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Engineering

シングルプラズモニックナノ粒子からの散乱非線形性の測定

doi: 10.3791/53338 Published: January 3, 2016

Introduction

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プラズモニクスの研究では、様々な分野への応用1-4による大きな関心を集めています。プラズモニクスの中で最も研究さフィールドのうちの1つは、金属と誘電体との界面での外部の電磁波との伝導電子の集団振動カップル表面プラズモニクス、です。表面プラズモニクスは、サブ波長光学、バイオフォトニクス、および顕微鏡5,6におけるその潜在的用途のために検討されています。局在表面プラズモン共鳴(LSPR)による金属ナノ粒子の超小体積の強い場の増強が原因粒子サイズ、粒子形状、及び7周囲媒体の誘電特性に対する卓越した感度だけでなく、広範な関心を集めています-10だけでなく、本質的に弱いため、非線形光学効果11をブーストする能力。 LSPRの例外的な感度バイオセンシングおよび近FIEのための価値がありますLDイメージング技術12,13。一方、プラズモン構造の強化非線形性は、光スイッチング及び全光信号処理14,15のような用途における光集積回路に利用することができます。これはよくプラズモン吸収が低い強度レベルでの励起強度に線形に比例することが知られています。励起が十分に強い場合、吸収が飽和状態に達します。興味深いことに、より高強度で、吸収が再び増加します。これらの非線形効果は、可飽和吸収(SA)15〜17と呼ばれ、それぞれ、可飽和吸収(RSA)18を逆にしています。

これは、LSPRによる、散乱がプラズモニック構造において特に強いことが知られています。基本的な電磁気学に基づいて、入射強度対散乱の応答は線形でなければなりません。しかし、ナノ粒子に、散乱及び吸収が密接Mie理論を介して連結されており、両方が電子であることができます誘電率の実部と虚部の面でxpressed。単一GNSは、光照射下での双極子として振る舞うという仮定の下では、ミー理論による単一プラズモニックナノ粒子からの散乱係数(Qの SCA)と吸収係数(Qの ABS)は 19のように表すことができます。

式(1)

xは 2πa/λであり、aが球の半径あり、m 2は 、εM /εdです。ここで、εm εd 、それぞれ、金属のと周囲の誘電体の誘電率に対応しています。散乱係数の形態は、目と同様であるのでEの吸収係数は、従って、単一のプラズモンナノ粒子20で飽和散乱を観察することが期待されます。

最近では、孤立したプラズモニック粒子中の非線形飽和散乱は初めて21実証されました。これは、励起強度が増加したときに深い飽和状態で、実際には散乱強度がわずかに減少していることが顕著です。励起強度は散乱が飽和になった後に増加し続けた場合であってもより顕著に、散乱強度は20散乱 、逆飽和の効果を示す、再び上昇しました。 、波長およびサイズ依存の研究では、21散乱 LSPRと非線形の間に強力な関係を示しています。プラズモン散乱の強度および波長依存性は、これらの非線形行動の根底にある共通のメカニズムを示唆し、吸収のものと非常に似ています。

アプリケーションの観点においては、よく自演さその非線形性WN光学顕微鏡の分解能を改善するのに役立ちます。 2007年には、飽和励起(SAX)顕微鏡は、励起光22の時間的な正弦波変調を経て飽和した信号を抽出することにより、解像度を向上させることができる、提案されました。 SAX顕微鏡は、レーザー焦点のため、強度が周辺部よりも中央で強い概念に基づいています。信号(蛍光または散乱のいずれか)が飽和挙動を示す場合、線形応答は周囲のまま、彩度は、中央から開始する必要があります。唯一の飽和部分を抽出する方法がある場合は、周辺部を排除しつつ、それが効果的に空間分解能を向上させる、中央部のみを残します。原則的に、SAX顕微鏡には低解像度の制限がない限り、深い飽和状態に達しており、強烈な照明のために何のサンプルの損傷はありません。

