOSA+A%22%5BJournal%5D)">Optical forces on small particles: attractive and repulsive nature and plasmon-resonance conditions.</a> JOSA A. 20 (7), 1201-1209 (2003).</li>
<li>Berg-Sörensen, K., Flyvbjerg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Power+spectrum+analysis+for+optical+tweezers%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Power spectrum analysis for optical tweezers.</a> Review of Scientific Instruments. 75 (3), 594-612 (2004).</li>
<li>Gittes, F., Schmidt, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interference+model+for+back-focal-plane+displacement+detection+in+optical+tweezers%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Interference model for back-focal-plane displacement detection in optical tweezers.</a> Optics Letters. 23 (1), 7-9 (1998).</li>
<li>Verre, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metasurfaces+and+colloidal+suspensions+composed+of+3D+chiral+Si+nanoresonators%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Metasurfaces and colloidal suspensions composed of 3D chiral Si nanoresonators.</a> Advanced Materials. 29 (29), (2017).</li>
<li>Verre, R., Odebo Länk, N., Andrén, D., Šípová, H., Käll, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201701253/abstract">Large-scale fabrication of shaped high index dielectric nanoparticles on a substrate and in solution.</a> Advanced Optical Materials. , In Press (2018).</li>
</ol>

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このプロトコルで記述されている光学トラップのセットアップは商業倒立顕微鏡周辺や赤色レーザー光を使用しています。ただし、記載されている技術は多目的で、最も商業的または自作顕微鏡、両方直立周り円偏光ピンセットを構築し、反転とのわずかな変化に使用することができます。光学部品および検出器の残りの部分は、この特定の波長で機能する限り、ワイド表示-近赤外スペクトル内トラップ レーザー波長を選択できます。それにもかかわらず、レーザーの波長を選択すると、サイズと操作される粒子の共鳴スペクトル近く考慮すべき光捕捉力と回転性能2、5に影響があるので光熱効果1、およびトラッピング安定性26の大きさ。我々 は以前正常に 660, 785, 830、1064 nm のレーザー光の波長を用いた円偏波レーザー ピンセットで働いています。
光学トラップのセットアップの最も重要なコンポーネントの 1 つは、対物レンズです。このプロトコルの目的は NA と乾燥系対物レンズ = 0.95。乾燥系対物レンズの使用は実験的、セットアップの簡単な実現しかし、それは、サンプル細胞インターフェイスの屈折による収差に します。今回のケースでは、結果は回折限界 (~0.4 μ m) と比較してわずかに拡大フォーカス スポット (~1.2 μ m) が、これはプラットフォームの一般的なまたはロータリー パフォーマンス大幅変わりません。プリンシパル、顕微鏡対物レンズの広い範囲を使用、トラッピング波長、良い偏光メンテナンスおよび顕微鏡カバー スリップと水の層を介してトラップを実行するのに十分な長さの作動距離で良好な伝送を持って提供することができます。2 D トラップの場合 NA でき比較的低が実験全体が簡単になりますフォーカスで円偏波クリーナーを提供します。ただし、高いレーザー高 NA 対物の場合よりも必要があります。我々 の経験では、トラッピング、最高のパフォーマンスで回転と暗視野の分光は、NA 0.7-0.95 の目的で取得されますが高いと同様に低 NA の目標を使用することが可能です。
