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

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

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。