これはresolutioことが示されています蛍光イメージングのnが著しくSAX技術を利用することによって向上させることができます。しかし、蛍光は光漂白効果に苦しんでいます。非線形散乱の発見およびSAXの概念を組み合わせて、散乱に基づく超解像顕微鏡21を実現することができます。従来の超解像顕微鏡法に比べて、散乱に基づく技術は、新規な非漂白コントラスト方法を提供します。本論文では、ステップバイステップの説明が取得し、プラズモン散乱の非線形性を抽出するために必要な手順の概要を説明するために与えられています。入射強度を変化させることによって導入された散乱非線形性を同定する方法が記載されています。詳細は、これらの非線形性は、単一のナノ粒子の画像をどのように影響するかを解明するために提供され、どのように空間分解能は、SAXの手法により適宜向上させることができます。

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Protocol

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1. GNSサンプル調製

  1. LSPRピークがシフトする可能性があり、粒子の凝集を防止するために約40キロヘルツ、少なくとも15分間、試料を調製する前に、超音波処理1mLのGNSコロイド溶液。
  2. GNSSを修正するための商用マグネシウムアルミニウムシリケート(MAS)コーティングを施したスライドガラス上にGNSコロイドの100〜200μLをドロップします。
  3. 少なくとも1分後、蒸留水で洗浄することにより、余分なコロイドを除去します。待ち時間は、GNSSの必要な分布密度に依存します。典型的に、それらのほとんどが互いに分離されているので、粒子が容易に識別されることを可能にする適切な密度で1-3分をもたらします。待ち時間が長すぎる場合に有意な凝集が生じる可能性があります。
  4. 窒素ガスでパージすることによって、サンプルを乾燥させます。
  5. (オプション)、高解像度でガラス上にGNSSをマッピングこのステージ 23で、走査型電子顕微鏡(SEM)を実行します。例えば画像はFIGURに設けられていますE 1、GNSSの特徴密度を示します。画像を取得する電界放出SEMを使用してください。油試料(次工程)に追加されると、それは、油を除去し、SEMを用いて試料を観察することは困難であろう。
  6. GNSSを覆うように、ガラス基板からの強い反射を除去するために試料に同じ屈折率を有する油の滴を加えます。
  7. サンプルの上にカバーガラスを置き、マニキュアでそれを封印。
  8. マニキュアが乾くまで、少なくとも5分待ってください。サンプルの準備が整いました。

ホーム内蔵共焦点顕微鏡の2アライメント

  1. セットアップのスキームについては、図2を参照してください。顕微鏡本体自体の白色光照明パスを合わせます。顕微鏡のハロゲン光源をオンにし、ケーラー照明条件を達成するために、顕微鏡メーカーのマニュアルに従ってください。ホワイトハロゲン光が背面のほぼ平行であることを確認します対物レンズの開口は、部分的に50/50ビームスプリッタによって反射され、次いで、レーザーに向かって伝播します。
  2. 彼らは走査範囲の中心にあり、正しい初期位置に残ることを保証するためにガルバノミラーをオンにします。
  3. ハロゲン光路に沿って、その上に同心円状のリングを有する紙の薄いシートで作られた少なくとも二つの標的を、置き、ハロゲンビームでそれらの位置を合わせます。
  4. 撮影を行うために、532 nmのレーザーを選択します。分光測定を行うために、スーパーコンティニュームレーザを選択します。アライメント時には、レーザーのパワーは、非線形性を回避するために、目的の背面開口部に10未満μWである必要があります。その後、二つのターゲットを用いて、発信ハロゲンビームに入射レーザビームの反対を平行。このプロセスが完了すると、レーザビームの粗いアライメントが達成されました。
  5. 対物レンズの背面開口部の中心を通ってレーザービームの位置を合わせます。一般的に、OIを使用L-浸対物レンズ。油浸対物レンズとGNS試料との間の油滴を追加します。 GNSSの散乱信号を収集するために、検出器として光電子増倍管(PMT)を使用します。
  6. アウト・オブ・フォーカス散乱信号を遮断するために、PMTの前に20μmの直径のピンホールを配置します。ガルバノミラーやPMT(自作ソフトウェアを介した)をオンにし、GNSSの後方散乱信号を最大化し、コンピュータ画面上の個々のGNSを観察するための試料台のピンホールの位置と高さを調整します。正確な位置合わせとGNSSの標本XY画像は、図2Bに示されています。
  7. 少し焦点の同心性を確認するために試料ステージの高さを変更します。それが同心でない場合は、試料ステージの高さを変化させながら、同じ位置のままで、GNSの中心までスキャナ前面に2つのミラーを有するビームを調整します。 PSFのXZ像が図2Cのようになっていることを確認してください正しいビームアラインメントを確保します。ローパスガウス滑らかなフィルタをこれらの2つの画像を処理します。