回転運動の相関測定良い光子を取得、高速単一ピクセル検出器が必要です。少なくとも 2 つの帯域幅を検出器の選択、シェープファクター縮退とトラッピング波長に高い感度を乗じた予想回転数以上できれば 10 回使用します。増幅された Si 受光素子、単一光子計数 Apd、および光電子増倍管は、当社の研究所で異なる設定で成功を収めて使用されています。計測・粒子の並進変位パワー スペクトル解析5など十分に確立された技術を使用して分析し、たとえばトラップ剛性上の追加情報を取得できます。以前の出版物の数は、この技術38,39の異なる亜種をについて説明します。DF 分光法は、様々 なフリー スペースを使用して実行できますまたはファイバー結合分光と選択計画の研究に必要な時間分解能の波長とスペクトルの範囲に基づく必要があります。
トラップ実験を実行すると、追加のパーティクルは誤ってトラップを入力可能性があります。これは、障害により強く変動回転周波数を監視することで検出できます。DF 顕微鏡による目視検査が追加の粒子の存在を確認する使用できます、その場合さらに妨害を避けるために舞台を移動できるまたは実験は、再起動する必要があります。
上記システムは、2 D の閉じ込めと金属ナノ粒子の回転を実現するためにシンプルかつ効率的な方法です。ただし、一部のアプリケーション、3 D トラップに付属している操作のための余分な自由度が重要ですは、現在の構成制限。ただし、3次元閉じ込めと回転可能性があります達成可能なレーザー ピンセットやエキゾチックなトラップ構成を反映するカウンターを用いた。
粒子とシステムのパラメーターは、ここで説明は、4~ 15 K の下に暖房光熱を減らすように最適化することができます。、温度上昇の金属ナノ粒子のプラズモン励起に関連付けられている特定の問題が発生することができます。アプリケーション。さらに熱を低減可能なルートは、プラズモニック粒子ではなく高指数誘電体ナノ粒子を使用することです。このような粒子は強い三重型散乱光の共振をサポートが、同時に低固有の吸収係数を示します。我々 は最近この点40,41に有用証明するかもしれないコロイド状共振 Si のナノ粒子を製造することができた。

この記事で紹介した方法は、金ナノロッドの光駆動モータに影響を及ぼすナノスケール光熱効果を研究する私たちの前の作業1で使用されているレプリケートします。実験プラットフォームの亜種がいくつか出版物を関連付けた2,3,4,5,6,7,8、で使用されています9。
光ピンセットは広く物理学、生物学、工学10、11,12,13,14 の小さい長さのスケールの位置、力および直線的運動量伝達の制御に使用します。.円偏光によって運ばれる角運動量は、それは継続的に閉じ込められたオブジェクト15にトルクを伝達するため追加モーション コントロールを使用できます。組み合わせることで光の線形および角運動量の伝達、それは単一セル16,17ナノスケールに薬物送達などの多様なアプリケーションの可能性と非侵襲的なロータリー ナノモーターを構築することは、手術18、およびアクティブな流体素子19、他の中で。
光駆動操作の対象として金属ナノ粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴 (LSPR) 大きい光横断、環境の変化や大規模なフィールドに高い感度を提供するの利点を活用 1 つ強化20,21,22,23。これはプラズモニクスと光マニピュレーション8,24,25,26,27間界面研究の富をもたらした。LSPR によって提供される強力な光と物質の相互作用は、円偏光レーザー ピンセット、水2でレコードの回転周波数で回転する金属ナノロッドを駆動可能なプラットフォームを設計することになりました。回転ナノロッドのブラウン運動を追跡するには、その環境と温度の詳細については、3、5に取得できます。同時分光分析は、分析のローカル温度の追加独立した情報チャネルと回転ナノロッド1の形態安定性を提供します。システムおよび構成の範囲は勉強、光ピンセット、フィールド15,28,29,30内の重要な洞察力を生成する回転運動を適用するために使用されています。,31,32します。 ただし、これらの研究のほとんどを扱っているオブジェクト直径数 μ m 単一ナノロッドは、ナノメートル サイズの政体にアクセス中です。さらに、時金ナノロッドは、ロータリー ナノモータ、トルクとして使用される効率的に移転主を介して散乱2,33これは捕捉粒子3,34,35の過熱のリスクを減少させます。
次の方法で効率的な光トラッピングと金属ナノ粒子の回転の可能なシステムの構築に必要な手順の概要を説明します。これらの研究において金ナノロッド高散乱断面積、放射圧が伝播方向に取り消さない限り勾配力よりも強いことが判明します。まだ 3 D で粒子を閉じ込めて、ガラス面からのクーロン斥力と伝搬方向のレーザー散乱力バランス力を駆使します。この 2 D トラップ構成標準の 3 D 光学ピンセットと比較すると、トラップ可能な粒子の幅が大きく広がるし、暗視野イメージングと分光と簡単に組み合わせることができます。
