Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Tek plasmonik Nanoparçacığı gelen doğrusal olmayan Saçılma Ölçülmesi

doi: 10.3791/53338 Published: January 3, 2016

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Plazmonik çalışma nedeniyle birçok farklı alanda 1-4 uygulamaları büyük ilgi gördü. Plazmonik en araştırılmıştır alanlardan bir yüzeyi plazmonik, olduğu bir metal ve dielektrik arasında bir arayüz de harici bir elektromanyetik dalga ile iletim elektron çiftler kolektif salınım. Yüzey plazmonik subwavelength optik, biofotonik ve mikroskopi 5,6 yılında potansiyel uygulamalar için incelenmiştir. Kısmi yüzey plazmon rezonansı (LSPR) nedeniyle metal nanopartiküllerinin ultra küçük bir hacmi içinde kuvvetli alan geliştirme nedeniyle sadece parçacık boyutları, partikül şekilleri ve çevreleyen ortamın 7 dielektrik özelliklerine olağanüstü duyarlılık, geniş ilgi çekmiştir -10, aynı zamanda, çünkü doğal olarak zayıf doğrusal olmayan optik etkileri 11 artırmak için kabiliyetini. LSPR olağanüstü duyarlılık biyo-algılama ve yakın fie için değerlidirld görüntüleme teknikleri 12,13. Öte yandan, plasmonik yapılarının gelişmiş doğrusal olmayan optik anahtarlama ve tüm optik sinyal işleme 14,15 gibi uygulamalarda fotonik entegre devrelerde kullanılabilir. İyi plasmonik absorpsiyon, düşük yoğunluk seviyeleri uyarma yoğunluğu ile doğrusal olarak orantılı olduğu bilinmektedir. Uyarma yeterince güçlü olduğunda, emme doygunluk ulaşır. İlgi çekici bir yüksek yoğunluklarda, absorpsiyon tekrar artar. Bu doğrusal olmayan etkiler saturable emme (SA) 15-17 olarak adlandırılan ve sırasıyla doyurulabilir emilimi (RSA) 18 ters vardır.

Bu LSPR nedeniyle saçılım plasmonik yapılarda özellikle güçlü olduğu bilinmektedir. Temel elektromanyetik dayanarak, olay yoğunluğu karşısında saçılma cevabı doğrusal olmalıdır. Bununla birlikte, nanopartiküller, yayılma ve emilme yakın Mie teorisi ile bağlı olan, ve her ikisi de, e olabilirdielektrik sabiti gerçek ve hayali parçaları açısından xpressed. Tek bir GNS hafif aydınlatma altında bir dipol gibi davranır varsayımı altında, Mie teorisine göre tek plasmonik nanoparçacık gelen saçılma katsayısı (Q sca) ve soğurma katsayısı (Q abs) 19 olarak ifade edilebilir

Denklem 1

x 2 πa burada / λ bir kürenin çapı ve m, 2 ε m / ε d. Burada ε m ve ε d sırasıyla çevredeki Dielektriklerin metal dielektrik sabitleri ve bir karşılık gelmektedir. Saçılma katsayısı şeklinde yana th benzerdire emme katsayısı, bu nedenle tek bir plasmonik nanopartikülün 20 doyabilen saçılma gözlemlemek bekleniyor.

Son zamanlarda, izole bir plasmonik parçacık nonlineer doyabilen saçılma ilk kez 21 gösterilmiştir. Bu uyarım yoğunluğu arttığı derin doymuşluktaki, aslında saçılma şiddeti hafif bir azalma dikkat çekicidir. Uyarma yoğunluğu saçılma doymuş oldu sonra artan sürdürdü bile daha belirgin, saçılma şiddeti doyabilen ters 20 saçılma etkisini gösteren, yine yükseldi. Dalga boyundan ve boyut bağımlı çalışmalar 21 saçılma LSPR ve doğrusal olmayan arasında güçlü bir ilişki olduğunu göstermiştir. Plasmonik saçılma yoğunluğu ve dalgaboyu bağımlılıklar, bu doğrusal olmayan davranışlar altında ortak bir mekanizmayı göstermektedir emme kişilerce çok benzerdir.

Uygulama açısından, iyi kullanımları bilinmektedirwn o nonlineerlik optik mikroskop çözünürlüğü artırmak için yardımcı olur. 2007 yılında, doymuş uyarma (SAX) mikroskopi uyarma kiriş 22 bir zamansal sinüzoidal modülasyonu yoluyla doymuş sinyalini çıkartma ile çözünürlüğünü artırmak, hangi önerilmiştir. SAX mikroskopi, bir lazer odak nokta için, yoğunluk periferinde daha merkezde güçlü kavramına dayanmaktadır. Sinyal (floresan veya saçılma ya) doyma davranışı sergilerse lineer tepki periferdeki kalırken, doygunluk, merkezden başlamak gerekir. Sadece doymuş bir kısmını ayıklamak için bir yöntem varsa periferik kısmını reddederken, bu nedenle, bu nedenle etkili uzaysal çözünürlüğü arttırmak, sadece merkez kısmını bırakacaktır. Prensip olarak, sürece derin doygunluk ulaşıldığında SAX mikroskopi hiçbir düşük çözünürlüklü sınırı yoktur ve yoğun aydınlatma nedeniyle hiçbir örnek hasar var.