散乱非直線性の3特性評価

  1. 低い励起強度(以下10 4 W / cm 2)とで、2.6プロトコルに従って、金ナノ粒子の画像を取得します。
  2. ImageJの中の画像(または任意の他の画像解析ソフトウェア)を開きます。画像内のGNSSの一つ越えて線を引きます( 図2Bを参照)、および分析を使用- > ImageJのツールのプロットプロファイルを散乱強度プロファイルを取得します。ガウス関数によって選択されたPSFの形状を合わせます:
    式(2)
    yは PMT読取値であり、Y 0は、バックグラウンド値(もしあれば)であり、幅w、Aは 、ピーク振幅であり、xは空間座標あり、x c中心coordinatありますガウス関数の電子。対応するPSFのFWHMが(½ln2) ワットです。対物レンズの開口数(NA)に基づいて、共焦点PSFの理論FWHM Lは、励起波長は約0.43リットル/ NAであると推定することができます。イメージング・システムの整合性を確認するため2つの数値を比較してください。
  3. 手動で図2Aに中性濃度(ND)フィルタを変更することにより、励起強度を増加させ、各強度レベルでの後方散乱画像を記録します。異なる励起強度で各GNSの中心からの散乱信号の値を取り、励起強度に対する信号の散乱曲線をプロットします。励起強度が十分に低い場合に線形の関係を示すべきである最初のいくつかの点の直線性を確認してください。最初のいくつかの点の直線フィッティングに基づいて線を引きます。その後の点の散乱強度は、この線形トレンド、saturatio以下に低下した場合nが発生しました。
  4. 飽和散乱を観察した後、徐々に飽和閾値下強度、及び画像は、非線形現象の可逆性を保証するために、再度同じGNSSを減少させます。

シングルゴールドナノスフェアの散乱スペクトルの測定4。

  1. 単一GNSから後方散乱スペクトルを測定するために、レーザ光源として超連続レーザーを使用しています。レーザーの初期波長を450nmから1750ナノメートルの範囲です。サンプルおよび光学部品が損傷するおそれがあり、過剰な赤外線パワーを除去するには、可視光を反射するように右のスーパーコンティニュームレーザー後1または2のミラーを配置し、ビームが過剰赤外光を収集するためにダンプを使用します。
  2. レーザー走査共焦点顕微鏡にスーパーコンティニュームレーザーを指示するために第2のアライメント手順に従ってください。全可視範囲にわたってスペクトル範囲を確保するために、ブロードバンドを50/50 BSを使用してください。
  3. 取得しますガラス上のGNSSの画像。画像内の単一のGNSを見つけて、粒子の入射広帯域光の焦点を固定します。
  4. 電荷結合素子が装備されている分光計に向けて後方散乱信号を指示するPMTの前で反転ミラーを使用して、[選択された単一のGNSのスペクトルを取ります。ここでスペクトルが原因で他の表面からの反射に散乱し、背景GNSの混合物であることに注意してください。
  5. PMT検出器に切り替え、および粒子位置が変更されていないことを確認するために別の画像を取ります。そして、何の粒子が存在しない点までフォーカスを移動。分光器に切り替え、背景を表す1以上のスペクトルを取ります。
  6. 単一GNSの明確な後方散乱スペクトルを得るために、ステップ4.4からスペクトルから、ステップ4.5からのバックグラウンドスペクトルを減算します。

