단일 플라즈몬 나노 입자에서 비선형 산란 측정

요약

포화 및 역포화 산란은 분리된 플라즈몬 입자에서 발견되었으며 초고해상도 현미경에서 새로운 비표백 대비 방법으로 채택되었습니다. 여기에서는 비선형 산란을 검출하고 추출하는 실험 절차와 포화 여기 현미경을 사용하여 해상도를 향상시키는 방법에 대해 자세히 설명합니다.

초록

Plasmonics는 광 여기로 인한 전자의 집단 진동을 기반으로 하며, 크게 향상된 국소 전기장을 포함하므로 탁월한 광학 강도를 필요로 하는 비선형 광학에 잠재적으로 응용할 수 있습니다. 플라즈모닉에서 가장 많이 연구된 비선형성 중 하나는 포화 및 역 포화 거동을 포함한 비선형 흡수입니다. 나노 입자의 산란 및 흡수는 Mie 이론과 밀접한 상관 관계가 있지만, 아주 최근까지 플라즈몬 산란의 비선형성에 대한 보고는 없었습니다.

작년에 고립된 플라즈몬 입자에서 산란의 포화뿐만 아니라 역포화도 처음으로 입증되었습니다. 그 결과, 포화 산란은 명확한 파장 의존성을 나타내는 것으로 나타났으며, 이는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)과 직접 연결된 것으로 보입니다. 강도 의존적 측정과 결합된 결과는 산란 및 흡수의 비선형 거동을 기저에 하는 공통 메커니즘의 가능성을 시사합니다. 단일 금 나노구(GNS)에서 산란의 이러한 비선형성은 초고해상도 현미경 및 광학 스위치를 포함하여 널리 적용할 수 있습니다.

본 논문에서는 단일 GNP에서 산란의 비선형성을 측정하는 방법과 super-resolution 기법을 사용하여 saturable scattering을 기반으로 광학 이미징 해상도를 향상시키는 방법에 대해 자세히 설명합니다. 이 발견은 비선형 산란을 기반으로 하는 최초의 초고해상도 현미경을 특징으로 하며, 이는 l/8의 낮은 해상도를 달성할 수 있고 생물 의학 및 재료 연구에 잠재적으로 유용할 수 있는 새로운 비표백 대비 방법입니다.

서론

플라즈몬의 연구로 인해 다양한 분야 ^1-4의 응용 프로그램에 큰 관심을 끌고있다. 플라즈몬 가장 연구 분야 중 하나는, 표면 플라즈몬,되는 금속과 유전체 사이의 계면에서 외부와 전자파 전도 전자 커플 집단적 진동. 표면 플라즈몬은 서브 파장 광학, 바이오 포토닉스 및 현미경 ^5,6에서의 응용 가능성에 대해 탐구하고있다. 국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)에 의한 금속 나노 입자의 매우 작은 체적 강전 향상뿐만 아니라 때문에 입자 크기, 입자 형상, 및 주변 매질 ^(7)의 유전 특성에 탁월한 감도, 광범위한 주목을 받고 ^-10뿐만 아니라, 때문에 본질적으로 약한 비선형 광학 효과 ^(11)을 높일 수있는 능력. 저 채도의 뛰어난 감도는 바이오 센싱과 가까운 헛소리에 대한 가치가있다LD 이미징 기술 ^{(12, 13).} 한편, 구조물의 플라즈몬 강화 된 비선형 광학 스위칭 및 전광 신호 처리 애플리케이션 ^{(14, 15)} 등의 광 집적 회로에 사용될 수있다. 이것은 잘 플라즈몬 흡수가 낮은 세기 레벨의 여진 강도에 정비례하는 것으로 알려져있다. 여진이 충분히 강한 경우, 흡수가 포화에 도달한다. 흥미롭게도, 높은 강도에서 흡수가 다시 증가한다. 이러한 비선형 효과....

프로토콜

1. GNS 샘플 준비

1. LSPR 피크 시프트가 발생할 수의 입자 응집을 방지하기 위해 약 40 kHz에서 적어도 15 분 동안 샘플을 초음파 처리 GNS 1ml의 콜로이드 용액을 준비하기 전에.
2. GNSS를 해결하기 위해 상업 마그네슘 알루미늄 실리케이트 (MAS) 코팅 된 슬라이드 글라스에 GNS 콜로이드의 100 ~ 200 μl를 삭제합니다.
3. 적어도 1 분 후, 증류수로 세척하여 여분의 콜로이드를 제거합니다. 대기 시간은 GNSS의 요구 분포 밀도에 따라 달라집니다. 전형적으로, 이들 대부분은 서로 분리되어 있기 때문에 입자가 쉽게 식별 될 수 있도록 적절한 밀도에서 1-3 분 결과. 대기 시간이 너무 길면 현저한 응집이 발생할 수있다.
4. 질소 가스로 퍼징하여 샘플을 건조.
5. (선택 사항), 고해상도에 유리 GNSS 매핑이 단계 ^(23)에서 주사 전자 현미경 (SEM)을 수행한다. 예를 들어, 이미지가 Figur 제공됩니다E 1, GNSS의 특성 밀도를 나타내는. 화상을 취득하는 전계 방출 SEM을 사용한다. 오일 샘플 (다음 단계)에 추가되면, 그 기름을 제거하고, SEM으로 샘플을 관찰하기 어려울 것이다.
6. GNSS 다루 시료에 동일....

결과

그림 6은 80 nm의 GNS에서 측정 된 스펙트럼을 보여줍니다. Mie 이론에 기초하여 계산 된 곡선이 잘 일치를 보여주는, 같은 플롯에 제시되어있다. LSPR 피크는 580 nm의 주위이다. 다음 실험에서, 레이저는 파장이 플라즈몬 광 산란 효과를 향상시키고 포화 ^{21 산란} 활성화 플라즈몬 밴드 안에 위치로 선정 된 532 나노 미터였다.

그림 7 다른 여기 강도에 하나의 금 나노 입자의 이미지를 산란 선물 및 하단 행은 비선형 성을 강조하기 위해 각 입자의 라인 프로파일을 제공합니다. 이미지 크기는 600 나노 미터 × 600 ㎚이며, 화소 사이즈는 13.8 ㎚이다. 수집 속도가 정상 XY 촬상 모드에서 초당 234,000 픽셀이었다. 각 이미지는 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 다섯 이상의 인수를 평균화 하였다.

여진 강도가보다 낮을 때.......

토론

프로토콜에서, 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 샘플을 준비 할 때 먼저, 나노 입자 밀도는 입자 사이 플라즈몬 결합을 피하기 위해 너무 높은이어야한다. 두 개 이상의 입자가 서로 매우 근접 할 경우, LSPR 파장 결합 결과는 따라서 크게 비선형 성을 감소시키는, 장파장 측으로 시프트. 그러나,이 영상 법은 실제로 입자 자체 대신에, 플라즈몬 모드의 분포를 매핑한다. 따라서, 적합한 여기 파장과, 플라즈몬 모드 커플 링은 또한 강한 산란 비선형 성을 나타낼 수 향상된 해상도로 묘화 될 수있을 것으로 기대된다. 둘째, 이렇게 두 개의 버튼 확장 박스 (AOM) 사이의 박동 동기 사용, 여기 빔 내의 순수 정현파 변조를 생성하기 위해 매우 중요하다. 해상도 향상 비선형 경우, 산란 신호 변조 비선형 부분을 추출 (고조파 성분)에 의존하고 있기 때문에왜곡은 여기에서 변조 한 후 추출이 더 어려울 것이다 존재한다. 또한, 현재의 방식에서, 간섭계 설치 고해 변조를 생성하기 위해 사용되므로, 간섭계의 두 빔의 정렬은 또한 가능한 변조.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
현미경 본체	Olympus, 일본	BX-51
대물 렌즈	Olympus, 일본	UPlanSapo, 100X, NA 1.4
80nm 금 콜로이드	BBI 솔루션, 영국	EM. GC80
supercontinuum laser	Fianium, 영국	SC400-2-PP
광대역 유전체 미러	Thorlabs, 미국	BB1-E02
전계 방출 SEM	JEOL, 일본	JSM-6330F	옵션
분광계	Andor Technology, 영국	Shamrock 163
전하 결합 장치	Andor Technology, 영국	iDus DV420A-OE
음향 광학 변조기	IntraAction Corp., USA	AOM-402AF1
락인앰플리파이어	Stanford Research Systems, USA	SR-830
MAS 코팅 슬라이드 유리	Matsunami Glass, 일본,	S9215