閉じ込められ回転金属ナノ粒子はその環境を操作し、この相互作用の詳細については、その動きとスペクトル特性に含まれています。円偏光光ピンセットを構築する方法を説明した後したがってもまとめました回転ダイナミクスを探るため、実験のセットアップでレイリー散乱スペクトルを測定するための計測器を統合する方法。結果は、物理学、化学、生物学におけるナノスケール回転現象の研究のため汎用性の高いプラットフォームです。
このプロトコルでは、研究者に適したコロイド金属ナノ粒子、できれば単一結晶金ナノロッドにアクセスがあることを前提としています。金ナノロッドは、専門にされた会社から購入または湿式化学方法を使用して家の中を合成できます。実験に用いたナノロッドがあなたがたに記載されている種を介した成長法によって作られたet al.201336。形態とナノ粒子の光学特性がよく特徴付けられる、たとえば光消光測定、走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して場合有利です。図 1は、代表ナノロッドの種類1のような測定から記録されたデータを表示します。
プロトコルの概要は以下のとおりです: 最初のセクションで円偏波に基づく光学ピンセットの構築について述べる。2 番目のセクションでその回転力学および散乱特性を記録することによってナノモータから情報を抽出する方法について述べる。ローテーションの頻度と捕捉粒子の回転ブラウン運動によって測定される光子相関分光法を用いた反射レーザー光高速単一ピクセル検出器3の直線偏光子で濾過します。理論的自己相関関数にデータを書き込むことによって回転周波数と回転ブラウン拡散の減衰時間は、抽出された2,3をすることができます。閉じ込められ回転ナノ粒子の光学特性は、粒子とその環境に関する補足情報を提供する暗視野分光法を用いた測定されます。3 番目のセクションでのトラッピングと金ナノロッドの回転実験手順をについて説明します。
ここまで説明されているプロトコルは、ナノ粒子の回転の機能偏光ピンセット システムへの簡単なパスです。しかし、時々 問題が発生する追加の注意を要求します。4 番目のセクションでは、我々 は発生した一般的な問題のいくつかとそれらに対処する方法を概説します。これらの貧しいトラップ安定性 (4.1) につながるナノ粒子の光学特性に関連する問題があります、最適な円偏光ビームスプリッター複屈折 (4.2) によって引き起こされるため回転周波数を低ガラス面にナノ粒子の付着不十分なクーロン斥力 (4.3) と特徴的な自己相関信号 (4.4) からの偏差。

<table><tbody><tr><td>金ナノ粒子</td><td></td><td></td><td>購入または自家製</td></tr>の<tr><td>商業用倒立顕微鏡</td>ニ<td>コン</td><td>エクリプスTI</td><td></td></tr><tr><td>トラッピングレーザー</td><td>コボルト</td><td>フラメンコ05-01&nbsp;</td><td>660 nm</td></tr>の<tr><td>Objective</td><td>Nikon</td><td>CFI Plan Apo Lambda 40X</td><td></td></tr><tr>レーザーの安全性は、光学系を取り付けるための<td>Thorlabs</td><td>LG4</td><td></td>Assorted optomechanicalコンポーネント<td>をグーグルで検索します</td></tr><tr><td>。</td><td></td><td></td><td>あらゆる会社のマウント、ポスト、コンポーネントの範囲</td></tr><tr><td>レンズ 1 ケプラリアン望遠鏡</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-035-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>レンズ 2 ケプラーリアン望遠鏡</td><td>Thorlabs</td><td>LA1725-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>シルバーコーティングミラー</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>キネマティックミラーマウント</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>翻訳ステージ</td><td>Thorlabs</td><td>PT1/M</td><td>数量: 2</td></tr><tr><td>50/50 R/T ビームスプリッター</td><td>Chroma</td><td>21000</td><td></td></tr><tr><td>CMOSカメラ</td><td>Andor</td><td>Zyla 5.5</td><td></td></tr><tr><td>Quarter 波長板 (QWP, &λ;/4)</td><td>Thorlabs</td><td>AQWP05M-600</td><td></td></tr><tr><td>パワーメーター</td><td>Thorlabs</td><td>PM100USB</td><td></td></tr><tr><td>フォトダイオード パワーセンサー</td><td>Thorlabs</td><td>S121C</td><td></td></tr><tr><td>直線偏光子</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td>レーザー偏光測定用</td></tr><tr><td>360°回転マウント</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>半波長板(HWP、 &λ/2)</td> <td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td>QWPオイルのみで偏光が足りない場合に使用</td></tr><tr><td>DFコンデンサー</td><td>ニコン</td><td>C-DO暗視野コンデンサーオイル&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>30/70 R/T ビームスプリッター</td><td>Chroma</td><td>21009</td><td></td></tr><tr><td>高速 Si 検出器</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>データ収集モジュール</td><td>National Instruments</td><td>USB-6361</td><td></td></tr><tr><td>ファイバー 400 &micro;m コアサイズ</td><td>Thorlabs</td><td>M74L01</td><td></td></tr><tr><td>XY平行移動マウント</td><td>Thorlabs</td><td>LM1XY/M</td><td></td></tr><tr><td>直線偏光板</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td></td></tr><tr><td>Spectrometer</td><td>Princeton Instruments&nbsp;</td><td>アイソプレーン SCT320&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>分光器用CCDカメラ</td><td>プリンストン・インスツルメンツ&nbsp;</td><td>PyLoN&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>ノッチ</td><td>フィルターSemrock</td><td>NF03-658E-25</td><td></td></tr><tr><td>ノッチ</td><td>フィルターThorlabs</td><td>NF658-26</td><td></td></tr><tr><td>超音波クリーナーバス</td><td>ブランソン</td><td>ブランソン3510&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>顕微鏡スライド</td><td>Ted Pella</td><td>260202</td><td></td></tr><tr><td>No. 1.5 Coverslips</td><td>VWR</td><td>630-2873</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>塩基性洗剤</td><td>Hellma</td><td>Hellmanex III</td><td>粒子の付着が問題になる場合のクリーニング</td></tr><tr><td>Secure-Seal Spacer</td><td>Thermo Fisher</td><td>S24735</td><td>穴あきスペーサーテープ、サンプルセル作成用浸</td></tr><tr><td>漬油</td><td>Zeiss</td><td>444960-0000-000&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PSビーズ</td><td>Microparticles GmbH</td><td>PS-R-5.0</td><td></td></tr><tr><td>分光光度計</td><td>Agilent</td><td>Cary 5000 UV-VIS-NIR</td><td></td></tr><tr><td>SEM</td><td>Zeiss</td><td>Ultra 55 FEG SEM</td><td></td></tr><tr><td>ピンセット</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