SAX顕微鏡の5アライメント

  1. 図3を参照してください理想的な正弦波時間変調が2音響光学変調器(のAOM)間のビート周波数から求められるSAX顕微鏡のスキームのために。まず、後続のAOMの要件を満たすために、レーザーのビーム径を調整します。 50/50ビームスプリッタを用いて2つのビームに532nmのレーザ光を分割します。
  2. 一方のビームは、それぞれAOMを通過すると、2のAOMを介して2つのビームを導きます。 2のAOMの変調周波数が異なっている必要があります。例えば、10キロヘルツの差周波数を得、40.010 MHzで40.000 MHzおよびその他であってもよいです。この差周波数は、SAX信号の基本変調周波数f mです。
  3. 両方のAOMからの一次回折ビームを取り、別の50/50ビームスプリッターを使用して、2つのビームを結合します。二つのビームをコリメートするためのAOM後にミラーを調整します。
  4. 時間的modulatioを監視するために、オシロスコープに接続された光検出器を追加します。N。スライドガラスとレーザーの小さい部分を分割し、 図3に示すように、光検出器に送る。正しい変調及びビームの重なりにより、メイン周波数 f mで示される波形と同様の正弦波の強度変調を観測図4インチ
    注:変調の背景が最大変調度を達成するために可能な限り低くする必要があります。また、変調の高調波歪みが減少していることを確認するためにオシロスコープのフーリエ解析関数を使用します。成功したSAXの実装を実現するために、最小化初期非線形性との完璧な正弦波励起強度変調を確保。
  5. オシロスコープからの光検出器の電気出力を外し、ロックインアンプの基準入力に接続します。
  6. 図3に示すように 、以前のプロトコルに従って、共焦点システムにレーザービームを揃えます。 HERE、信号入力としてロックインアンプにPMTの電気出力を接続してください。
  7. 試料としてブランクのカバーガラスを使用し、検出器は、1-Vの読取値より線形であり、図5に示すように,,徐々に励起パワーを増加させることによって、電気検出システムの線形性を確認します。すべての後続の測定では、この値以下に読み出しを抑えるように注意してください。
  8. 電圧信号の絶対値をエクスポートするには、ロックインアンプの出力を設定します。参照チャネルで設定する高調波成分を変更することにより、SAX信号の振幅を取得し、1、2、など。
  9. また、ラスタスキャンのガルバノミラーの駆動電圧信号を受信するデータ収集カードにロックインアンプの線形および非線形の信号をエクスポートします。カスタマイズされたLabVIEWプログラムを用いて、ロックインアンプの信号と同期させますガルバノは、画像を形成するためにミラーリングします。
  10. 画像における信号対雑音比を最適化するために、適切にロックインアンプのピクセルの取得と積分時間を選択します。例えば、励起の主変調周波数f mが 10 kHzである場合に時間が100マイクロ秒である場合、すなわち、周期よりも少なくとも3倍長くなるように、ロックインアンプの積分時間を設定します。ガルバノミラーの動きの時間を追加、取得速度は、SAX撮像モードで毎秒1500ピクセルに設定されています。

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Representative Results

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図6は、80 nmのGNSから測定されたスペクトルを示しています。 Mie理論に基づいて計算された曲線は、優れた一致を示し、同グラフに示されています。 LSPRのピークは580nmで周りです。以下の実験では、レーザー波長は、それがプラズモン効果で光散乱を強化し、飽和21を有効にするために散乱プラズモンバンド内に位置するように選ばれた532 nmでした。

