Name: Budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego Gold Nanorod (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Poznaj metodę pomiaru rotacji i momentu siły w skali nanometrycznej za pomocą optycznych pęset z kołowo spolaryzowanym światłem laserowym. Technika umożliwia stabilną rotację nanocząstek złota przy wysokich częstotliwościach.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była wspierana przez Fundację Knuta i Alice Wallenbergów, Szwedzką Radę ds. Badań Naukowych oraz Chalmers Area of Advance Nanoscience and Nanotechnology.

<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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Układ pułapki optycznej opisany w tym protokole jest zbudowany wokół komercyjnego mikroskopu odwróconego i wykorzystuje czerwone światło laserowe. Jednak przedstawione techniki są wszechstronne i mogą być używane do konstruowania pęsety optycznej o polaryzacji kołowej wokół większości komercyjnych lub domowych mikroskopów, zarówno pionowych, jak i odwróconych, z niewielkimi zmianami. Długość fali lasera pułapkującego można wybrać w szerokim spektrum widzialnym NIR, o ile pozostałe elementy optyczne i detektory działają na tej określonej długości fali. Niemniej jednak, przy wyborze długości fali lasera, należy wziąć pod uwagę rozmiar i widmową bliskość rezonansów cząstek, które mają być manipulowane, ponieważ będzie to miało wpływ na siły pułapki optyczneji wydajność rotacji 2,5, wielkość efektów fototermicznych1 i stabilność pułapki26. Wcześniej z powodzeniem pracowaliśmy z pęsetą laserową spolaryzowaną kołowo przy użyciu długości fal laserowych 660, 785, 830 i 1064 nm.
Jednym z najważniejszych elementów zestawu pułapki optycznej jest obiektyw mikroskopu. Obiektywem w tym protokole jest suchy obiektyw z NA = 0,95. Użycie suchego obiektywu jest eksperymentalnie prostszą realizacją konfiguracji; Prowadzi to jednak do aberracji optycznych spowodowanych załamaniem światła w interfejsach komórek próbki. W tym przypadku rezultatem jest nieznacznie powiększona plamka ostrości (~1,2 μm) w porównaniu z granicą dyfrakcji (~0,4 μm), ale nie zmienia to znacząco ogólnej lub obrotowej wydajności platformy. Zasadniczo można stosować szeroką gamę obiektywów mikroskopowych, pod warunkiem, że mają one dobrą transmisję na długości fali pułapki, dobre utrzymanie polaryzacji i wystarczająco dużą odległość roboczą, aby przeprowadzić pułapkowanie przez szkiełko nakrywkowe mikroskopu i warstwę wody. W przypadku zalewkowania 2D NA może być stosunkowo niskie, co upraszcza cały eksperyment i zapewnia czystszą polaryzację kołową w ognisku. Jednak może być wymagana większa moc lasera niż w przypadku obiektywu o wysokiej NA. Z naszego doświadczenia wynika, że najlepszą wydajność w zakresie pułapkowania, rotacji i spektroskopii ciemnego pola uzyskuje się przy obiektywach o NA 0,7-0,95, ale możliwe jest użycie zarówno niższych, jak i wyższych obiektywów NA.
Aby uzyskać dobre pomiary korelacji fotonów ruchu obrotowego, potrzebny jest szybki detektor jednopikselowy. Wybierz detektor o szerokości pasma co najmniej dwa, a najlepiej dziesięć razy większej niż oczekiwana częstotliwość rotacji pomnożona przez współczynnik degeneracji kształtu i wysoką czułość przy zastosowanej długości fali pułapkowania. Wzmocnione fotodetektory Si, APD zliczające pojedyncze fotony i PMT są z powodzeniem stosowane w różnych konfiguracjach w naszych laboratoriach. Dodatkowe informacje, na przykład na temat sztywności pułapki, można uzyskać, mierząc i analizując przemieszczenie translacyjne cząstek przy użyciu dobrze znanych technik, takich jak analiza widmowa mocy5. W wielu wcześniejszych publikacjach opisano różne warianty tej techniki38,39. Spektroskopia DF może być wykonywana przy użyciu szerokiego zakresu spektrometrów sprzężonych ze swobodną przestrzenią lub światłowodami, a wybór powinien opierać się na zakresie widmowym oraz długości fali i rozdzielczości czasowej potrzebnej do planowanego badania.
Podczas przeprowadzania eksperymentu z pułapką dodatkowe cząstki mogą przypadkowo dostać się do pułapki. Można to wykryć, monitorując częstotliwość rotacji, która będzie się silnie wahać z powodu zakłóceń. Oględziny za pomocą mikroskopii DF mogą być wykorzystane do sprawdzenia obecności dodatkowej cząstki, w którym to przypadku stolik można przesunąć, aby uniknąć dalszych zakłóceń lub konieczne jest ponowne rozpoczęcie eksperymentu.
Opisany powyżej system jest prostym i skutecznym sposobem na realizację uwięzienia i rotacji nanocząstek metalicznych w 2D. Jednak w przypadku niektórych zastosowań dodatkowy stopień swobody manipulacji, który wiąże się z zalewkowaniem 3D, jest ważny, a obecna konfiguracja jest w związku z tym ograniczeniem. Jednak ograniczenie i obracanie 3D może być osiągalne przy użyciu pęsety laserowej z przeciwbieżną propagacją lub bardziej egzotycznych konfiguracji pułapek.
Chociaż omówione tutaj parametry cząstek i systemu można zoptymalizować w celu zmniejszenia ogrzewania fototermicznego do poziomu poniżej ~15 K4, wzrost temperatury związany ze wzbudzeniem plazmonicznym nanocząstek metali może być problematyczny w niektórych zastosowaniach. Możliwą drogą do dalszej redukcji ciepła jest zastosowanie nanocząstek dielektrycznych o wysokim indeksie zamiast cząstek plazmonicznych. Cząstki te wspierają silne rezonanse rozpraszania typu Mie, ale jednocześnie wykazują niskie wewnętrzne współczynniki absorpcji. Niedawno udało nam się wyprodukować koloidalne rezonansowe nanocząstki Si, które mogą okazać się przydatne w tym zakresie 40,41.