Bu çözünürlük gösterilmiştirfluoresans görüntüsü n anlamlı SAX tekniği kullanarak arttırılabilir. Bununla birlikte, floresans ışıkla ağartma etkisi uğrar. Saçılma nonlineer keşfini ve SAX kavramını birleştiren saçılma dayalı süper çözünürlüklü mikroskopi 21 gerçekleştirilebilir. Geleneksel süper çözünürlüklü mikroskop ile karşılaştırıldığında, saçılma tabanlı teknik olmayan yeni ağartma kontrast yöntem sağlar. Bu yazıda, bir adım-adım açıklama elde etmek ve plasmonik saçılma lineer olmayan ayıklamak için gerekli prosedürleri ana hatlarıyla verilir. Olay yoğunluğunu değiştirerek kişiye saçılma doğrusal olmayan belirleme yöntemleri tarif edilmektedir. Daha fazla detay bu nonlinearities tek nanopartiküllerin görüntüleri etkiler ve nasıl uzamsal çözünürlük SAX tekniği ile buna göre artabilir nasıl çözülmeye sağlanacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. gns Numune Hazırlama

  1. LSPR pik kaymasına neden olabilir partikül agregasyonunu önlemek için, yaklaşık 40 kHz en az 15 dakika boyunca örnek, sonikasyon 1 mi gns koloit çözelti hazırlamak önce.
  2. GNSS düzeltmek için ticari magnezyum alüminyum silikat (MAS) kaplama ile bir slayt cama GNS kolloid 100-200 ul bırakın.
  3. En az 1 dakika sonra, distile su ile yıkama ekstra kolloid çıkarın. Bekleme süresi GNSS gerekli dağıtım yoğunluğuna bağlıdır. Tipik haliyle, çoğu birbirinden izole edilir çünkü parçacıklar kolayca tespit edilmesini sağlar, uygun bir yoğunlukta 1-3 dakika sonuçlanır. Bekleme süresi çok uzunsa, önemli kümelenme meydana gelebilir.
  4. Azot gazı ile tasfiye ederek örnek kurutun.
  5. (İsteğe bağlı), yüksek çözünürlüklü camına GNSS Haritayı Bu aşamada 23 at taramalı elektron mikroskobu (SEM) gerçekleştirmek için. Örnek görüntü Figür sağlanane 1, GNSS karakteristik yoğunluğunu gösteren. Görüntü elde etmek için bir alan emisyonu SEM kullanın. Yağ numunesi (sonraki adım) üzerine eklendikten sonra, bu yağ kaldırmak ve SEM ile numuneyi gözlemlemek zor olacaktır.
  6. GNSS kapsayacak şekilde numune üzerine aynı kırılma indeksi ile petrol bir damla ekleyin ve cam taban güçlü yansıma ortadan kaldırmak için.
  7. Numunenin üstüne bir kapak camı ve tırnak cilası ile sızdırmaz.
  8. Oje kuruyana kadar en az 5 dakika bekleyin. Numune artık hazır.

Ev inşa Konfokal Mikroskop 2. Hizalama

  1. Kurulum şeması Şekil 2'ye bakınız. Mikroskop gövdesine kendisinin beyaz ışık aydınlatma yolunu hizalayın. Mikroskop halojen ışık kaynağına açın ve Köhler aydınlatma koşulunu sağlamak için mikroskop üreticinin kılavuzuna izleyin. Beyaz halojen ışık demetleri arka neredeyse paralel olduğundan emin olunobjektif diyafram, kısmen 50/50 ışıkbölücü tarafından yansıtılan ve daha sonra lazer doğru yaymak.
  2. Onlar tarama aralığının merkezinde olduğu doğru başlangıç ​​pozisyonuna, kalmasını sağlamak için galvano aynalar açın.
  3. Halojen ışık yolu boyunca, üzerinde konsantrik halkalar ile bir kağıt ince bir tabaka tarafından yapılan en az iki hedefi, koyun ve halojen kiriş ile hizalayın.
  4. Görüntüleme gerçekleştirmek için, 532 nm lazer seçin. Spektroskopi ölçümleri gerçekleştirmek için, süper süreklilik lazer seçin. Hizalama sırasında, lazerlerin gücü lineer olmayan önlemek için objektif arka diyafram açıklığında az 10 uW olmalıdır. Daha sonra, iki hedefleri yardımıyla giden halojen ışınına olay lazer ışını tersini .birleştirecek. Bu işlem tamamlandıktan sonra, lazer ışınının kaba uyum elde edilmiştir.
  5. Objektif lens arka diyafram merkezi aracılığıyla lazer ışını aynı hizaya getirin. Tipik olarak bir OI kullanımıl-daldırma objektif. Yağ daldırma objektif lens ve GNS numune arasındaki petrol bir damla ekleyin. GNSS saçılması sinyallerini toplamak için detektör olarak bir photomultiplier tüp (PMT) kullanın.
  6. Sinyalleri saçılma out-of-focus engellemek için PMT önünde 20 mikron çaplı iğne deliği yerleştirin. , Galvano aynalar ve (ev yapımı bir yazılım aracılığıyla) PMT açın GNSS gerisaçılımı sinyallerini maksimize etmek örnek aşamasının iğne deliği konumu ve yüksekliği ayarlayın, ve daha sonra bir bilgisayar ekranında bir birey GNS görüyoruz. Doğru hizalanma GNSS bir numunesi xy görüntüsü, Şekil 2B'de gösterilmiştir.
  7. Biraz odak konsantrikliğin kontrol etmek için numune aşamasının yüksekliğini değiştirmek. O konsantrik değilse, numune aşamasında yüksekliği değiştiğinde ise aynı konumda kalır GNS merkezinin kadar Tarayıcının önünde iki ayna ile ışın ayarlayın. PSF xz görüntüsü 2C Şekil benzer olduğundan emin olunDoğru ışın uyumun sağlanması. Low-pass ve Gauss pürüzsüz filtreler ile bu iki görüntüleri işlemek.