図7のプレゼントは異なる励起強度で、単一の金ナノ粒子の画像を散乱し、一番下の行は、非線形性を強調するために、各粒子のラインプロファイルを提供します。画像サイズは、600ナノメートル×600 nmであり、画素サイズは13.8 nmです。取得速度は、通常のXY撮像モードで毎秒234,000ピクセルでした。各画像は、信号対雑音比を高めるために、5以上の買収を平均しました。

励起強度がより低い場合1.5×10 6 W / cm 2であり、散乱は励起強度に直線的に依存しているため、単一のナノ粒子の結果として得られる画像は、標準的なガウスプロファイルで、励起光のPSFに似ています。 1.7×10 6 W / cm 2であり、PSFの上部にあるだけではなく、明確な平坦化への励起強度の増加が観察されたときただし、だけでなく、彩度を示し、半値幅の拡大。非常に興味深いことに、わずかに高い強度で、中心の強度がドーナツ状のPSFをもたらし、周辺よりも低くなります。励起強度が増加し続けるにつれて、散乱強度は、逆飽和を明らかにし、PSFの中央に新たなピークが得られ、再び増加します。

図8においてドットで示すように異なる励起強度でのPSFの中央の強度をプロットすることにより、散乱強度の依存性を求め、この曲線がclearlyが飽和し、逆方向飽和行動の傾向を明らかにしています。予想通り、それは非線形吸収15-17の強度依存性と非常によく似ています。非線形吸収を分析する典型的な方法に従って、多項式関数は、非線形散乱の結果に適合するように使用されました。しかし、三次の非線形性は、結果をモデル化するのに十分である、ほとんどの非線形吸収の研究と異なり、ここでは五次の非線形性は、より良好な散乱曲線に適合するように必要でした。

セクション5で述べたように、高調波周波数成分は、実験的にロックイン増幅器によって抽出することができ、その結果を図9Aに示されています。一方、高調波成分は、図8に合わせて、 私は励起強度である多項式関数を使用し、まず、図8から算出することができるので、我々はγ、β、フィッティングパラメータを持つα...。私たちはすることができますその後、励起INTENSを表現tは時間であり、時間的に変調関数I(T)= I 0(1 + COS(2πfM T))/ 2のような性は、F m変調周波数であり、I 0 は、最大励起強度です。 S(I)、I(t)代入すると、makeがフーリエ周波数領域へ結果S(I(t))を変換するための変換、私たちは次の式では、複数のデルタ関数(δ)で構成されています:

式3

各デルタ関数の係数(0、1、2、 など)は、対応する高調波周波数におけるSAX信号の振幅を表します。 SAXシグナに対応これらの係数、別の高調波におけるリットルの強みは、フィッティングパラメータα、...γ、βの関数として記述することができます:

式(4)

計算結果9Bに示されています。実験と計算のプロットは、特に以下の二つの側面では、密接に同意するものとします。

まず、2 F m 3 F m曲線は、曲線に沿った特定の強度でディップを示し、滑らかではありません。 2ディップ3 f mの 曲線に見ている間の両方の図において、2 f mの 曲線三ディップがあります。第二に、斜面が異なる励起強度で異なっています。励起強度が高くない場合、1 F m 、2 のF m及び F 3 m傾きは1、2、3であります、それぞれ。しかし、各ディップの後、対応する非線形曲線の傾きが大きくなります。

非線形成分は、励起強度はディップ全体で増加SAX技術を介して抽出された場合ディップ及び傾きの変化により、型破りのPSFが予想される。 図10Aは、1 f mの 、2 f mの 、および3のSAXの画像例を示しています異なる励起強度でf mの 周波数成分 。最初の行では、励起強度は、非線形成分を誘導するのに十分である0.7 MW / cm 2であるが、振幅が比較的弱いです。この強度レベルでは、2 f mの 信号の勾配は2であり、 図9(a)に示すような、3 f mの 信号は3です。 2の励起強度は、2 f mの 信号の最初のディップのレベルに上昇した場合、SAX画像図10Aの2行目に示すようにf mの信号は 、ドーナツ状になります。 3 Fの m個の PSFのFWHMが顕著解像度向上を発現、1 f mの 信号よりも著しく小さいながら1 f mの 3 f mの 画像の両方が、固体のままです。同じ行の右端のパネルでの信号プロファイルから、f 2のm個のドーナツリングの半値幅は約110 nmです。一方、 図10Aの第3列は、励起強度が3 f mの 信号の最初の浸漬に増加すると、わずか3 f mの 画像は、65 nmのリング幅を有する、ドーナツ状になることを示しています。 1 f mのいずれか2 f mの 信号とを比較すると、この強度で、顕著な解像度向上が求められます。

図10Bおよび 10Cは、算出された PSを表示ドーナツ形状になり、対応する強度でそれぞれ2 F m 3 f mの 信号のFsを、。計算は、図9Bの多項式フィッティング曲線に基づいていました。計算された曲線はよく再び非線形散乱する第5次多項式フィットの適合性を確認し、 図10Aの右端のパネルにおける実験のPSFの特徴を再現します。

図1
GNSSの図1のSEM像。プロトコルの最初の部分に記載された製造方法を行うことにより、十分に分離されたGNSSが観察されます。 GNSSの間に100nmを超えると、そのLSPR効​​果が互いに結合されていません。スケールバー:100 nmで見るにはこちらをクリックしてくださいこの図の拡大版。

図2
自作共焦点顕微鏡 24 の図2(A)の設定 。焦点でのGNSSと(B)のxy画像。図2(c):正しい配置とPSFのXZイメージこのシステムのための2つのレーザ源があります。一つは、532nmの連続波レーザーであり、他方は、パルス超連続レーザです。散乱信号を測定するとき、532nmの連続波レーザーを光源と(挿入レーザーラインフィルターを使用)検出器のようなPMTを用いました。スペクトルを測定するために、スーパーコンティニュームレーザは、レーザ源及び検出器のような分光計を採用しました。選択されたレーザは、励起強度を制御するために、中性濃度フィルタのセットを介して送信されます。 50/50ビームスプリッタは、走査型顕微鏡にレーザーをガイドとに後方散乱信号の半分を可能にしますフリップミラーによって選択されたPM Tまたは分光計、。走査システムでは、対物レンズの焦点面に垂直方向と水平方向のラスター走査を形成する2つのガルバノミラーがあります。後方散乱は、同じ対物レンズによって集められ、検出器によって電気信号に変換されます。信号は、画像を形成するために、共焦点走査システムと同期されます。 PIステージは、軸方向にGNSSを移動することによってXZ画像を取得するために使用された。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
SAX顕微鏡の図3のセットアップ。ほとんどのコンポーネントは、共焦点顕微鏡(赤色の長方形)から得られたものと同様であるが、正弦波変調は、励起レーザー光を添加しました。青い矩形はMODULを示していますレータのセットアップ。まず、励起レーザは、2つのビームに分割し、別々にわずかに異なる周波数の高周波変調を生成するために2つのAOMを介して送信されます。次に、2つの変調光は2のAOMの間のビート周波数の正弦波変調を生成するために結合された。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
オシロスコープ。Y1Y2測定のAOM後の合成ビームの図4.変調はそれぞれ、最大(52.1 MW)と変調強度の最小値(1.2 MW)の値を示しています。 Y2は完璧な変調を実現するためにゼロにする必要があります。現在の変調周波数は10 kHzであった。 大を表示するには、こちらをクリックしてくださいこの図のRバージョン。

図5
検出システムの図5直線性試験。焦点面にカバーガラスを配置することにより、ガラス/空気界面からの励起用レーザの反射光は、検出システムの線形性を確認するために使用しました。励起強度に対する信号出力は、1-Vの読取値より直線性を示しています。また、ノイズレベルがウェル10 -4 Vを下回っているので、システムは、少なくとも10 4のダイナミック・レンジを提供します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
80 nmのGNSの図6.散乱スペクトル。レッドドットがexperim示します内部の測定、および黒線はMie理論から計算を表しています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図7
線形からのGNSの図7.散乱画像は彩度を逆にする。上段は、後方散乱像を示し、下段は、様々な励起強度で選択されたナノ粒子の信号プロファイルを提供します。彩度を逆に直線から飽和状態への遷移が明瞭に観察されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図8
図8.散乱強度単一GNSから励起強度対。ブルードットは、異なる励起強度でのPSFの中心に強度を散乱彩度と逆方向飽和を含む非常に非線形応答を示すに対応しています。赤の曲線は、第五次多項式関数に基づいて、適合曲線を示しています。 (画像は参考文献から再生。25。) この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図9
SAX信号の図9強度依存性(A)実験及び(B)の計算によれば、(A)SAX信号をロックインアンプで抽出し、そしてそれぞれの実験データ点は、4つの80nmのGNSSにわたって平均しました。点線は、SAX信号25の勾配を示している。(B)以下のプロトコル5、SAXのSIgnalsは、 図8の五次多項式フィットに基づいて計算した。(画像は参考文献から再生。25) この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図10
異なる励起強度で10 SAXイメージ図。 (A)は、実験的に異なる励起強度で1 F m 、2 のF m及び F 3 m個の SAX像を観察しました。画素サイズは20nmであり、各画像のサイズが750ナノメートル×750 nmです。 2 F m 3 F mドーナツの強度プロファイルは、右端のパネルにプロットされている。0.75 MW / cm 2で2 f mの 画像(B)を算出し 、画像プロファイル3の(C)を計算し 、画像特性F </ em>の1.1 MW / cm 2でM画像 。 (画像は参考文献から再生。25。) この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

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プロトコルでは、いくつかの重要なステップがあります。サンプルを調製する際にまず、ナノ粒子の密度は、粒子間のプラズモンカップリングを避けるために、高すぎてはなりません。二つ以上の粒子が互いに非常に接近している場合は、LSPR波長の結合の結果、大幅非線形性を減少させる、より長い波長に向かってシフトします。しかし、このイメージング技術は、実際には代わりに粒子自体の、プラズモンモードの分布をマッピングします。したがって、適切な励起波長と、接続されたプラズモンモードはまた、強力な散乱非線形性を示すことができ、強化された解像度で画像化することができることが期待されます。第二に、それは、したがって、2つの間のAOM鼓動を使用する動機、励起ビームの中に純粋な正弦波変調を生成することが非常に重要です。非線形の場合に高解像度化は、散乱信号の変調の非線形部(高調波周波数成分)を抽出に依存しているので歪みは、励起変調中に存在する場合、抽出はより困難になります。加えて、現在の方式では、干渉計の設定は、叩解変調を生成するために使用されるので、干渉計内の2つのビームの位置合わせも可能として変調深さのような大きな達成するために重要です。第三に、信号の非線形性は(I / O検出器、増幅器、A / D変換器、及びコンピュータを含む)検出系に起因しないことを確実にするために非常に重要です。そのため、特別な注意は、検出システムは、ダイナミックレンジ内で作業していることを保証する必要があります。ダイナミックレンジは、ノイズレベルから検出器飽和、即ち、検出システムの線形性の領域として定義されます。現在の場合には、検出された電圧信号は、V 1以下に線形であり、ノイズレベルが10 -4以下であるV.したがって、システムは、少なくとも10 4のダイナミック・レンジを提供します。信号の非線形性が由来することを確認するために金ナノ粒子自体はしない検出システムから、ダイナミックレンジ内の読取値を維持することが必要です。第四の重要な要素は、試料の機械的安定性です。非線形性の特徴付けの間に、それは、ナノ粒子が同じ焦点面に残ることが重要です。ナノ粒子または試料ステージの軸方向のドリフトが著しく非線形性評価の精度に影響を与えます。ナノ粒子を扱うときしたがって、それは簡単に光の励起下で動き回るない粒子を見つけることが重要です。一方、リソグラフィーから成長させた試料を用いて作業することも可能です。この場合、微細なステージの安定性が主な制限要因です。非常に安定性を高めることができる位置フィードバック制御との段階があります。ステージ移動は、典型的には非常に遅いため別の方法として、(例えば、10分で1μm)が、それは、xyzの3次元画像スタックを取得など10の画像100 nmの軸separatioとすると便利ですnは、それぞれ異なる強度値に隣接する画像間。そして、分析段階の間に、各スタックのうち最も明るい画像は、その強度で代表画像として選択されるべきです。

原理的には、SAXおよび飽和構造化照明顕微鏡(SSIM)26を含む飽和ベースの技術の分解能は、展示には下限として高次の非線形性(高調波周波数成分)を達成することができる限り制限しません。それにもかかわらず、実際には、解像度は、高次高調波の復調成分を抽出する場合は特に、信号対雑音比(SNR)によって制限されます。 SNRを向上させることができるいくつかの方法があります。例えば、変調周波数が厳しくSNR 27に影響を与えることが示されています。それは、飽和した信号(準備中の原稿)を抽出するために、不飽和および飽和の信号間の強度差を算出することによりSNRを向上させることも可能です。

28-30を切り替えるなど、蛍光体の非線形性に依存していた、またはしています蛍光発光22,26,31の飽和によって。しかし、蛍光は、特に強い光照明の下で、光退色の本質的な問題を示します。この研究には、漂白の問題21が存在しないので、GNSSの飽和散乱が超解像顕微鏡の有望な方法であることを実証しました。蛍光を利用し、SAX顕微鏡の以前の研究と比較して、飽和散乱と解像度の向上は、おそらく高次非線形22に、この調査では非常に高かったです。 SSIM 26:また、SAX顕微鏡以外、彩度に基づいて、別の超解像技術があります。 SAX顕微鏡は、時間変調を利用しながら、SSIMは、非線形信号を抽出するために、干渉縞の空間変調を利用します。この非漂白散乱の飽和特性と、従って、広視野病気を下の空間分解能を向上させるために、この発見は、SSIMと組み合わせることができることが期待されますumination。

将来のアプリケーションでは、このプラズモンSAX技術だけでなく、プラズモン回路における共振モードの分布とダイナミクスを解決するだけでなく、生体組織の画像の解像度を向上させるために有用であろう。同様の解像度の向上は、他のプラズモン(未発表)は、銀のような材料、ならびにシリコン32などの非プラズモニック材料で実証されています。超解像イメージング分野において、SAX顕微鏡は、いくつかの点で利点を有します。確率的光学再構成顕微鏡(STORM)と光活性化ローカライゼーション顕微鏡(PALM)と比較すると、SAX顕微鏡は、画像当たりわずか数秒の速い走査速度を持っています。誘導放出の枯渇(STED)顕微鏡法に比べて、一つのレーザ光を大幅に複雑さを低減し、SAX顕微鏡検査のために必要とされます。 SSIMと比較し、SAXの分解能は、同時に横方向および軸方向に改善されています。に加えて十分な撮像深度を達成し、励起またはコレクションのビーム経路に沿ってランダムな散乱が非常に重要です。 STORM、PALM、とSSIMのような広視野技術については、画像は組織における放出された蛍光光子のランダムな散乱を非常に受けやすいカメラでキャプチャされます。 STEDとSAXのようなポイント・スキャン技術は、蛍光シグナルは、点検出器によって収集されたので、組織の散乱に対してより堅牢されています。それにもかかわらず、STEDは焦点にドーナツビームプロファイルを作成するために、位相板を必要とし、位相情報は、組織中の光の伝播の間低下することがあります。したがって、SAX顕微鏡は、深部組織の超解像イメージングのためのこれらの様式の中で最良である必要があります。

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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

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References

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シングルプラズモニックナノ粒子からの散乱非線形性の測定
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