Metody przedstawione w tym artykule powielają te używane w naszej poprzedniej pracy1 do badania nanoskalowych efektów fototermicznych wpływających na napędzane światłem złote silniki obrotowe nanoprętów. Warianty eksperymentalnej platformy zostały wykorzystane w kilku powiązanych publikacjach2,3,4,5,6,7,8,9.
Pęsety optyczne są powszechnie używane do kontrolowania pozycji, siły i liniowego przenoszenia pędu w małych skalach długości w fizyce, biologii i inżynierii10,11,12,13,14. Moment pędu przenoszony przez światło spolaryzowane kołowo może być wykorzystany do dodatkowej kontroli ruchu, ponieważ w sposób ciągły przenosi moment obrotowy na uwięzione obiekty15. Łącząc optyczny liniowy i kątowy transfer pędu, możliwe jest konstruowanie nieinwazyjnych nanosilników obrotowych o potencjale do różnych zastosowań, takich jak dostarczanie leków do pojedynczych komórek16,17, nanoscale surgery18 oraz active nanofluidics19, między innymi.
Używając metalicznych nanocząstek jako przedmiotu manipulacji sterowanej światłem, można wykorzystać zalety zlokalizowanych powierzchniowych rezonansów plazmonowych (LSPR), które zapewniają duże przekroje optyczne, wysoką wrażliwość na zmiany środowiskowe i duże ulepszenia pola20,21,22,23. Doprowadziło to do wielu badań na pograniczu plazmoniki i manipulacji optycznej8,24,25,26,27. Silna interakcja światło-materia zapewniona przez LSPR umożliwiła nam zaprojektowanie platformy, na której pęseta laserowa o polaryzacji kołowej jest w stanie napędzać złote nanopręty do obracania się z rekordową częstotliwością rotacji w wodzie2. Śledząc ruchy Browna obracającego się nanopręta, można uzyskać szczegółowe informacje o jego otoczeniu i temperaturze3,5. Jednoczesna analiza spektroskopowa zapewnia dodatkowy, niezależny kanał informacyjny do analizy lokalnej temperatury i stabilności morfologicznej obracającego się nanorod1. Do badania i stosowania ruchu obrotowego w pęsetach optycznych wykorzystano szereg systemów i konfiguracji, generując ważne informacje w terenie15,28,29,30,31,32. Jednak większość z tych badań dotyczyła obiektów o średnicy kilku mikrometrów, podczas gdy pojedynczy nanopręt daje dostęp do reżimu wielkości nanometrów. Ponadto, gdy nanopręty złota są używane jako nanosilnik obrotowy, moment obrotowy jest efektywnie przenoszony głównie poprzez rozpraszanie2,33. Zmniejsza to ryzyko przegrzania uwięzionej cząstki3,34,35.
W poniższej metodzie opisujemy kroki wymagane do zbudowania systemu zdolnego do efektywnego optycznego pułapkowania i rotacji nanocząstek metalu. Rozważane w tych badaniach złote nanopręty mają duże przekroje czynne rozpraszania, a ciśnienie promieniowania okazuje się silniejsze niż przeciwdziałająca siła gradientu w kierunku propagacji. Aby nadal ograniczać cząstki w 3D, wykorzystujemy równowagę sił między odpychaniem kulombowskim od powierzchni szkła a siłą rozpraszania lasera w kierunku propagacji. Ta konfiguracja pułapkowania 2D znacznie rozszerza zakres cząstek, które można wychwycić, w porównaniu ze standardowymi pęsetami optycznymi 3D i można ją łatwo połączyć z obrazowaniem optycznym i spektroskopią w ciemnym polu.
Uwięziona i obracająca się nanocząstka metalu oddziałuje ze swoim otoczeniem, a szczegółowe informacje na temat tej interakcji zawarte są w jej ruchach i właściwościach spektralnych. Po opisaniu sposobu konstruowania pęsety optycznej o polaryzacji kołowej, nakreślamy również, jak zintegrować oprzyrządowanie do sondowania dynamiki rotacji i pomiaru widm rozpraszania Rayleigha w układzie eksperymentalnym. Rezultatem jest wszechstronna platforma do badań zjawisk rotacji w nanoskali w fizyce, chemii i biologii.
Ten protokół zakłada, że badacz ma dostęp do odpowiednich nanocząsteczek metali koloidalnych, najlepiej monokrystalicznych nanoprętów złota. Złote nanopręty można kupić w wyspecjalizowanych firmach lub zsyntetyzować we własnym zakresie przy użyciu metod mokrej chemii. Nanopręty użyte w naszych eksperymentach zostały wytworzone metodą wzrostu za pośrednictwem nasion opisaną w Ye i wsp. 201336. Jest korzystne, jeśli morfologia i właściwości optyczne nanocząstek są dobrze scharakteryzowane, na przykład za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i pomiarów ekstynkcji optycznej. Rysunek 1 wyświetla dane zarejestrowane z takich pomiarów dla reprezentatywnych typów nanoprętów1.
Zarys protokołu jest następujący: W pierwszej sekcji opisujemy konstrukcję pęsety optycznej opartej na polaryzacji kołowej. W drugiej części opisujemy, w jaki sposób wydobywać informacje z nanosilnika, rejestrując jego dynamikę rotacji i właściwości rozpraszania. Częstotliwość rotacji i ruch rotacyjny Browna uwięzionej cząstki jest mierzony za pomocą spektroskopii korelacji fotonów poprzez projekcję wstecznie rozproszonego światła laserowego przefiltrowanego przez polaryzator liniowy na szybki detektor jednopikselowy3. Dopasowując dane do teoretycznej funkcji autokorelacji, można wyodrębnić zarówno częstotliwość rotacji, jak i czas zaniku rotacyjnej dyfuzji Browna2,3. Właściwości optyczne uwięzionej i obracającej się nanocząstki są mierzone za pomocą spektroskopii ciemnego pola, która dostarcza uzupełniających informacji o cząstce i jej otoczeniu. W trzeciej części opisujemy eksperymentalną procedurę wychwytywania i obracania nanoprętów złota.
Protokół opisany do tej pory jest prostą drogą do działającego systemu pęsety optycznej o polaryzacji kołowej do obracania nanocząstek. Czasami jednak pojawiają się problemy, które wymagają dodatkowej uwagi. W czwartej części przedstawiamy kilka typowych problemów, z którymi się spotkaliśmy, oraz sposoby ich rozwiązywania. Należą do nich kwestie związane z właściwościami optycznymi nanocząstek prowadzącymi do słabej stabilności pułapki (4.1), niskie częstotliwości rotacji spowodowane nieoptymalną polaryzacją kołową spowodowaną dwójłomnością rozdzielacza wiązki (4.2), przywieranie nanocząstek do powierzchni szkła z powodu niewystarczającego odpychania kulombowskiego (4.3) oraz odchylenie od charakterystycznego sygnału autokorelacji (4.4).

<table><tbody><tr><td>Nanocząstki</td><td></td><td></td> złota <td>Zakupiony lub domowy</td></tr><tr><td>komercyjny mikroskop odwrócony</td><td>Nikon</td><td>Eclipse TI</td><td></td></tr><tr><td>Laser pułapkujący</td><td>Cobolt</td><td>Flamenco 05-01&nbsp;</td><td>660 nm</td></tr><tr><td>Obiektyw</td><td>Nikon</td><td>CFI Plan Apo Lambda 40X</td><td></td></tr><tr><td>Laserowe gogle bezpieczeństwa</td><td>Thorlabs</td><td>LG4</td><td></td></tr><tr><td>Różne elementy optomechaniczne do montażu optyki.</td><td></td><td></td><td>Szeroka gama montaży, słupków i komponentów dowolnej firmy</td></tr><tr><td>Obiektyw 1 Teleskop Keplarian</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-035-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Obiektyw 2 Teleskop Keplarian</td><td>Thorlabs</td><td>LA1725-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Lustra pokryte srebrem</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Mocowania lusterek kinematycznych</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>Etap tłumaczenia</td><td>Thorlabs</td><td>PT1/M</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>50/50 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21000</td><td></td></tr><tr><td>Kamera CMOS</td><td>Andor</td><td>Zyla 5.5</td><td></td></tr><tr><td>Quarter waveplate (QWP, &lambda;/4)</td><td>Thorlabs</td><td>AQWP05M-600</td><td></td></tr><tr><td>Miernik mocy</td><td>Thorlabs</td><td>PM100USB</td><td></td></tr><tr><td>Czujniki mocy fotodiody</td><td>Thorlabs</td><td>S121C</td><td></td></tr><tr><td>Polaryzator liniowy</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td>Do laserowego pomiaru polaryzacji</td></tr><tr><td>360&deg; montaż obrotowy</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>Płyta półfalowa (HWP, &lambda;/2)</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td>Stosowany, gdy polaryzacja nie jest wystarczająca tylko dla skraplacza oleju QWP</td></tr><tr><td>DF</td><td>Nikon</td><td>C-DO Skraplacz ciemnego pola Olej&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>30/70 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21009</td><td></td></tr><tr><td>Szybki detektor Si</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Moduł akwizycji danych</td><td>National Instruments</td><td>USB-6361</td><td></td></tr><tr><td>Fiber 400 i mikro; m rozmiar rdzenia</td><td>Thorlabs</td><td>M74L01</td><td></td></tr><tr><td>montaż z translacją xy</td><td>Thorlabs</td><td>LM1XY/M</td><td></td></tr><tr><td>Polaryzator</td><td>liniowy Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometr</td><td>Princeton Instruments&nbsp;</td><td>IsoPlane SCT320&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Kamera CCD do spektrometru</td><td>Princeton Instruments&nbsp;</td><td>PyLoN&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Filtr wycinający</td><td>Semrock</td><td>NF03-658E-25</td><td></td></tr><tr><td>Filtr wycinający</td><td>Thorlabs</td><td>NF658-26</td><td></td></tr><tr><td>Myjka ultradźwiękowa wannowa</td><td>Branson</td><td>Branson 3510&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Szkiełko mikroskopowe</td><td>Ted Pella</td><td>260202</td><td></td></tr><tr><td>nr 1.5 Szkiełka nakrywkowe</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>Podstawowy detergent</td><td>Hellma</td><td>Hellmanex III</td><td>Czyszczenie, jeśli problemem jest przywieranie cząstek</td></tr><tr><td>Dystans Secure-Seal</td><td>Thermo Fisher</td><td>S24735</td><td>Taśma dystansowa z otworem, do wykonania celi próbnej</td></tr><tr><td>Olejek immersyjny</td><td>Zeiss</td><td>444960-0000-000&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PS beads</td><td>Microparticles GmbH</td><td>PS-R-5.0</td><td></td></tr><tr><td>Spektrofotometr</td><td>Agilent</td><td>Cary 5000 UV-Vis-NIR</td><td></td></tr><tr><td>SEM</td><td>Pęseta</td><td></td> Zeiss Ultra 55 FEG SEM <td></td></tr><tr><td>Dowolna marka</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego gold nanorod