生成して回転とナノスケールでトルクを測定する可能性研究と生物と人工ナノモーターのアプリケーションに基本的な関心は、単一細胞解析へ新ルート、非平衡の研究を提供することが熱力学、及びナノスケール システムの機械的作動。ドライブ回転する安易な方法は、ピンセットで円偏光レーザー光を使用します。このアプローチを使用すると、金属ナノ粒子を水で前例のない回転周波数で回転効率の高い散乱駆動ロータリー モーターとして操作できます。
このプロトコルでは、我々 は建設とナノ粒子回転の円偏光の光ピンセットの操作概要し、ブラウン動力学と捕捉粒子のレイリー散乱を記録するために必要なインストルメンテーションを記述します。回転運動と散乱スペクトル、ナノ粒子および直近の環境の特性に独立した情報を提供します。実験プラットフォームは、粘度とナノロッドと分子コーティングの形態学的変化を追跡するためのローカル温度のナノメートル ゲージおよびトランスデューサーと光熱と熱力学的プロセスのプローブとして有用な証明されています。

回転と円偏光レーザー ピンセットで捕捉されて正しく金ナノロッドの回転ブラウン運動は、シングル ピクセル検出器を用いた光散乱強度変動 (図 3 a) を記録することによって検出できます。この信号の自己相関スペクトルには、振動のコンポーネントには、図 3bに示すようが含まれています。これは、理論的な自己相関関数に合うことができます。継ぎ手は、ローテーションの頻度とナノロッドの回転ブラウン変動に関連している自己相関の減衰時間を抽出できます。
プロトコル (4.4.2 命令) で述べたように、光子相関分光法の反射レーザー光を収集するために十分に太い光ファイバーのコアの使用が不可欠です。場合はない場合は、プローブ ボリュームのうち粒子翻訳に関連する追加の崩壊という用語は相関関数に存在する、図 4を参照してください。これはシステムの詳細についてを提供できるを通じて慎重な分析ただし、データに含まれる回転ブラウン動力学の解析が複雑になります。
セクション 3.5 で説明されているように閉じ込められたナノ粒子から正しい DF 散乱スペクトルを取得、生のスペクトル データを校正する必要があります。これは、バック グラウンド スペクトル (図 5 a) と同様、照明ランプのスペクトルを記録することによって行われます。高強度レーザー光に対して、ナノロッドが閉じ込められて、基板などのガラス面に着目したときいくつかの蛍光が発生する可能性が (図 5 aのバック グラウンド スペクトルの赤いスペクトルの貢献を参照してください)。この蛍光汚染は、溶融石英基板を用いた削減できます。しかし、とにかく強くお勧め正しいレーザー パワーで空の光学ピンセットでバック グラウンド スペクトルを記録します。とき散乱スペクトルが記録され、スペクトルは、情報を抽出する bi ローレンツピークプロファイル フィット関数とエネルギー スケールで合うことができるため、実際のナノ粒子散乱に関連していないすべてのスペクトル成分を補償されている関連、LSPR ピーク位置 (図 5 b)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> 図 1: SEM 像とアンサンブル絶滅スペクトルの 2 つのバッチから代表的なナノ粒子、)スケール バーは、200 nm。b)レッド/隣接の SEM イメージ、) それぞれ赤/青のスペクトルに対応します。横と縦の LSPRs に関連するスペクトルのピークが明確に区別できます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> 図 2: ナノ粒子の回転の測定のための光ピンセット セットアップの模式図.レーザー光は平行しケプラー式望遠鏡で拡大し、その後 (M1, M2) 2 つの可動式ミラーを使用して客観的かつビームスプリッター (BS) に誘導。レーザーの経路に 2 波長板は、光学ピンセット (λ/4、λ/2) の円偏光を最適化します。後方散乱のレーザー光は、直線偏光子光子相関分光法と回転ダイナミクス計測後収集できます。レーザー光を取り出したら、散乱白色光が分光計やカメラに導かれます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> 図 3: カーブを持つ代表的な強度と相関データに適した閉じ込められ回転ナノロッド、) 。1 と変動の拡大のプロットの直線偏光子後単一ピクセル検出器によって記録された強度が変動します。b)反射レーザー光から収集された回転金ナノロッド (ブルー ポイント) の強度ゆらぎの Autocorrelated データ。データは、いくつかの期間の後崩壊の振動を示しています。振動減衰は回転ブラウン運動のために対し、ナノロッドの回転周波数に関連しています。A 理論的な自己相関関数にフィットを実行fの回転周波数を抽出する (赤い線) = 24285 ± 45 Hz と相関減衰時間τ0 = 40.9 ± 1.06 μ s。Fとτ0の不確実性は、フィット、0.9877 の定量 (R2) の係数の 95% 信頼区間を表しています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> 図 4: の光子相関分光測定あまりにも小さなプローブ ボリュームの問題、) 。回転金ナノロッドの自己相関データ収集厚 (400 μ m、青いデータ) と、薄い (62.5 μ m、赤のデータ) を使用して光ファイバー。