Saçılma Nonlinearite 3. Karakterizasyonu

  1. Düşük uyarım yoğunluğu (az 10 4 W / cm2) olarak, protokol 2.6 izleyerek altın nanopartiküller bir görüntü kazanır.
  2. ImageJ görüntü (ya da başka herhangi bir görüntü analiz yazılımı) açın. Görüntüdeki GNSS biri boyunca bir çizgi (Şekil 2B bakınız) çizin ve Analiz kullanın -> ImageJ araçları Arsa profili saçılması yoğunluk profili almak için. Gauss fonksiyonu tarafından seçilen PSF profiline uyan:
    Denklem 2
    y, y 0, arka plan değeri (eğer varsa), PMT okuma değeri olduğu bir tepe genliği genişliği w, x, mekansal koordinatı, ve x, c merkezi koordinat olanGauss fonksiyonu e. Karşılık gelen PSF FWHM (½ln2) w. Amacın sayısal açıklık (NA) göre, konfokal PSF teorik FWHM l emisyon dalga boyu yaklaşık olarak 0.43l / NA, olduğu tahmin edilebilir. Görüntüleme sisteminin uyumu kontrol etmek için bu iki sayıyı karşılaştırın.
  3. El Şekil 2A nötral yoğunluk (ND) filtresi değiştirerek uyarma yoğunluğunu arttırmak ve her yoğunluk seviyesinde geri saçılma görüntüleri kaydetmek. Farklı uyarma yoğunluklarda her GNS merkezinden saçılma sinyalinin değerini alın ve uyarma yoğunlukları karşı sinyalleri saçılma eğri çizilir. Uyarma yoğunluğu yeterince düşük olduğunda doğrusal bir ilişki sergiler gereken ilk birkaç puan lineerliğini edin. İlk birkaç noktalarının doğrusal bağlantısına göre bir çizgi çizin. Sonraki noktaların saçılma yoğunlukları bu doğrusal eğilim, Doygunluk altına düşer isen meydana geldi.
  4. Doyurulabilir saçılma gözlemledikten sonra, yavaş yavaş doygunluk eşiğinin altında yoğunluğunu azaltmak ve görüntü aynı GNSS yine doğrusal olmayan davranışların reversibilite sağlamak.

Tek Altın Nanokürecikli bir Saçılma Spectrum 4. Ölçümü

  1. Tek bir GNS gelen geri saçılma spektrumu ölçmek için lazer kaynağı olarak süper süreklilik lazer kullanın. Lazerin dalga boyu 450 nm, ilk 1750 nm arasında değişir. Örnek ve optik bileşenlerin zarar verebilir aşırı kızılötesi gücünü kesmek için, görünür ışık yansıtmak için sağ süper süreklilik lazer sonra bir veya iki aynalar yerleştirmek, ve ışın aşırı kızılötesi ışık toplamak için döker kullanın.
  2. Lazer tarama konfokal mikroskop içine süper süreklilik lazer doğrudan Bölüm 2. hizalama prosedürleri uygulayın. Bütün görünür aralığında spektral kapsama sağlamak için bir Broadband 50/50 BS kullanın.
  3. Edinme bircamına GNSS görüntü. Görüntüde tek bir GNS bulun ve parçacık üzerindeki olay genişbant ışığın odağı sabitleyin.
  4. Bir şarj çiftli cihazı ile donatılmıştır spektrometre, doğru gerisaçılımı sinyalini doğrudan PMT önünde bir saygısız ayna kullanın ve sonra seçilen tek GNS bir spektrum alır. Burada spektrum GNS saçılma ve arka karışımı nedeniyle diğer eşyalardan yansıyarak olduğunu dikkatli olun.
  5. Geri PMT detektörü geçin ve parçacık konumu değişmedi onaylamak için başka bir fotoğraf çekmek. Daha sonra, herhangi bir parçacık mevcut olduğu bir noktaya odak kayması. Geri spektrometre geçin ve arka plan temsil etmektedir fazla spektrum almak.
  6. Tek bir GNS net bir gerisaçılımı spektrumunu elde etmek için adım 4,4 yelpazenin adımda 4.5 arka plan spektrumu çıkarın.

SAX Mikroskop 5. Hizalama

  1. Bkz: Şekil 3İdeal sinüzoidal zamansal modülasyon iki acousto-optik modülatörlere (AOMs) arasındaki yendi frekansı elde edilir SAX mikroskop, düzeni için. İlk olarak, daha sonraki AOMs ihtiyacını karşılamak için lazer ışını boyutunu ayarlamak. 50/50 ışın ayırıcı kullanarak iki kiriş içine 532 nm lazer ışığı bölün.
  2. Tek kiriş Her AOM geçerek birlikte, iki AOMs aracılığıyla iki kirişler Kılavuzu. İki AOMs modülasyonlu frekansları farklı olmalıdır. Örneğin, bir 10 kHz frekans farkı, sonuçta 40,000 MHz ve 40,010 MHz diğer tarafta olabilir. Bu fark frekans SAX sinyalleri için temel modülasyon frekansı f m olacaktır.
  3. Her iki AOMs gelen ilk düzeni kırınan kirişler alın ve başka 50/50 ışın ayırıcı kullanarak iki kirişler birleştirir. İki kiriş .birleştirecek için AOMs sonra aynaları ayarlayınız.
  4. Zamansal modulatio izlemek için bir osiloskop bağlı bir fotodedektör eklemen. Bir slayt cam lazer küçük bir kısmını bölmek ve Şekil 3'te görüldüğü gibi, fotodedektör gönderebilirsiniz. Doğru modülasyon ve ışın üstüste ile, ana frekans f m gösterilen dalga benzer sinüzoidal yoğunluk modülasyonu gözlemlemek Şekil 4'te.
    Not: modülasyon arka maksimum modülasyon derinliği elde etmek için mümkün olduğu kadar düşük olması gerekmektedir. Buna ek olarak, modülasyon harmonik bozulma azalan olup olmadığını kontrol etmek osiloskop Fourier analizi işlevini kullanın. Başarılı SAX uygulanmasını sağlamak için, minimize başlangıç ​​nonlineeritenin ile mükemmel bir sinüs uyarma yoğunluğu modülasyonu sağlamak.
  5. Osiloskoptan photodetector elektrik çıkışını ayırın ve bir kilit-amplifikatör referans girişine bağlayın.
  6. Şekil 3'te gösterildiği gibi, daha önceki protokoller izlenerek konfokal sisteme lazer ışını hizalayın. Here, sinyal girişi olarak kilit-amplifikatör PMT elektrik çıkışını bağlayın.
  7. Örnek olarak boş bir kapak camını kullanın ve dedektör 1-V okuma değerinin altında doğrusal Şekil 5, görüldüğü gibi ,, yavaş yavaş uyarım gücünün artırılması ile elektrik algılama sistemi lineerliğini kontrol edin. Sonraki tüm ölçümlerde, bu değerin altına okuma tutmaya özen gösterin.
  8. Gerilim sinyalin mutlak büyüklüğünü ihracat kilit-amplifikatör çıkışını ayarlayın. Referans kanal ayarını harmonik bileşeni değiştirerek, böylece SAX sinyalleri, A 1, A 2 genlikleri elde ve.
  9. Ayrıca raster tarama galvano aynalar sürüş gerilim sinyallerini alan bir veri toplama kartı, kilit-amplifikatör gelen doğrusal ve doğrusal olmayan sinyaller dışa aktarın. Özelleştirilmiş bir Labview programı yardımıyla, kilit-amplifikatör ve sinyalleri senkronizegalvano bir görüntü oluşturmak için aynaları.
  10. Görüntülerde sinyal-gürültü oranını optimize etmek için, uygun kilit-amplifikatör piksel edinimi ve entegrasyon sürelerini seçin. Uyarma ana modülasyon frekansı f 10 m kHz dönem 100 mikro-saniyeye olduğu zaman, olduğu zaman, örneğin, döneme göre en az üç kat daha uzun olması için kilit-amplifikatör entegrasyon zamanını ayarlayın. Galvano ayna hareketinin zaman ekleyerek, satın alma hızı SAX görüntüleme modunda saniyede 1500 piksel olarak belirlenmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Şekil 6, 80 nm GNS ölçülen spektrumunu göstermektedir. Mie teorisine dayalı bir hesaplanan eğri mükemmel anlaşmayı gösteren aynı arsa verilmiştir. LSPR zirve 580 nm civarındadır. Aşağıdaki deneyde, lazer dalga boyunun plasmonik etkisi optik saçılma geliştirmek ve doygunluk 21 saçılma sağlamak için plasmonik bant içinde yer almaktadır seçildi 532 nm oldu.