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

Możliwość generowania i mierzenia rotacji i momentu obrotowego w nanoskali jest fundamentalnym przedmiotem zainteresowania dla badań i zastosowania biologicznych i sztucznych nanosilników i może dostarczyć nowych dróg do analizy pojedynczych komórek, badań termodynamiki nierównowagowej i mechanicznego uruchamiania systemów w nanoskali. Łatwym sposobem napędzania rotacji jest użycie skupionego światła laserowego spolaryzowanego kołowo w pęsetach optycznych. Dzięki takiemu podejściu, nanocząstki metaliczne mogą być eksploatowane jako wysoce wydajne silniki obrotowe napędzane rozpraszaniem, obracające się z niespotykaną częstotliwością rotacji w wodzie.
W tym protokole opisujemy budowę i działanie pęsety optycznej o polaryzacji kołowej do rotacji nanocząstek oraz opisujemy oprzyrządowanie potrzebne do rejestracji dynamiki Browna i rozpraszania Rayleigha uwięzionej cząstki. Widma ruchu rotacyjnego i rozpraszania dostarczają niezależnych informacji na temat właściwości nanocząstki i jej bezpośredniego otoczenia. Platforma doświadczalna okazała się przydatna jako nanoskopowy miernik lepkości i lokalnej temperatury, do śledzenia zmian morfologicznych nanoprętów i powłok molekularnych, a także jako przetwornik i sonda procesów fototermicznych i termodynamicznych.