太い繊維を使用して、コレクションを保証、ナノロッドがプローブ ボリューム内で常に限られていることおよび自己相関関数が回転力学のみを測定します。並進ブラウン運動のため追加崩壊用語は、プローブ ボリュームが十分でない場合です。B)とc)、効果の模式図と裏面照射型のコレクション領域の画像を表示します。スケール バーは、2 μ m.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> 図 5: 660 nm のレーザー光により光捕捉された金ナノロッドの模範的な暗視野散乱スペクトル記録します。630 670 nm (1.85 1.97 eV) がトラップ レーザー光を遮断するために必要なノッチ フィルターにより歪んでスペクトルの地域。、)生散乱スペクトル (紺) 粒子の散乱に固有ではないのためにキャリブレーションする必要がありますの機能を表示します。高集束レーザー光によって励起された蛍光を含むバック グラウンド スペクトル (赤)、および白の光励起スペクトルが含まれます (オレンジ、ノッチ フィルターなしで記録された)。キャリブレーション後修正された散乱スペクトル (ライトブルー) は期待どおりに 2 つの異なる LSPR ピークを示しています。矢印は、各スペクトルのスケールを示します。b) (ライトブルー、オレンジ) 成分 (赤) bi ローレンツピークプロファイル モデル関数に合わせると共に閉じ込められたナノロッド (ブルー ポイント) の散乱スペクトル。データのフィッティングで歪んだスペクトル領域を無視して、フィットが 0.9975 のR2 .<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

金ナノロッドのプラズモンを液体の中に閉じ込めし、円偏光の光ピンセットによる kHz の周波数で回転できます。研究と科学のさまざまな分野のアプリケーションのための強力なシステムにつながるブラウン動力学解析と光分光のためのツールを紹介します。

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

この実験システムの全体的な目標は、円偏光ピンセットを使用してナノスケールで回転とトルクを生成し、測定することです。回転する物体は、ブラウンダイナミクス解析や光散乱分光法のための追加の装置を使用して調査することができます。この方法は、ナノスケールの熱および光学物理学における重要な質問に答えるのに役立ちます。例えば、ナノ粒子のブラウン拡散と光学角運動量のナノ粒子への移動に関連しています。この技術の主な利点は、高周波で安定したナノ粒子の回転を可能にし、測定によってナノ粒子とその周辺環境に関する詳細な情報が得られることです。これは、光ピンセットのセットアップで集束レーザービームによって金属ナノ粒子を捕捉するという考え方です。トラッピングレーザーが円偏光されている場合、光からの角運動量の伝達によりナノ粒子が回転します。適切な倒立顕微鏡を中心にセットアップを構築します。このセットアップには、光ピンセットとトラップされた粒子の測定の両方の要素が含まれています。これは、セットアップの概略図です。ここでは、光ピンセットの要素に焦点を当てます。最大500ミリワットの安定した出力を持つ660ナノメートルの直線偏光レーザーを選択してください。ケプラー式望遠鏡構成のレンズを使用して、ビームを拡大します。キネマティックマウントのミラーを使用して、レーザービームを顕微鏡に向けます。顕微鏡内で、50 50ビームスプリッターを使用してレーザー光を対物レンズに結合します。アライメントとデータ収集のために、反射光の経路にカメラを含めます。この場合、顕微鏡内の回転ミラーが光を顕微鏡に向けることができます。ケプラーレンズを調整してビームを拡大します。ビームをトラップ対物レンズの後部開口部よりわずかに大きくして、焦点を最適化します。ビームパスに沿って移動して、コリメーションを確認します。ビームの直径は、対物レンズに伝播するため、一定である必要があります。レーザーをスライドガラスまたは鏡に集束させます。ビームパス内のミラーで微調整を行います。不適切に位置合わせされたレーザーは、放射状に対称でない強度パターンを示します。レーザーが整列している場合、焦点の上下に焦点を変更するときに、その強度パターンは放射状に対称になります。次に、1/4波長板を導入してビームを円偏光します。高速軸が光の直線偏光に対して45度になるように向きを変えます。最適な回転性能を得るには、レーザーの良好な円偏光を持つことが重要です。この段階で問題が発生した場合は、ビーム経路内の光学部品の逆複屈折を修正するために、半波長板を挿入してください。最後に、油浸コンデンサーを使用して暗視野システムとカラー照明を設定します。光子相関分光法の要素を修復します。ビームスプリッターを取り付けて、顕微鏡からの光をポートにリダイレクトします。ポートに、直線偏光子のアセンブリを置き、続いて収集ファイバーを備えたXYステージを置きます。x y 変換ステージで収集ファイバーに光を当てます。ファイバーは最終的に高速のシングルピクセルシリコンフォトダイオードに送られます。