Şekil 7 farklı uyarma yoğunluklarında tek altın nanopartikülünün görüntülerini dağıtarak hediyeler ve alt sıra lineer olmayan vurgulamak için her parçacığın hat profili sağlar. Görüntü boyutu 600 nm × 600 nm ve piksel boyutu 13.8 nm. Satın alma hızı, normal xy görüntüleme modunda saniyede 234.000 piksel idi. Her görüntü sinyal gürültü oranı artırmak için beş kazanımları ortalama edildi.

Uyarım yoğunluğu daha düşük olduğunda,1,5 x 10 6 W / cm2, saçılma yoğunluğu uyarım doğrusal olarak bağlıdır, bu nedenle tek bir nanoparçacık elde edilen görüntü standart Gauss profili ile, uyarma kirişin PSF benzemektedir. 1.7 × 10 6 W / cm2, PSF üstündeki sadece net düzleşme uyarım şiddeti artar görülmektedir Ancak, aynı zamanda doygunluğu belirten FWHM genişletilmesi. Çok ilginç bir şekilde, biraz daha yüksek yoğunluklarda, merkezi yoğunluğu halka şekilli PSF sonuçlanan periferal daha az hale gelir. Uyarım yoğunluğunun artmaya devam etmektedir Daha sonra, saçılma yoğunluğu ters doygunluğu ortaya PSF merkezinde yeni bir zirve ile sonuçlanan, daha artar.

Şekil 8. Bu eğri clearl noktalar ile gösterildiği gibi farklı uyarma yoğunluklarda PSFs merkez yoğunluklarını çizerek, saçılma yoğunluğu bağımlılığı, elde ediliry doygunluk ve ters doygunluk davranışları eğilimleri ortaya koymaktadır. Beklendiği gibi, bu doğrusal olmayan soğurma 15-17 yoğunluğu bağımlılığı çok benzer görünüyor. Doğrusal olmayan emme analiz tipik bir yöntem izlenerek, bir polinom fonksiyonu doğrusal olmayan saçılma sonucu uyacak şekilde kullanılmıştır. Ancak, üçüncü dereceden doğrusal olmayan burada, beşinci dereceden lineer olmayan sonuçlarını modeli için yeterli olduğu en doğrusal olmayan soğurma çalışmaları, farklı daha saçılma eğrisi uyacak şekilde gerekli oldu.

5. bölümünde belirtildiği gibi, harmonik frekans bileşenleri deneysel bir kilit-amplifikatör tarafından elde edilebilir, ve sonuçlar, Şekil 9A'da verilmiştir. Öte yandan, harmonik bileşenler Şekil 8. Birinci hesaplanabilir, Şekil 8 uyacak şekilde, ben uyarım şiddeti bir polinom fonksiyonu kullanmak, bu yüzden β, γ .... Biz can, uydurma parametreleri var α Daha sonra uyarma INTENS ifadet zaman zamansal olarak modüle fonksiyonu I (t) = I 0 (1 + cos (2 πf m t)) / 2 olarak Sığ, f m modülasyon frekansı, ve 0 maksimum uyarma yoğunluğudur. S (I) 'in içinde G (t) ikame edilmesiyle ve olmak tarafından Fourier frekans alanına sonuçtaki S (I (t)) dönüştürmek için dönüştürme, aşağıdaki denklemi birden delta fonksiyonunun (δ) oluşmaktadır adres:

Denklem 3

Her bir delta fonksiyonunun katsayısı (A 0, A 1, A 2, vs.), karşılık gelen harmonik frekansta SAX sinyalinin genliğini temsil etmektedir. SAX signa tekabül eden bu katsayılar,Farklı armoniklerde l güçlü, uydurma parametreleri α, γ ..., β fonksiyonları olarak yazılabilir:

Denklem 4

Hesaplama sonuçları Şekil 9B'de gösterilmektedir. Deneysel ve hesaplama araziler özellikle şu iki açıdan yakından katılıyorum.

