Meting van Verstrooiing lineariteiten van een Single Plasmonische Nanodeeltje

Samenvatting

Verzadigbare en omgekeerde verzadigingsverstrooiing werden ontdekt in geïsoleerde plasmonische deeltjes en toegepast als een nieuwe niet-blekende contrastmethode in superresolutiemicroscopie. Hier worden de experimentele procedures voor het detecteren en extraheren van niet-lineaire verstrooiing in detail uitgelegd, evenals hoe de resolutie kan worden verbeterd met behulp van verzadigd excimitatiemicroscopie.

Samenvatting

Plasmonics, die gebaseerd zijn op de collectieve oscillatie van elektronen door lichtexcitatie, omvatten sterk verbeterde lokale elektrische velden en hebben dus potentiële toepassingen in niet-lineaire optica, die buitengewone optische intensiteit vereist. Een van de meest bestudeerde niet-lineaire eigenschappen in plasmonica is niet-lineaire absorptie, inclusief verzadiging en omgekeerde verzadigingsgedragingen. Hoewel verstrooiing en absorptie in nanodeeltjes nauw verbonden zijn door de Mie-theorie, was er tot zeer kort geleden geen melding van niet-lineaire eigenschappen in plasmonische verstrooiing.

Vorig jaar werd niet alleen verzadiging, maar ook omgekeerde verzadiging van verstrooiing in een geïsoleerde plasmonische deeltje voor het eerst aangetoond. De resultaten toonden aan dat verzadigingsverstrooiing een duidelijke golflengteafhankelijkheid vertoont, die direct lijkt te zijn gekoppeld aan de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR). In combinatie met de intensiteitsafhankelijke metingen suggereren de resultaten de mogelijkheid van een gemeenschelijke mechanisme achter de niet-lineaire gedragingen van verstrooiing en absorptie. Deze niet-lineaire eigenschappen van verstrooiing van een enkele gouden nanobol (GNS) zijn breed toepasbaar, inclusief in superresolutiemicroscopie en optische schakelaars.

In dit artikel wordt in detail beschreven hoe de niet-lineariteit van verstrooiing in een enkele GNP te meten is en hoe de superresolutietechniek te gebruiken is om de optische beeldresolutie te verbeteren op basis van verzadigingsverstrooiing. Deze ontdekking kenmerkt de eerste superresolutiemicroscopie op basis van niet-lineaire verstrooiing, een nieuwe niet-blekende contrastmethode die een resolutie van zo laag als l/8 kan bereiken en potentieel nuttig zal zijn in biomedische en materiaalstudies.

Inleiding

De studie van plasmonics trok veel belangstelling vanwege de toepassingen in vele verschillende gebieden ^1-4. Een van de meest onderzochte velden plasmonics een oppervlaktebehandeling plasmonics, waarbij de collectieve oscillatie van geleidingselektronen paren met een externe electromagnetische golf bij een grensvlak tussen een metaal en diëlektricum. Oppervlak Plasmonics is onderzocht voor zijn potentiële toepassingen in subwavelength optica, biofotonica en microscopie ^5,6. De sterke veldversterking in de ultra-kleine hoeveelheid metallische nanodeeltjes als gevolg van lokale surface plasmon resonance (LSPR) trok veel aandacht, niet alleen vanwege de uitzonderlijke gevoeligheid voor deeltjesgrootten, deeltjesvormen en de diëlektrische eigenschappen van het omringende medium ^{7 -10,} maar ook vanwege zijn vermogen om inherent zwak niet-lineaire optische effecten ¹¹ te verhogen. De uitzonderlijke gevoeligheid van LSPR is waardevol voor bio-sensing en bijna-field beeldvormende technieken ^12,13. Aan de andere kant kan de verbeterde lineariteit van plasmon structuren worden gebruikt in fotonische geïntegreerde schakelingen in toepassingen zoals optische switching en volledig optische signaalverwerking ^14,15. Het is bekend dat de plasmon absorptie lineair evenredig aan de excitatie-intensiteit bij lage intensiteit. Wanneer de excitatie sterk genoeg is, de absorptie bereikt verzadiging. Intrigerend, bij hogere intensiteit, de absorptie verhoogt opnieuw. Deze niet-lineaire effecten zijn verzadigbaar absorptie (SA) ^15-17 genoemd en achteruit verzadigbaar absorptie (RSA) ^18, respectievelijk.