Rotację oraz rotacyjny ruch Browna nanopręta złota, który jest właściwie uwięziony w pęsetach laserowych z polaryzacją kołową, można badać poprzez rejestrację fluktuacji natężenia rozproszonego światła (Rysunek 3a) przy użyciu detektora jednopikselowego. Widmo autokorelacji tego sygnału zawiera komponent oscylacyjny, podobny do przedstawionego na Rysunku 3b, który można dopasować do teoretycznej funkcji autokorelacji. Dopasowanie to pozwala na wyznaczenie częstotliwości rotacji oraz czasu zaniku autokorelacji nanopręta, który jest związany z rotacyjnymi fluktuacjami Browna.
Jak wspomniano w protokole (instrukcja 4.4.2), w celu zbierania wstecznie rozproszonego światła laserowego do spektroskopii korelacji fotonowej niezbędne jest zastosowanie rdzenia włókna o odpowiedniej grubości. W przeciwnym razie w funkcji korelacji pojawi się dodatkowy człon zaniku związany z translacją cząstek do i z objętości sondy, patrz Rysunek 4. Poprzez dokładną analizę mogłoby to dostarczyć więcej informacji o układzie; jednak komplikuje to analizę rotacyjnej dynamiki Brownowskiej zawartej w danych.
Aby uzyskać poprawne widma rozproszenia DF od uwięzionych nanocząstek, zgodnie z opisem w sekcji 3.5, surowe dane widmowe muszą zostać skalibrowane. Wykonuje się to poprzez zarejestrowanie widma lampy oświetlającej oraz widma tła (Rycina 5a). Podczas ogniskowania intensywnego światła laserowego na powierzchni szkła, takiej jak podłoże, względem którego uwięzione są nanopręty, może wystąpić fluorescencja (patrz. czerwony wkład widmowy w widmie tła na Rycynie 5a). Zanieczyszczenie fluorescencyjne można zredukować, stosując podłoża z topionego kwarcu. Niemniej jednak, i tak wysoce zaleca się zarejestrowanie widma tła dla pustych pęset optycznych przy odpowiedniej mocy lasera. Po zarejestrowaniu widma rozproszenia i skompensowaniu wszystkich składowych widmowych niezwiązanych z rzeczywistym rozproszeniem nanocząstki, widmo można dopasować w skali energii za pomocą funkcji dopasowania bi-Lorentzowskiej w celu wyodrębnienia informacji dotyczących pozycji piku LSPR (Rycina 5b).
<img alt="Obraz z mikroskopu i widma absorpcji; badanie optyczne nanomateriałów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Obrazy SEM i widma ekstynkcji dla dwóch reprezentatywnych partii nanocząstek. a) Pasek skali wynosi 200 nm. b) Obrazy SEM z niebieską/czerwoną obramowaniem w punkcie a) odpowiadają odpowiednio widmu czerwonemu/niebieskiemu. Piki widmowe związane z poprzecznym i podłużnym LSPR są wyraźnie rozróżnialne. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat układu fotonicznego z laserem, dzielnikami wiązki i spektrometrem do pomiaru wzbudzenia optycznego." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Schematyczny rysunek układu pęsety optycznej do pomiarów rotacji nanocząstek. Światło laserowe jest kolimowane i rozszerzane za pomocą teleskopu Keplerowskiego, a następnie kierowane do obiektywu przy użyciu dwóch ruchomych luster (M1, M2) i dzielnika wiązki (BS). Dwie płytki falowe na drodze wiązki laserowej optymalizują polaryzację kołową pęsety optycznej (λ/2, λ/4). Wstecznie rozproszone światło laserowe może być zbierane za polaryzatorem liniowym w celu przeprowadzenia spektroskopii korelacji fotonów oraz pomiarów dynamiki rotacyjnej. Po usunięciu światła laserowego, rozproszone białe światło jest kierowane do spektrometru lub kamery. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres analizy fluktuacji napięcia; wykres autokorelacji z danymi dopasowania; pomiar częstotliwości." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Reprezentatywne dane intensywności i autokorelacji wraz z dopasowaniem krzywej dla uwięzionego i rotującego nanopręta. a) Fluktuacje intensywności zarejestrowane przez detektor jednopikselowy za polaryzatorem liniowym przez 1s oraz powiększony wykres fluktuacji. b) Dane autokorelacji fluktuacji intensywności dla rotującego złotego nanopręta (niebieskie punkty), zebrane z rozproszonego wstecznie światła laserowego. Dane wykazują oscylację, która zanika po kilku okresach. Oscylacja jest powiązana z częstotliwością rotacji nanopręta, natomiast zanik wynika z rotacyjnego ruchu Browna. Wykonano dopasowanie do teoretycznej funkcji autokorelacji (czerwona linia), aby wyznaczyć częstotliwość rotacji f = 24285 ± 45 Hz oraz czas zaniku korelacji τ0 = 40.9 ± 1.06 µs. Niepewności f i τ0 reprezentują 95% przedziały ufności dopasowania, którego współczynnik determinacji (R2) wynosi 0.9877. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres danych korelacji włókna i wyniki mikroskopii; układ wzbudzenia optycznego; analiza emisji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Problem zbyt małej objętości sondy w pomiarach spektroskopii korelacji fotonowej. a) Dane autokorelacji dla rotującego złotego nanopręta, zebrane przy użyciu grubego (400 µm, dane niebieskie) i cienkiego (62,5 µm, dane czerwone) włókna. Pomiar za pomocą grubego włókna zapewnia, że nanopręt jest zawsze uwięziony w objętości sondy, a funkcja autokorelacji mierzy wyłącznie dynamikę rotacyjną. Dodatkowy człon zaniku wynikający z translacyjnego ruchu Browna pojawia się, gdy objętość sondy jest niewystarczająca. W punktach b) i c) przedstawiono schematy ilustrujące ten efekt oraz obrazy obszaru detekcji z oświetleniem tylnym. Paski skali wynoszą 2 µm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykresy analizy spektralnej; długość fali względem natężenia; energia względem rozpraszania; uwzględniono dopasowanie lorentzowskie." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Przykładowe widma rozpraszania w ciemnym polu zarejestrowane dla złotego nanopręta uwięzionego optycznie za pomocą światła lasera o długości fali 660 nm. Zakres spektralny 630-670 nm (1,85-1,97 eV) jest zniekształcony z powodu filtrów notch niezbędnych do zablokowania światła lasera pułapkującego. a) Surowe widma rozpraszania (ciemnoniebieskie) wykazujące cechy, które nie są właściwe dla rozpraszania cząsteczki i powinny zostać skalibrowane. Obejmują one widmo tła (czerwone), które zawiera autofluorescencję wzbudzoną przez silnie skupioną wiązkę laserową, oraz widmo wzbudzenia światłem białym (pomarańczowe, zarejestrowane bez filtra notch). Po kalibracji poprawione widmo rozpraszania (jasnoniebieskie) wykazuje dwa wyraźne piki LSPR, zgodnie z oczekiwaniami. Strzałki wskazują skalę dla każdego widma. b) Widmo rozpraszania dla uwięzionego nanopręta (niebieskie punkty) wraz z dopasowaniem do funkcji modelu bi-Lorentzowskiego (czerwone) z jego komponentami (jasnoniebieskie i pomarańczowe). Zniekształcony obszar spektralny został pominięty podczas dopasowania danych, a dopasowanie posiada wartość R2 równą 0,9975. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

Plazmoniczne nanopręty złota mogą być uwięzione w cieczach i obracane z częstotliwością kHz za pomocą pęsety optycznej o polaryzacji kołowej. Wprowadzenie narzędzi do analizy dynamiki Browna i spektroskopii rozpraszania światła prowadzi do powstania potężnego systemu do badań i zastosowań w wielu dziedzinach nauki.

Budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego Gold Nanorod

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

Ogólnym celem tego eksperymentalnego systemu jest generowanie i mierzenie rotacji i momentu obrotowego w skali nano za pomocą pęsety optycznej o polaryzacji kołowej. Obracające się obiekty mogą być badane za pomocą dodatkowego oprzyrządowania do analizy dynamiki Browna i spektroskopii rozpraszania światła. Metoda ta może pomóc nam odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu fizyki termicznej i optycznej w skali nano.Na przykład związane z dyfuzją Browna nanocząstki i przeniesieniem optycznego momentu pędu do nanocząstki. Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia stabilną rotację nanocząstek przy wysokich częstotliwościach, a pomiary dostarczają szczegółowych informacji o nanocząstce i jej bezpośrednim otoczeniu. Pomysł polega na uwięzieniu metalicznej nanocząstki za pomocą skupionej wiązki laserowej w konfiguracji pęsety optycznej.Jeśli laser pułapkujący jest spolaryzowany kołowo, nanocząstka będzie się obracać z powodu przeniesienia momentu pędu ze światła. Zbuduj konfigurację wokół odpowiedniego mikroskopu odwróconego. Zestaw zawiera elementy zarówno do pęsety optycznej, jak i pomiarów na uwięzionej cząstce.To jest schematyczne przedstawienie konfiguracji. Na razie skup się na elementach pęsety optycznej. Wybierz laser spolaryzowany liniowo 660 nanometrów o stabilnej mocy wyjściowej do 500 miliwatów.Użyj soczewek w konfiguracji teleskopu keplerowskiego, aby rozszerzyć wiązkę. Użyj luster w mocowaniach kinematycznych, aby skierować wiązkę lasera do mikroskopu. Wewnątrz mikroskopu użyj rozdzielacza wiązki 50 50, aby sprzęgnąć światło laserowe z obiektywem.Do wyrównania i zbierania danych dołącz kamerę na ścieżce odbitego światła. W takim przypadku obrotowe lustro wewnątrz mikroskopu może skierować na niego światło. Dostosuj soczewki keplerowskie, aby rozszerzyć wiązkę.Wiązka powinna być nieco większa niż tylny otwór obiektywu zalewkowego, aby zoptymalizować ostrość. Poruszaj się po ścieżce wiązki, aby sprawdzić kolimację. Średnica wiązki powinna być stała w miarę rozchodzenia się do celu.Ustaw ostrość laser na szklanym szkiełku lub lustrze. Wykonaj precyzyjne dostrajanie za pomocą lusterek na ścieżce wiązki. Nieprawidłowo ustawiony laser ma niepromieniowo symetryczny wzór intensywności.Jeśli laser jest wyrównany, jego wzór intensywności jest promieniowo symetryczny podczas zmiany ostrości powyżej i poniżej punktu ogniskowego. Teraz spolaryzuj wiązkę kołowo, wprowadzając płytkę ćwierćfalową. Ustaw go z szybką osią pod kątem 45 stopni do liniowej polaryzacji światła.Aby uzyskać optymalną wydajność obrotową, kluczowe znaczenie ma dobra polaryzacja kołowa lasera. W przypadku, gdy na tym etapie pojawi się problem, włóż płytkę półfalową, aby skorygować niekorzystną dwójłomność elementów optycznych na ścieżce wiązki. Na koniec ustaw system ciemnego pola i oświetlenie kołnierza za pomocą skraplacza zanurzonego w oleju.Naprawa elementów do spektroskopii korelacji fotonów. Zainstaluj rozdzielacz wiązki, aby przekierować światło z mikroskopu do portu. W porcie umieść zespół polaryzatora liniowego, a następnie stolik x y ze włóknem zbiorczym.Skoncentruj światło na włóknie kolekcji na etapie translacji xy. Światłowód ostatecznie trafi do szybkiej jednopikselowej krzemowej fotodiody. Upewnij się, że rozmiar rdzenia włókna zbiorczego jest wystarczająco duży, aby pomieścić obraz nanocząstki podczas jej wędrówek spowodowanych translacyjnym ruchem Browna.Jeśli to kryterium nie zostanie spełnione, zebrane dane mogą być trudne do interpretacji. Aby wyrównać włókno zbierające, przymocuj światło widzialne do jego niepodłączonego końca. Oświetli to podłoże w mikroskopie i umożliwi wizytę w obszarze zbierania włókna Dostosuj położenie włókna do etapu translacji.Zatrzymaj się, gdy obszar zbierania pokrywa się z położeniem pułapki optycznej. Następnie przesuń końcówkę światłowodu od źródła światła do detektora. Na tym schemacie elementy te reprezentują konfigurację potrzebną do spektroskopii korelacji fotonów.W przypadku konfiguracji spektroskopii ciemnego pola należy mieć spektrometr na miejscu. Skieruj światło na spektrometr z lustrem na ścieżce odbitej wiązki. W takim przypadku lustro znajduje się wraz z korpusem mikroskopu Użyj filtra wycinającego przed lustrem, aby usunąć zatrzymujące światło laserowe.Wyreguluj zwierciadła prowadzące tak, aby pęseta optyczna pokrywała się ze szczeliną spektrometru. Zacznij od przygotowania cząstek do eksperymentu. Rozcieńczyć cząstki w wodzie dejonizowanej do odpowiedniego stężenia.Sonikować rozcieńczony roztwór przez dwie minuty, aby rozbić agregaty i stworzyć jednolitą dyspersję. Następnie przygotuj próbkę komórki. Użyj szkiełka mikroskopowego i szkła nakrywkowego.Sonikować je przez pięć minut w acetonie, a następnie w izopropanolu. Po zakończeniu utwórz taśmę dystansową o głębokości 100 mikrometrów na szklanym szkiełku. Rozproszyć dwa mikrolitry rozcieńczonego roztworu nanocząstek w studzience.Umieść również dwa mikrolitry na szkle nakrywkowym. Połącz ze sobą dwie części komórki. Wewnątrz komory nie powinno być żadnych pęcherzyków powietrza.Przenieś komórkę do stolika mikroskopu. Tam umieść jeden olejek immersyjny dopasowany do indeksu kropli na wierzchu próbki. Umieść kolejną kroplę na skraplaczu.Rozpocznij eksperyment z zablokowanym laserem pułapkującym. Zlokalizowano odpowiednią cząstkę poprzez obserwację w systemie obrazowania ciemnego pola. Odblokuj laser i manipuluj stolikiem i skup się, aby popchnąć cząstkę do przodu w kierunku interfejsu szkła wodnego.W przypadku pomiarów dynamiki rotacji zbierz intensywność oscylacji za pomocą krzemowego fotodetektora. Do pomiarów spektroskopowych należy rozpocząć od podłoża z gęsto rozproszonych, równomiernie rozsypujących się kulek polistyrenowych. Zarejestruj widmo światła białego z odpowiedzi rozpraszania substratu.Następnie zastąp próbkę kulki w mikroskopie próbką nanocząstek. Nagraj widmo tła ze światłem rozproszonym z miejsca pułapki. Następnie zablokuj całe światło z detektora, zarejestruj ciemne widmo w tym stanie.Usuń blok z wiązki, na koniec uwięzij nanocząstkę i zapisz związane z nią surowe widmo. Są to fluktuacje intensywności wstecznie rozproszonego światła laserowego z uwięzionego, obracającego się nanopręta. Z tak nieprzetworzonych danych trudno jest wydobyć informacje w jakiejkolwiek skali czasowej.Jednakże, gdy dane o intensywności są automatycznie skorelowane, pokazują oscylacje związane z częstotliwością obrotu nanopręta. Zanik oscylacyjny po kilku okresach jest spowodowany rotacyjnym ruchem Browna. Czerwona linia jest dopasowana do teoretycznej funkcji automatycznej korelacji, z której można uzyskać szczegółowe informacje o ruchu obrotowym.Tutaj surowa rozproszona intensywność z uwięzionego pręta nano jest w kolorze ciemnoniebieskim. Jest zniekształcony przez obecność filtra wycinającego. Aby wyizolować widmo rozpraszania nanopręta, skalibruj surowe dane z widmem tła w kolorze czerwonym i widmem wzbudzenia światła białego w kolorze pomarańczowym.Jest to skorygowane widmo rozpraszania. Widmo pokazuje dwa odrębne, zlokalizowane, powierzchniowe rezonanse plazmonowe, zgodnie z oczekiwaniami. Na tym wykresie niebieskie punkty są widmem rozpraszania z uwięzionego nanopręta z pominięciem zniekształconego obszaru widma.Czerwona krzywa jest dopasowaniem funkcji modelu bi-Lorentza. Elementy pasowania są w kolorze jasnoniebieskim i pomarańczowym. Po skonstruowaniu konfiguracji i opanowaniu techniki, eksperyment z pułapką optyczną i rotacją można przeprowadzić w ciągu kilku godzin, jeśli zostanie wykonany prawidłowo.Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o użyciu odpowiednich nanoprętów, które dominują rezonans po niebieskiej stronie długości fali lasera, powinny one również mieć wyraźnie oddzielone piki rezonansowe, a jednocześnie być fizycznie wystarczająco duże, aby można je było stabilnie uwięzić. Pęseta optyczna do eksperymentów z rotacją nanoprętów może być skonstruowana przy użyciu szeregu różnych długości fal laserowych, obiektywów mikroskopowych i mikroskopów z niewielkimi zmianami. Co więcej, oprzyrządowanie do translacyjnych pomiarów Browna można łatwo dodać w celu gromadzenia danych uzupełniających.Ta platforma rotacji nanocząstek okazała się przydatna jako oscyloskopowy miernik lepkości i lokalnej temperatury, do śledzenia zmian morfologicznych nanoprętów i powłok molekularnych oraz jako przetwornik i sonda procesów fototermicznych i termodynamicznych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przeprowadzać eksperymenty z pęsetą optyczną na metalowych nanoprętach. Jak je obracać za pomocą światła spolaryzowanego kołowo i jak wydobywać informacje za pomocą spektroskopii korelacji fotonów i spektroskopii ciemnego pola.Nie zapominaj, że praca z laserami może być bardzo niebezpieczna dla oczu, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak noszenie laserowych okularów ochronnych i odpowiednich filtrów laserowych oraz procedur obsługi.

construction-operation-light-driven-gold-nanorod-rotary-motor

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Fundamentalnym problemem w naszym rozumieniu obwodów korowych jest sposób, w jaki sieci w różnych warstwach kory kodują informacje sensoryczne. W niniejszej pracy opisujemy techniki elektrofizjologiczne z wykorzystaniem wielokontaktowych elektrod laminarnych do rejestracji pojedynczych jednostek oraz potencjałów polowych (LFP) i przedstawiamy analizy służące do identyfikacji warstw kory.

Badanie przetwarzania w lokalnych sieciach za pomocą rejestracji z zastosowaniem wielokontaktowych elektrod laminarnych

Opisano projektowanie, wykonanie i montaż ultralekkiego zmotoryzowanego mikronapędu. Urządzenie stanowi kosztowo efektywne i łatwe w użyciu rozwiązanie do chronicznych rejestracji pojedynczych jednostek u małych zwierząt w warunkach behawioralnych.

Projekt i montaż ultralekkiego zmotoryzowanego mikronapędu do chronicznych rejestracji neuronalnych u małych zwierząt

Ten protokół opisuje, jak wykorzystać przejściowe ogrzewanie związane z optyczną absorpcją nanoprętów złota do stymulowania różnicowania i wewnątrzkomórkowej aktywności wapnia w komórkach neuronalnych. Wyniki te potencjalnie otwierają nowe zastosowania w protezach neuronalnych i podstawowych badaniach w neurobiologii.

Stymulacja optyczna komórek neuronalnych wspomagana złotem nanoprętami

Skalowalność i rozdzielczość konwencjonalnych technik manipulacji optycznej są ograniczone przez dyfrakcję. Obchodzimy granicę dyfrakcji i opisujemy metodę optycznego transportu nanocząstek przez chip za pomocą złotej powierzchni z wzorem ścieżki blisko rozmieszczonych rezonatorów plazmonicznych w kształcie litery C.

Produkcja i eksploatacja nanooptycznego przenośnika taśmowego

Przedstawiono jednoetapową metodę wytwarzania w celu uzyskania samodzielnej podwójnej heterostruktury epitaksjalnej. Podejście to może doprowadzić do osiągnięcia pokrycia ZnO o większej gęstości liczbowej niż w przypadku pojedynczej heterostruktury epitaksjalnej, co doprowadzi do powstania nanogeneratora piezoelektrycznego o zwiększonej wyjściowej wydajności elektrycznej.

Przygotowanie podwójnej heterostruktury epitaksjalnej nanopręta ZnO/grafenu/nanopręta ZnO dla nanogeneratora piezoelektrycznego za pomocą podgrzewania hydrotermalnego

Tutaj wytwarzamy 3D polimerowe mikro/nano struktury, w których zarówno kształt, jak i wyrównanie molekularne mogą być zaprojektowane z dokładnością do skali nanometrowej za pomocą bezpośredniego pisma laserowego. Indukowane światłem odkształcenia kilku typów mikrostruktur elastomerów ciekłokrystalicznych mogą być kontrolowane w skali mikroskopowej.

Siłowniki do oświetlenia o dowolnym kształcie -- Wytwarzanie i sterowanie uruchamianiem w skali mikroskopowej

Prezentujemy konstrukcję hipernapędu do druku 3D z osiemnastoma niezależnie regulowanymi tetrodami. Hipernapęd ma za zadanie rejestrować aktywność mózgu swobodnie zachowujących się szczurów przez okres kilku tygodni.

Budowa ulepszonego hipernapędu wielotetrodowego do wielkoskalowej rejestracji neuronalnej u zachowujących się szczurów

Nanomateriały zapewniają wszechstronne mechanizmy kontrolowanego dostarczania terapeutycznego zarówno dla nauk podstawowych, jak i zastosowań translacyjnych, ale ich wytwarzanie często wymaga specjalistycznej wiedzy, która jest niedostępna w większości laboratoriów biomedycznych. W tym miejscu przedstawiamy protokoły skalowalnego wytwarzania i ładowania terapeutycznego różnorodnych, samoorganizujących się nanonośników za pomocą nanoprecypitacji błyskawicznej.

Szybkie, skalowalne składanie i ładowanie bioaktywnych białek i immunostymulantów do różnych syntetycznych nanonośników za pomocą nanoprecypitacji błyskawicznej

Rękopis opisuje, jak zsyntetyzować i zaszczepić silnik molekularny na powierzchniach do obrazowania pojedynczych molekularnych.

Napędzane światłem silniki molekularne na powierzchniach do obrazowania pojedynczych cząsteczek

Celem tego protokołu jest tworzenie zespołów silników molekularnych na nanostrukturach origami DNA i obserwowanie ruchliwości zespołu za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej z całkowitym wewnętrznym odbiciem.

Produkcja zespołów motorycznych dyneiny i kinezyny na nanostrukturach DNA origami do obserwacji pojedynczych cząsteczek

Tutaj pokazujemy użycie tradycyjnej mikroskopii ciemnego pola do monitorowania dynamiki nanoprętów złota (AuNR) na błonie komórkowej. Lokalizacja i orientacja pojedynczych AuNR są wykrywane za pomocą ImageJ i MATLAB, a stany dyfuzyjne AuNR są charakteryzowane przez analizę śledzenia pojedynczych cząstek.

Wizualizacja dynamiki dyfuzyjnej nanoprętów złota na błonie komórkowej przy użyciu mikroskopii ciemnego pola pojedynczych nanocząstek

Poznaj metodę pomiaru rotacji i momentu siły w skali nanometrycznej za pomocą optycznych pęset z kołowo spolaryzowanym światłem laserowym. Technika umożliwia stabilną rotację nanocząstek złota przy wysokich częstotliwościach.

Budowa i działanie napędzanego światłem układu silnika obrotowego Gold Nanorod

Przeglądaj więcej filmów