İlk olarak, 2 f m ve 3 m m eğrilerin boyunca belirli şiddetlerde dips gösteren düzgün değil. İki dips 3 f m eğrileri görülmektedir ise her iki şekillerde, 2 f m eğrileri üç dips vardır. İkincisi, yamaçları farklı uyarma yoğunlukları ile farklıdır. Uyarma yoğunluğu yüksek değilse, 1 f m, 2 m f ve 3 f m eğimleri 1, 2, ve 3 vardır, sırasıyla. Ancak, her dalış sonrası, gelen doğrusal olmayan eğrilerin eğimleri daha büyük olur.

Doğrusal olmayan bileşenler uyarma yoğunluğu dips genelinde artar SAX tekniği yoluyla ayıklanır eğer dips ve eğim varyasyonları ile, alışılmamış PSFs beklenmektedir. Şekil 10A 1 f m, 2 m f, ve 3 SAX görüntü örnekler gösterir Farklı uyarma yoğunluklarında f m frekans bileşenleri. Birinci sırada, uyarma yoğunluğu doğrusal olmayan bileşenleri oluşturmak için yeterli olan 0.7 mW / cm2, ancak amplitüd nispeten zayıftır. Bu yoğunluk düzeyinde, 2 f m sinyalinin eğimi 2 ve Şekil 9A'da gösterildiği gibi, 3 f m sinyali için 3 'tür. 2 uyarma yoğunluğu 2 f m sinyalinin ilk dip seviyesine artarsa, SAX görüntüleriŞekil 10A ikinci satırda gösterildiği gibi f m sinyali, çörek şeklinde olur. 3 f m PSF FWHM dikkat çekici çözünürlük geliştirme tezahür, 1 f m sinyalinin önemli ölçüde daha küçük iken her ikisi de 1 f m ve 3 m f görüntüleri, katı kalır. Aynı sıranın en sağdaki panelde sinyal profilden, 2 f m donut halkasının FWHM yaklaşık 110 nm. Öte yandan, Şekil 10A üçüncü sıra uyarım şiddeti 3 f m sinyalinin ilk daldırma arttığında, sadece 3 f m görüntü donut 65 nm halka genişliği ile, şekilli hale gösterir. 1 f m biri 2 f m sinyalini karşılaştırırken bu yoğunlukta, dikkat çekici çözünürlük geliştirme bulundu.

Şekiller 10B ve 10C hesaplanan PS göstermekÇörek şekilleri neden karşılık gelen yoğunluklarda sırasıyla 2 f m ve 3 m f sinyallerin, fs. Hesaplamalar Şekil 9B'de polinom eğri uydurma dayandırılmıştır. Hesaplanan eğrileri de tekrar doğrusal olmayan saçılma için beşinci dereceden polinom uyum uygunluğunu teyit Şekil 10A 'sağdaki panellerde deneysel PSFs özelliklerini yeniden.

figür 1
Şekil 1. GNSS SEM görüntüsü. Protokolün birinci bölümünde tarif edilen preparasyon işlemleri gerçekleştirerek, yeterli GNSS gözlenir ayrıldı. GNSS arasında birden fazla 100 nm ile, onların etkileri LSPR birbirine bağlanmış değildir. Ölçek çubuğu:. 100 nm görmek için buraya tıklayınızBu rakamın büyük bir versiyonu.

Şekil 2,
Ev inşa konfokal mikroskop 24 Şekil 2. (A) Kurulum. Odak noktasında GNSS ile (B) xy görüntüsü. 2 (c):. Doğru hizalama ile PSF xz görüntüsü bu sistem için iki lazer kaynağı vardır. Biri 532 nm sürekli dalga lazer ve diğer darbeli bir süper-süreklilik lazer. Saçılma sinyallerini ölçerken, bir 532 nm sürekli dalga lazer kaynağı ve (takılı bir lazer çizgisi filtreli) dedektörü olarak bir PMT olarak kullanılmıştır. Spektrum ölçmek için, bir süper-süreklilik lazer lazer kaynağı ve detektör olarak bir spektrometre olarak kabul edilmiştir. Seçilen lazer uyarma yoğunluğunu kontrol etmek nötral yoğunluk filtreleri bir dizi aracılığıyla gönderilir. A 50/50 ışıkbölücü tarama mikroskobu içine lazer rehberlik ve içine geriye saçılım sinyallerine yarısını veriyorPM T veya saygısız ayna tarafından seçilir spektrometre. Tarama sisteminde, bir amacın odak düzleminde yatay ve dikey tarama tarama oluşturan iki galvano ayna vardır. Geriye doğru saçılması aynı amaç ile toplanmış ve dedektörler tarafından elektrik sinyallerine dönüştürülür. Sinyalleri görüntüleri oluşturmak için konfokal tarama sistemi ile senkronize edilir. PI sahne eksenel GNSS hareket ettirerek xz görüntü elde etmek için kullanıldı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
En bileşenler konfokal mikroskop (kırmızı dikdörtgen) için elde edilen ile aynıdır. SAX mikroskopi 3. Kur Şekil ama sinüzoidal modülasyon uyarım lazer ışınına ilave edildi. Mavi dikdörtgen modul gösterirator kurulumu. İlk olarak, uyarım lazer iki kiriş ayrılmış ve ayrı ayrı hafif farklı frekanslarda yüksek frekanslı modülasyonu üretmek için iki AOMs gönderilen. Daha sonra, iki modüle kirişler iki AOMs arasındaki yendi frekansında sinüs modülasyonu üretmek için bir araya getirildi. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Osiloskop. Y1 ve Y2 ile ölçülen AOMs sonra kombine kirişlerin Şekil 4. modülasyonu sırasıyla maksimum (52.1 mW) ve minimum (1.2 mW) modülasyon yoğunluğu değerlerini gösterir. Y2 mükemmel modülasyon elde etmek için sıfır olmalıdır. Güncel modülasyon frekansı 10 kHz oldu. Büyük bir görmek için buraya tıklayınızBu rakamın r sürümü.