Het is bekend dat als gevolg van de LSPR, verstrooiing is bijzonder sterk in plasmonische structuren. Op basis van fundamentele elektromagnetisme, moet de respons van verstrooiing versus incident intensiteit lineair zijn. Echter, in nanodeeltjes, verstrooiing en absorptie zijn nauw met elkaar verbonden via de Mie theorie, en beide kunnen worden expressed in termen van reële en imaginaire delen van de diëlektrische constante. In de veronderstelling dat een enkele GNS zich gedraagt ​​als een dipool onder licht verlichting, kan de verstrooiing coëfficiënt (Q _SCA) en absorptie coëfficiënt (Q _abs) uit één plasmonische nanodeeltje volgens de Mie theorie worden uitgedrukt als ¹⁹

waarin x 2 πa / λ, a de straal van de bol en m ² is ε _m / ε _d. Hier, ε _m en ε _d overeen met de diëlektrische constanten van het metaal en de omringende diëlektrische resp. Aangezien de vorm van de verstrooiingscoëfficiënt is vergelijkbaar met die van the absorptiecoëfficiënt, wordt daarom verwacht dat verzadigbaar verstrooiing observeren in één plasmonische nanodeeltje ^20.

Onlangs lineaire verzadigbare verstrooiing in een geïsoleerde plasmonische deeltjes werd aangetoond voor het eerst ^21. Het is opmerkelijk dat in diepe verzadiging, de verstrooiingsintensiteit in feite daalde licht wanneer de excitatie-intensiteit verhoogd. Nog meer opvallend wanneer de excitatie-intensiteit een intensievere na verstrooiing verzadigd raakte, de verstrooiingsintensiteit opgestaan, die het effect van omgekeerde verzadigbaar ²⁰ verstrooiing. Wavelength- en grootte-afhankelijke studies hebben aangetoond een sterke relatie tussen LSPR en niet-lineaire verstrooiing ^21. De intensiteit en de golflengte afhankelijkheid van plasmon verstrooiing is vergelijkbaar met de absorptie, suggereert een gemeenschappelijk mechanisme achter deze niet-lineair gedrag.

In termen van toepassingen, is het goed known lineariteit die helpt optische microscopie resolutie te verbeteren. In 2007, verzadigd excitatie (SAX) microscopie werd voorgesteld, die resolutie kan verbeteren door het extraheren van de verzadigde signaal via een tijdelijke sinusvormige modulatie van de excitatiebundel ^22. SAX microscopie is gebaseerd op het concept dat een laser brandpunt, de intensiteit sterker in het midden dan aan de rand. Als het signaal (ofwel fluorescentie of verstrooiing) vertoont saturatiegedrag, moet de verzadiging starten van het centrum, terwijl de lineaire respons blijft aan de periferie. Daarom, als er een methode om alleen het gedeelte verzadigde extract, het zal alleen laat het middengedeelte en de verwerping het randdeel, dus effectief verbeteren van de ruimtelijke resolutie. In principe is er geen lagere resolutie limiet in SAX microscopie, mits diepe verzadiging bereikt is en er geen monster schade als gevolg van de intense verlichting.

Aangetoond is dat de resolution fluorescentiebeeldvorming kan aanzienlijk worden verbeterd door gebruikmaking van de SAX techniek. Echter, lijdt de fluorescentie fotobleken effect. Het combineren van de ontdekking van verstrooiing lineariteit en het concept van SAX, kan superresolutietechnieken basis van verstrooiing worden gerealiseerd ^21. Vergeleken met conventionele superresolutie microscopie, de verstrooiing gebaseerde techniek verschaft een nieuwe niet-blekende contrast methode. In dit artikel wordt een stap-voor-stap beschrijving gegeven om de vereiste te verkrijgen en halen de niet-lineariteit van plasmonische verstrooiing procedures te schetsen. Werkwijzen voor het identificeren verstrooiing lineariteiten geïntroduceerd door het veranderen van de invallende intensiteit beschreven. Meer informatie zal worden verstrekt om te ontrafelen hoe deze lineariteiten invloed beelden van enkele nanodeeltjes en hoe ruimtelijke resolutie kan dienovereenkomstig door de SAX techniek worden verbeterd.

Protocol

1. GNS Monstervoorbereiding

1. Voor de monsterbereiding, ultrasone trillingen 1 ml GNS colloïdale oplossing ten minste 15 minuten bij ongeveer 40 kHz tot deeltjesaggregatie, wat kan leiden tot de LSPR piek verschuiven voorkomen.
2. Drop 100-200 ul van GNS colloïden op een dia glas met commerciële magnesiumaluminiumsilicaat (MAS) coating aan het GNSS te lossen.
3. Na ten minste 1 min, verwijder de extra colloïde door te spoelen met gedestilleerd water. De wachttijd is afhankelijk van de gewenste dichtheidsverdeling van het GNSS. Gewoonlijk 1-3 min leidt tot een geschikte dichtheid waarmee de deeltjes gemakkelijk worden geïdentificeerd aangezien de meeste van hen zijn geïsoleerd van elkaar. Significante aggregatie kan optreden als de wachttijd te lang.
4. Droog het monster door spoelen met stikstofgas.
5. (Optioneel) Als u het GNSS-kaart op het glas met een hoge resolutie, voert scanning elektronenmicroscoop (SEM) in dit stadium ^23. Een beeld voorbeeld is in Figure 1, met het kenmerk dichtheid van GNSS. Gebruik een veldemissie SEM om het beeld te verwerven. Zodra olie wordt toegevoegd aan het monster (volgende stap), wordt het moeilijk om de olie te verwijderen en bekijk het monster met SEM.
6. Een druppeltje olie met dezelfde brekingsindex op het monster op de GNSS dekken en de sterke reflectie van het glassubstraat te elimineren.
7. Leg een deksel glas op de top van het monster en verzegelt het met nagellak.
8. Wacht ten minste 5 minuten, totdat de nagellak droogt. Het monster is nu klaar.

2. Afstemming van huis-gebouwd confocale microscoop

1. Zie figuur 2 voor de regeling van de setup. Lijn het witte licht verlichting pad van de microscoop lichaam zelf. Schakel de halogeen lichtbron van de microscoop, en volg de handleiding van de fabrikant van de microscoop om de Köhlerverlichting conditie te bereiken. Zorg ervoor dat het witte halogeenlicht balken zijn bijna parallel aan de achterkant vanapertuur van het objectief, gedeeltelijk gereflecteerd door de 50/50 bundelsplitser en vervolgens propageren in de richting van de laser.
2. Zet de galvano spiegel zodat ze blijven op de juiste uitgangspositie, dat wil zeggen in het midden van het scanbereik.
3. Plaats ten minste twee doelen, gemaakt door een dun vel papier met concentrische ringen op het, langs de halogeenlicht pad, en lijn ze met de halogeen balk.
4. Om beeldvorming te voeren, selecteert u de 532 nm laser. Om spectroscopie metingen uit te voeren, selecteert u de super-continuüm laser. Tijdens de uitlijning moet de kracht van de lasers minder dan 10 uW achter opening van de doelstelling lineariteit voorkomen. Vervolgens collimeren de invallende laserbundel tegenover de uitgaande halogeen licht met behulp van de twee doelen. Wanneer dit proces voltooid is, is de grove uitlijning van de laserbundel bereikt.
5. Lijn de laserbundel door het midden van de achterkant apertuur van de objectieflens. Typisch, gebruik een oil-immersie objectief. Een druppeltje olie tussen de olie-immersie objectieflens en GNS monster. Gebruik een fotomultiplicatorbuis (PMT) als detector voor de verstrooiing signalen van de GNSS verzamelen.
6. Plaats een pinhole 20 pm diameter voor de PMT te blokkeren onscherpe verstrooiing signalen. Schakel de galvano spiegels en PMT (via zelfgebouwde software), stel de pinhole positie en hoogte van het monster podium om de backscattering signalen van de GNSS te maximaliseren, en dan nemen een individuele GNS op een computerscherm. Een monster xy beeld van de GNSS correcte uitlijning wordt getoond in figuur 2B.
7. Iets veranderen de hoogte van het monster podium om de concentriciteit van de focus te controleren. Als het niet concentrisch, past de bundel met de twee spiegels voor de scanner tot het midden van de GNS blijft op dezelfde positie, terwijl de hoogte van de monstertafel veranderd. Zorg ervoor dat de XZ beeld van de PSF is gelijk aan figuur 2Com de juiste koplampen zorgen. Verwerk deze twee beelden met low-pass en Gauss gladde filters.

3. Karakterisering van Scattering Non-lineariteit

1. Bij lage excitatie-intensiteit (minder dan 10 ⁴ W / cm ²⁾ verkrijgen van een beeld van goud nanodeeltjes met volgende protocol 2,6.
2. Open de afbeelding in ImageJ (of andere beeldanalyse software). Trek een lijn over een van de GNSS in het beeld (zie figuur 2B), en het gebruik van Analysis -> Plot profiel van de ImageJ tools om de verstrooiing intensiteit profiel te halen. Aan het profiel van de gekozen PSF door een Gauss-functie:
   
   waarbij y de PMT uitleeswaarde, y ₀ is de achtergrondwaarde (indien aanwezig), A is de piekamplitude, w is de breedte x de ruimtelijke coördinaat en x _c is het centrum coördinaattransformatiese van de Gauss-functie. De FWHM van de overeenkomstige PSF is (½ln2) w. Op basis van de numerieke apertuur (NA) van het objectief, kan de theoretische FWHM van de confocale PSF worden geschat op ongeveer 0.43l / NA, waarbij L de excitatiegolflengte. Vergelijk deze twee getallen om de uitlijning van het beeldvormingssysteem controleren.
3. Verhoging van de excitatie-intensiteit door de neutrale dichtheid (ND) filter handmatig veranderen in figuur 2A, en noteer de backscattering beelden bij elke intensiteit. Neem de waarde van het signaal verstrooiing van het centrum van elk GNS bij verschillende excitatie-intensiteit en plot de curve van verstrooiing signalen versus excitatie intensiteiten. Controleer de lineariteit van de eerste punten, waarbij een lineaire relatie moet vertonen als de excitatie-intensiteit is voldoende laag. Trek een lijn op basis van lineaire montage van de eerste paar punten. Als de verstrooiing intensiteiten van de volgende punten vallen onder deze lineaire trend, saturation opgetreden.
4. Na het observeren verzadigbaar verstrooiing, geleidelijk af van de intensiteit onder de verzadiging drempel, en het beeld hetzelfde GNSS opnieuw om de omkeerbaarheid van de niet-lineaire gedrag zorgen.

4. Meting van een Verstrooiing Spectrum van een Single Gold Nanosphere

1. Om de backscattering spectrum van een enkele GNS te meten, gebruik maken van de super-continuüm laser als de laserbron. De eerste golflengte van de laser varieert van 450 nm tot 1750 nm. Om de overtollige infrarood kracht die schade aan het monster en de optische componenten kunnen veroorzaken te verwijderen, plaatst u één of twee spiegels direct na de super-continuüm laser om het zichtbare licht te reflecteren, en gebruik beam dumpt om de overtollige infrarood licht te verzamelen.
2. Volg de uitlijning procedures in artikel 2 aan direct de super-continuüm laser in de laser scanning confocale microscoop. Gebruik een breedband 50/50 BS spectrale dekking te garanderen over het hele zichtbare bereik.
3. Verwervenbeeld van de GNSS op glas. Zoek een GNS in het beeld, en bevestig de focus van het invallende licht breedband op het deeltje.
4. Gebruik een flipping spiegel voor de PMT naar de backscattering signaal naar de spectrometer, die is uitgerust met een ladingsgekoppelde inrichting leiden, en vervolgens een spectrum van een enkel geselecteerd GNS. Zorg ervoor dat het spectrum hier is een mengsel van GNS verstrooiing en de achtergrond als gevolg van reflecties van andere oppervlakken.
5. Ga terug naar de PMT-detector, en neem een ​​ander beeld te bevestigen dat het deeltje positie is niet veranderd. Vervolgens verschuift de focus naar een punt waarop er geen deeltje aanwezig is. Ga terug naar de spectrometer, en neem nog een spectrum, dat de achtergrond vormt.
6. Trek de achtergrond spectrum uit stap 4.5 uit het spectrum van stap 4.4 om een ​​duidelijk terugstrooiing spectrum van één GNS verkrijgen.

5. Aanpassing van SAX Microscope

1. Zie figuur 3voor de regeling van de SAX microscoop, waarbij een ideale sinusvormige tijdelijke modulatie wordt verkregen uit de beat frequentie tussen twee akoestisch-optische modulators (AOM's). Stel eerst de bundelgrootte van de laser aan de eis van de volgende AOM's voldoen. Splitsing van de 532 nm laserlicht in twee bundels met behulp van een 50/50 bundelsplitser.
2. Leid de twee bundels door de twee AOM's, met een straal die door elke AOM. De modulerende frequenties van de twee AOM's moeten verschillend zijn. Zo kan men ten 40,000 MHz en een aan 40,010 MHz, waarbij een verschilfrequentie van 10 kHz. Dit verschil frequentie zal de fundamentele modulatiefrekwentie f _m voor de SAX signalen.
3. Neem de eerste-orde gebogen bundels van zowel AOM's, en combineren de twee bundels met een andere 50/50 bundelsplitser. Stel de spiegels na de AOM's om de twee bundels collimeren.
4. Voeg een fotodetector die is aangesloten op een oscilloscoop aanwezig om de waterijsje bewakenn. Split een klein deel van de laser met een objectglaasje, en het naar de fotodetector, zie figuur 3. Bij correcte modulatie en beam overlapping in acht sinusvormige intensiteitsmodulatie in het belangrijkste frequentie _fm, vergelijkbaar met die van de getoonde golfvorm in figuur 4.
   Opmerking: De achtergrond van de modulatie moet zo laag mogelijk zijn om het maximum modulatiediepte bereiken. Daarnaast gebruiken de Fourier-analyse functie van de oscilloscoop om te controleren dat de harmonische vervorming van de modulatie afneemt. Om succesvol SAX uitvoering te komen, zorgen voor een perfecte sinusvormige excitatie intensiteitsmodulatie met minimale initiële niet-lineariteit.
5. Maak de elektrische output van de fotodetector van de oscilloscoop en verbinden met de referentie-ingang van een lock-in versterker.
6. Zoals getoond in figuur 3, sluiten de laserstraal in de confocale systeem na de eerdere protocollen. Here, sluit de elektrische uitgang van de PMT aan de lock-in versterker als het ingangssignaal.
7. Gebruik een lege dekglas als voorbeeld en controleer de lineariteit van het elektrisch detectiesysteem door geleidelijk verhogen van de excitatievermogen ,, zoals weergegeven in figuur 5, waarbij de detector onder een lineaire uitlezing waarde van 1-V. In alle volgende metingen, zorgen de uitlezing beperken tot onder deze waarde.
8. Stel de uitgang van de lock-in versterker de absolute grootte van het spanningssignaal exporteren. Door de harmonische component instelling op het referentiekanaal, krijgen de amplitudes van de signalen SAX, A _1, A _2, enzovoort.
9. De lineaire en niet-lineaire signalen van de lock-in versterker exporteren naar een data acquisitie kaart, die tevens de stuurspanning signalen van het raster scan galvano spiegels. Met behulp van een op maat Labview programma synchronisatie signalen van de lock-in versterker en degalvano spiegels om een ​​beeld te vormen.
10. Om de signaal-ruisverhouding in het beeld te optimaliseren, selecteert passende de pixel acquisitie en integratietijden van de lock-in versterker. Bijvoorbeeld, als de belangrijkste modulatie frequentie _fm van de excitatie is 10 kHz, dat wil zeggen wanneer de periode 100 psec, stel de integratietijd van de lock-in versterker ten minste driemaal langer is dan de periode. De tijd van de galvano spiegel beweging voegen, wordt de opnamesnelheid ingesteld op 1500 pixels per seconde in de SAX afbeeldingsmode.

Resultaten

Figuur 6 toont het gemeten spectrum van een 80 nm GNS. Een berekende curve op basis van de Mie theorie wordt gegeven in dezelfde plot, toont uitstekende overeenkomst. De LSPR piek ligt rond de 580 nm. In het volgende experiment, de laser golflengte was 532 nm, die werd gekozen omdat het zich in het plasmonische band optische verstrooiing met plasmon effect te versterken en mogelijk verstrooiing verzadiging ^21.

Figuur 7 presenteert verstrooiing bee...

Discussie

In het protocol zijn er verschillende kritische stappen. Ten eerste, de voorbereiding van de monsters, de dichtheid van nanodeeltjes moet niet te hoog zijn, plasmon koppeling tussen deeltjes te voorkomen. Als twee of meer deeltjes zeer dicht bij elkaar, de koppeling resulteert in de LSPR golflengteverschuivende richting van langere golflengten, waardoor de lineariteit aanzienlijk verminderen. Echter, deze beeldvormende techniek daadwerkelijk brengt de verdeling van plasmonische wijzen, in plaats van de deeltjes zelf. Da...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
microscope body	Olympus, Japan	BX-51
objective lens	Olympus, Japan	UPlanSapo, 100X, NA 1.4
80-nm gold colloid	BBI Solutions, UK	EM.GC80
supercontinuum laser	Fianium, United Kingdom	SC400-2-PP
broadband dielectric mirrors	Thorlabs, USA	BB1-E02
field emission SEM	JEOL, Japan	JSM-6330F	optioneel
spectrometer	Andor Technology, UK	Shamrock 163
charge-coupled device	Andor Technology, UK	iDus DV420A-OE
acousto-optic modulators	IntraAction Corp., USA	AOM-402AF1
lock-in amplifier	Stanford Research Systems, USA	SR-830
MAS-coated slide glass	Matsunami Glass, Japan,	S9215