収集ファイバーのコアサイズが、並進ブラウン運動によるナノ粒子のエクスカーション中にナノ粒子の画像を含むのに十分な大きさであることを確認してください。この基準が満たされない場合、収集されたデータの解釈が困難になる可能性があります。収集ファイバーを整列させるには、可視光を結合していない端に結合します。これにより、顕微鏡で基板が照らされ、ファイバーの収集領域の訪問が可能になります 翻訳ステージでファイバーの位置を調整します。収集領域が光トラップの位置と一致すると停止します。次に、ファイバーの端を光源から検出器に移動します。この図では、これらの要素は光子相関分光法に必要なセットアップを表しています。暗視野分光法のセットアップでは、分光器を所定の位置に設置します。反射ビームの経路にミラーがある分光器に光を向けます。この場合、ミラーは顕微鏡本体と一緒に配置されます ミラーの前にノッチフィルターを使用して、トラップレーザー光を除去します。ガイディングミラーを調整して、光ピンセットが分光器のスリットと一致するようにします。まず、実験用の粒子を準備します。脱イオン水中の粒子を適切な濃度に希釈します。希釈した溶液を2分間超音波処理して凝集体を分解し、均一な分散液を作成します。次に、サンプルセルを準備します。顕微鏡のスライドとカバーガラスを使用してください。アセトンでそれぞれ5分間超音波処理し、続いてイソプロパノールで超音波処理します。完了したら、スライドガラス上に深さ100マイクロメートルのスペーサーテープウェルを作成します。希釈したナノ粒子溶液を2マイクロリットルウェル内に分散させます。また、カバーガラスに2マイクロリットルを堆積させます。セルの 2 つの部分を一緒にします。チャンバー内に気泡があってはなりません。細胞を顕微鏡ステージに移動します。そこに、サンプルの上に1つのドロップインデックスに一致する浸漬油を置きます。コンデンサーにもう一滴垂らします。トラッピングレーザーをブロックした状態で実験を開始します。暗視野イメージングシステムでの観察により、適切な粒子を同定します。レーザーのブロックを解除し、ステージとフォーカスを操作して、粒子を水ガラス界面に向かって前方に押し出します。回転ダイナミクス測定では、シリコン光検出器で強度振動を収集します。分光測定では、密に分散した均一散乱ポリスチレンビーズの基板から始めます。基板散乱応答からの白色光スペクトルを記録します。次に、顕微鏡のビーズサンプルをナノ粒子サンプルと交換します。トラップスポットからの迷光で背景スペクトルを記録します。次に、検出器からのすべての光をブロックし、この条件下で暗いスペクトルを記録します。ビームからブロックを取り出し、最後にナノ粒子をトラップし、それに関連する生のスペクトルを記録します。これらは、トラップされた回転するナノロッドからの後方散乱レーザー光の強度変動です。このような未処理のデータから、どのような時間スケールでも情報を抽出することは困難です。しかし、強度データが自己相関している場合、ナノロッドの回転周波数に関連する振動を示します。数周期後の振動減衰は、回転ブラウン運動によるものです。赤い線は、回転運動に関する詳細情報を抽出できる理論的な自己相関関数に適合しています。ここでは、トラップされたナノロッドからの生の散乱強度が濃い青色です。ノッチフィルターの存在により歪んでいます。ナノロッドの散乱スペクトルを分離するには、背景スペクトル(赤)と白色光励起スペクトル(オレンジ)で生データを較正します。これが補正された散乱スペクトルです。スペクトルは、予想通り、2つの異なる局在した表面プラズモン共鳴を示しています。このプロットでは、青い点はトラップされたナノロッドからの散乱スペクトルであり、歪んだスペクトル領域は無視されます。赤い曲線は、双ローレンツモデル関数の適合値です。適合部品は水色とオレンジ色です。セットアップが構築され、技術が習得されると、適切に実行されれば、光トラッピングと回転の実験を数時間で行うことができます。この手順を試みる際には、レーザーの青色波長側で共鳴を支配する適切なナノロッドを使用することを覚えておくことが重要です。また、共鳴ピークが明確に分離されている必要がありますが、安定してトラップするのに十分な大きさの物理的である必要があります。ナノロッド回転実験用の光ピンセットは、さまざまなレーザー波長、顕微鏡対物レンズ、顕微鏡を使用して、わずかな変更を加えるだけで構築できます。さらに、並進ブラウン測定用の機器は、補完的なデータ収集のために簡単に追加できます。このナノ粒子回転プラットフォームは、粘度と局所温度のオシロスコープゲージとして、ナノロッドと分子コーティングの形態学的変化を追跡するため、また光熱および熱力学プロセスのトランスデューサーおよびプローブとして有用であることが証明されています。このビデオを見れば、金属ナノロッドの光ピンセット実験の方法についてよく理解できるはずです。円偏光を使ってそれらを回転させる方法や、光子相関分光法や暗視野分光法で情報を抽出する方法など。レーザーでの作業は目に非常に危険を及ぼす可能性があるため、この手順を実行する際には、レーザー安全メガネや適切なレーザーフィルターの着用、取り扱い手順などの予防措置を常に講じる必要があることを忘れないでください。

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