Şekil 5,
Şekil 5. algılama sistemi Doğrusallık testi. Odak düzlemi bir cam kapak yerleştirerek, cam / hava ara-yüzü ile ilgili uyarım lazer yansıma deteksiyon sistemi doğrusallığını kontrol etmek için kullanılmıştır. Uyarma yoğunluğu karşısında sinyal çıkışı 1-V okuma değerinin altına doğrusallık gösterir. Ayrıca, gürültü seviyesi de 10 -4 V altındadır, bu nedenle sistem en az 10 4 bir dinamik aralığı sağlar. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
80 nm GNS Şekil 6. Saçılma spektrumu. Kırmızı noktalar experim işaretental ölçümleri ve siyah çizgi Mie teorisi hesaplama temsil etmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 7,
Doğrusal GNS Şekil 7. Saçılma görüntüleri doygunluğu tersine çevirmek için. Üst satır gerisaçılımı görüntüleri gösterir ve alt sıra çeşitli uyarma yoğunluklarda seçilen Nanopartikülün sinyal profillerini verir. Doğrusallıktan Geçiş doygunluk açıkça görülmektedir ters doygunluk. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 8
Şekil 8. Saçılma şiddetiTek GNS gelen uyarma yoğunluğu karşısında. Mavi noktalar, farklı uyarma şiddetlerinde PSF merkezinde yoğunlukları saçılma doygunluğu ve ters doygunluk dahil çok doğrusal olmayan tepkiler gösteren karşılık gelmektedir. Kırmızı eğri beşinci dereceden polinom fonksiyonu dayalı uyum eğri gösterir. (Görüntüler Ref çoğaltılamaz. 25). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 9
Şekil (A) deney ve (B) hesaplamaya göre SAX sinyallerinin 9. Şiddeti bağımlılıklar. (A) SAX sinyalleri kilit-amplifikatör tarafından çıkarıldı ve her deneysel veri noktası dört 80 nm GNSS üzerinde ortalama edildi. Noktalı çizgiler SAX sinyallerinin 25 yamaçları göstermektedir. (B) ardından protokol 5, SAX signals Şekil 8 beşinci dereceden polinom uyum dayalı hesaplanmıştır. (Görüntüler Ref çoğaltılamaz. 25), bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 10
Farklı uyarma yoğunluklarında 10. SAX görüntüleri Şekil. (A) Deneysel 1 f m, 2 m f ve farklı uyarma yoğunluklarında 3 f m SAX görüntüleri gözlendi. Piksel boyutu 20 nm ve her görüntü boyutu 750 nm × nm 750. 2 f m ve 3 m f Donuts Yoğunluk profilleri sağdaki panellerin çizilir. (B) 2 f m görüntüsünün Hesaplanan görüntü profili 0.75 MW / cm 2. 3 f <(C) Hesaplanan görüntü profili/ em> 1.1 MW / cm 2 m görüntüsü. (Görüntüler Ref çoğaltılamaz. 25). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Protokolde, birkaç kritik adımlar vardır. Örneklerin hazırlanmasına, ilk olarak, nanopartiküller yoğunluğu parçacıklar arasında plasmonik kaplin önlemek için, çok yüksek olmamalıdır. İki veya daha fazla parçacıkların birbirine çok yakın ise, LSPR dalga boyunda bağlama sonuçları böylece önemli ölçüde lineer olmayan azaltarak, daha uzun dalga boylarına doğru kayması. Ancak, bu görüntüleme tekniği aslında yerine parçacıkların kendilerinin, plasmonik modları dağılımını haritalar. Bu nedenle, uygun bir uyarım dalga boyu ile birlikte, birleştirilmiş plasmonik modlar da güçlü bir saçılma lineer olmayan gösterebilir ve geliştirilmiş çözünürlüğe sahip görüntülenebilir beklenmektedir. İkincisi, bu nedenle iki AOMs arasında dayak kullanımını motive uyarma kiriş içinde saf sinüzoidal modülasyon üretmek için çok önemlidir. Çözünürlük geliştirme doğrusal olmayan ise, saçılma sinyal modülasyonu doğrusal olmayan kısımlarını ayıklanması (harmonik frekans bileşenleri) dayandığındanbozulma uyarım modülasyonunda, ekstraksiyon daha zor olacaktır mevcuttur. Buna ek olarak, mevcut düzeninde bir interferometre kurulum atan modülasyonu üretmek için kullanılır, bu nedenle interferometre iki kiriş hizalaması da mümkün olduğu bir modülasyon derinliği kadar büyük elde etmek için kritiktir. Üçüncü olarak, sinyal nonlineerlik (dedektör, amplifikatör, A / D dönüştürücüsü ve bilgisayarı I / O içerir) algılama sisteminden ortaya çıkmaz emin olmak çok önemlidir. Bu nedenle, özel bir dikkat algılama sistemi dinamik aralığında çalıştığını garanti etmek gerekir. Dinamik alan gürültü seviyesi ile ilgili dedektör doymaya, yani, algılama sistemi doğrusallık bir bölge olarak tanımlanmaktadır. Geçerli bir durumda, tespit edilen gerilim sinyali 1 V altında doğrusal ve gürültü seviyesi 10 -4 V altındadır Bu nedenle, sistem en az 10 4 bir dinamik aralığı sağlar. Sinyal nonlineerlik kaynaklandığını emin olmak içinAltın nano partıkuler kendisini, algılama sistemi, dinamik aralığı içinde okuma değerini korumak için gereklidir. Dördüncü kritik faktör numunenin mekanik stabilite olduğunu. Doğrusal olmayan karakterizasyon sırasında, bu nanopartiküller aynı odak düzleminde kalması gereklidir. Nanopartikül veya numune aşamasında eksenel sürüklenme ciddi doğrusalsızlık değerlendirmesinin doğruluğunu etkileyecektir. Nanopartiküller ile çalışırken, bu nedenle, kolayca ışık uyarma altında hareket yok parçacıkları bulmak önemlidir. Öte yandan, bu litografi büyüdü örnekleri ile çalışmak da mümkündür. Bu durumda, mikroskopik aşamasında kararlılık önemli bir faktördür. Büyük ölçüde istikrarı artırabilir pozisyon geri besleme kontrolü ile aşaması vardır. Sahne hareketi genellikle çok yavaş olduğundan Alternatif olarak, (örneğin, 10 dakika içinde 1 mikron), bu bir xyz 3D görüntü yığını elde gibi 10 resim, 100 nm eksenel bir ayırma ile yararlı olurn her biri farklı yoğunluk değeri ile komşu görüntüleri arasında. Ardından analiz aşamasında, her yığının üzerinden parlak görüntü o yoğunlukta temsili görüntü olarak seçilmelidir.

Prensip olarak, SAX ve doymuş yapılandırılmış-aydınlatma mikroskobu (SSIM) 26 dahil doygunluk dayalı tekniklerin, çözünürlüğü, sergiler hiçbir alt gibi yüksek mertebeden doğrusal olmayan (yüksek harmonik frekans bileşenleri) elde edilebilir olduğu sürece sınırlamak. Yüksek dereceden harmonik demodülasyon komponentlerin çıkarılması, özellikle Bununla birlikte, uygulamada, çözünürlük, sinyal-gürültü oranı (SNR) ile sınırlıdır. SNR artırabilirsiniz birkaç strateji vardır. Örneğin, modülasyon frekans ciddi SNR 27 etkilediği gösterilmiştir. Sadece, doymuş bir sinyal (hazırlama yazısı) elde etmek için olmayan, doymuş ve doymuş sinyaller arasındaki yoğunluk farkı hesaplayarak SNR arttırmak için de mümkündür.

28-30 geçiş dahil olmak üzere, fluorophores doğrusal olmayan dayanıyordu, ya da varfloresan emisyon 22,26,31 doyması ile. Ancak, floresan özellikle güçlü ışık aydınlatma altında, foto-ağartma içsel bir sorunu gösteriyor. Bu çalışma hiçbir beyazlatma sorunu 21 olduğundan GNSS saturable saçılması süper çözünürlüklü mikroskopi gelecek vaat eden bir yöntem olduğunu göstermiştir. SAX mikroskopi floresan kullanan önceki çalışmalarla karşılaştırıldığında, doyabilen saçılma ile çözünürlük geliştirme muhtemelen üst düzey doğrusal olmama 22, bu soruşturmanın çok daha yüksek oldu. SSIM 26: Ayrıca, SAX mikroskopi dışındaki, doygunluk dayalı başka bir süper çözünürlüklü tekniği vardır. SAX mikroskopisi zamansal modülasyon kullanır iken SSIM, doğrusal olmayan sinyalleri ayıklamak için saçaklar uzaysal modülasyonu patlatır. Bu ağartıcı olmayan saçılma doyma özelliği ile, bu nedenle geniş alanda kötü altında uzaysal çözünürlüğü artırmak için bu keşif SSIM ile kombine edilebilir bekleniyorumination.

Gelecekteki uygulamalarda, bu plasmonik SAX tekniği sadece plasmonik devrelerde rezonans modu dağılımları ve dinamiklerini çözmek için değil, aynı zamanda biyolojik doku görüntüleme çözünürlüğünü artırmak için yararlı olacaktır. Benzer çözünürlük geliştirme gibi silikon 32 gibi diğer plasmonik, gümüş (yayınlanmamış) gibi malzemeler, hem de non-plasmonik malzeme ile gösterilmiştir. Süper çözünürlüklü görüntüleme alanında, SAX mikroskobu birkaç açıdan avantajları vardır. Stokastik optik rekonstrüksiyon mikroskobu (STORM) ve fotoğraf aktive yerelleştirme mikroskobu (PALM) ile karşılaştırıldığında, SAX mikroskopi görüntü başına sadece birkaç saniye daha hızlı bir tarama hızına sahip. Uyarılmış emisyon tükenmesi (STED) mikroskopi ile karşılaştırıldığında, tek bir lazer anlamlı optik karmaşıklığı azaltarak, SAX mikroskopi için gereklidir. SSIM karşılaştırıldığında, SAX çözünürlüğü aynı anda hem yanal ve eksenel yönlerde artırıldı. Ek olarakYeterli görüntüleme derinliği elde etmek, uyarma veya toplama ışın yolu boyunca rastgele saçılma önemlidir. STORM, PALM, ve SSIM gibi geniş alan teknikleri için, görüntüleri dokularda yayılan floresan fotonların rastgele saçılma son derece duyarlı bir kamera ile yakalanır. STED'in ve SAX gibi nokta-tarama teknikleri için, floresan sinyalleri bir noktaya detektörü tarafından toplanan, böylece doku saçılma karşı daha sağlam vardır. Bununla birlikte, STED'in odak bir çörek ışın profil oluşturmak için bir faz plaka gerektirir ve faz bilgisi dokularda ışın yayılması sırasında bozulabilir. Bu nedenle, SAX mikroskopi derin doku süper çözünürlüklü görüntüleme için bu modaliteleri arasında en iyi olmalıdır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 optional
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fang, N., Lee, H., Sun, C., Zhang, X. Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens. Science. 308, (5721), 534-537 (2005).
  2. Lee, B., Kim, S., Kim, H., Lim, Y. The use of plasmonics in light beaming and focusing. 34, (2), 47-87 (2010).
  3. Lal, S., Link, S., Halas, N. J. Nano-optics from sensing to waveguiding. Nature Photon. 1, (11), 641-648 (2007).
  4. Kawata, S., Inouye, Y., Verma, P. Plasmonics for near-field nano-imaging and superlensing. Nature Photon. 3, (7), 388-394 (2009).
  5. Homola, J., Yee, S. S., Gauglitz, G. Surface plasmon resonance sensors: review. Sensor. Actuat. B-Chem. 54, ((1-2)), 3-15 (1999).
  6. Nie, S., Emory, S. R. Probing single molecules and single nanoparticles by surface-enhanced Raman scattering. Science. 275, (5303), 1102-1106 (1997).
  7. Hache, F., Ricard, D., Flytzanis, C. Optical nonlinearities of small metal particles - surface-mediated resonance and quantum size effects. J. Opt. Soc. Am. B. 3, (12), 1647-1655 (1986).
  8. Balamurugan, B., Maruyama, T. Evidence of an enhanced interband absorption in Au nanoparticles: Size-dependent electronic structure and optical properties. Applied Physics Letters. 87, (14), 143105 (2005).
  9. Link, S., El-Sayed, M. A. Size and temperature dependence of the plasmon absorption of colloidal gold nanoparticles. J. Phys. Chem. B. 103, (21), 4212-4217 (1999).
  10. Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J. Phys. Chem B. 107, (3), 668-677 (2003).
  11. Kauranen, M., Zayats, A. V. Nonlinear plasmonics. Nature Photon. 6, (11), 737-748 (2012).
  12. Homola, J. Present and future of surface plasmon resonance biosensors. Anal Bioanal Chem. 377, (3), 528-539 (2003).
  13. Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Au nanoparticles target cancer. Nano Today. 2, (1), 18-29 (2007).
  14. Wada, O. Femtosecond all-optical devices for ultrafast communication and signal processing. New J. Phys. 6, (183), Forthcoming.
  15. Elim, H. I., Yang, J., Lee, J. Y., Mi, J., Ji, W. Observation of saturable and reverse-saturable absorption at longitudinal surface plasmon resonance in gold nanorods. Appl. Phys. Lett. 88, (8), 083107 (2006).
  16. Ros, I., Schiavuta, P., Bello, V., Mattei, G., Bozio, R. Femtosecond nonlinear absorption of gold nanoshells at surface plasmon resonance. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, (41), 13692-13698 (2010).
  17. De Boni, L., Wood, E. L., Toro, C., Hernandez, F. E. Optical Saturable Absorption in Gold Nanoparticles. Plasmonics. 3, (4), 171-176 (2008).
  18. Gurudas, U., et al. Saturable and reverse saturable absorption in silver nanodots at 532 nm using picosecond laser pulses. J. Appl. Phys. 104, (7), 073107 (2008).
  19. Bohren, C. F., Huffman, D. R. Absorption and scattering of light by small particles. John Wiley & Sons Inc. (1983).
  20. Chu, S. W., et al. Saturation and reverse saturation of scattering in a single plasmonic nanoparticle. ACS Photon. 1, (1), 32-37 (2014).
  21. Chu, S. W., et al. Measurement of a saturated emission of optical radiation from gold nanoparticles: application to an ultrahigh resolution microscope. Phys. Rev. Lett. 112, (1), 017402 (2014).
  22. Fujita, K., Kobayashi, M., Kawano, S., Yamanaka, M., Kawata, S. High-resolution confocal microscopy by saturated excitation of fluorescence. Phys. Rev. Lett. 99, (22), 228105 (2007).
  23. Smith, K. C. A., Oatley, C. W. The scanning electron microscope and its fields of application. Brit. J.Appl. Phys. 6, (11), (1955).
  24. Yu, J. Y., et al. A diffraction-limited scanning system providing broad spectral range for laser scanning microscopy. Rev. Sci. Instru. 80, (11), 113704 (2009).
  25. Lee, H., et al. Point spread function analysis with saturable and reverse saturable scattering. Opt. Express. 22, (21), 26016-26022 (2014).
  26. Gustafsson, M. G. L. Nonlinear structured-illumination microscopy: Wide-field fluorescence imaging with theoretically unlimited resolution. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, (37), 13081-13086 (2005).
  27. Yonemaru, Y., Yamanaka, M., Smith, N. I., Kawata, S., Fujita, K. Saturated Excitation Microscopy with Optimized Excitation Modulation. ChemPhysChem. 15, (4), 743-749 (2014).
  28. Betzig, E., et al. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science. 313, (5793), 1642-1645 (2006).
  29. Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316, (5828), 1153-1158 (2007).
  30. Huang, B., Wang, W. Q., Bates, M., Zhuang, X. W. Three-dimensional super-resolution imaging by stochastic optical reconstruction microscopy. Science. 319, (5864), 810-813 (2008).
  31. Heintzmann, R., Jovin, T. M., Cremer, C. Saturated patterned excitation microscopy - a concept for optical resolution improvement. J. Opt. Soc. Am. A. 19, (8), 1599-1609 (2002).
  32. Tzang, O., Pevzner, A., Marvel, R. E., Haglund, R. F., Cheshnovsky, O. Super-Resolution in Label-Free Photomodulated Reflectivity. Nano Lett. 15, (2), 1362-1367 (2015).
Tek plasmonik Nanoparçacığı gelen doğrusal olmayan Saçılma Ölçülmesi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lee, H., Li, K. Y., Huang, Y. T., Shen, P. T., Deka, G., Oketani, R., Yonemaru, Y., Yamanaka, M., Fujita, K., Chu, S. W. Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle. J. Vis. Exp. (107), e53338, doi:10.3791/53338 (2016).More

Lee, H., Li, K. Y., Huang, Y. T., Shen, P. T., Deka, G., Oketani, R., Yonemaru, Y., Yamanaka, M., Fujita, K., Chu, S. W. Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle. J. Vis. Exp. (107), e53338, doi:10.3791/53338 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter