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Engineering

건설 및 골드 하이퍼 로타리 빛 구동 모터 시스템의 운영

doi: 10.3791/57947 Published: June 30, 2018

Summary

Plasmonic 골드 nanorods 액체에 갇혀 고 kHz 주파수 원형 편광 광학 핀셋을 사용 하 여에서 회전 될 수 있습니다. 연구와 과학의 많은 분야에서 응용 프로그램에 대 한 강력한 시스템을 리드 Brownian 역동성 분석 및 빛 scatteringspectroscopy 도구를 소개.

Abstract

생성 하 고 회전 고 토크는 나노 측정 가능성 연구를 응용 생물학과 인공 nanomotors의 기본적인 관심의 이며 새로운 노선으로 단일 세포 분석, 비 평형의 연구를 제공할 수 있습니다. 열역학, 그리고 나노 시스템의 기계적 작동입니다. 드라이브 회전 하는 손쉬운 방법 광학 족집게에 초점 맞춘된 원형 편광 된 레이저 빛을 사용 하는 것입니다. 이 방법을 사용 하 여, 금속 나노 입자는 매우 효율적인 산란 구동 로터리 모터 물에 전례 없는 회전 주파수에서 회전으로 동작할 수 있습니다.

이 프로토콜에 우리 건설 및 나노 회전 원형 편광 광학 족집게의 운영을 약술 하 고 녹음 Brownian 역동성 및 덫을 놓은 입자의 레일리 산란에 필요한 계측 설명. 회전 운동 및 산란 스펙트럼의 속성은 나노 및 그것의 즉시 환경에 독립적인 정보를 제공 합니다. 실험 플랫폼 전체 게이지의 점도 nanorods 및 분자 코팅의 형태학 적 변화를 추적 하기 위한 로컬 온도 그리고 변환기와 photothermal 및 열역학 과정의 유용한 입증 했다.

Introduction

이 문서에서 제공 하는 방법 골드 하이퍼 빛 구동 회전 모터에 영향을 미치는 nanoscale photothermal 효과 연구 하 우리의 이전 작업1 에 사용 된 복제 합니다. 변종 실험 플랫폼의 여러 관련된 간행물2,3,,45,6,7,8, 에 사용 되었습니다. 9.

광학 족집게는 물리학, 생물학, 및 엔지니어링10,,1112,13,14 작은 길이 스케일에서 위치, 힘 및 선형 기세 전송 제어를 위해 널리 이용 된다 . 원형으로 극 화 된 빛에 의해 수행 하는 각 운동량 때문에 지속적으로 갇힌된 개체15토크 전송 추가 모션 컨트롤에 대 한 사용할 수 있습니다. 광학 전송 선형 및 각 운동량을 결합해 서, 그것은 다음에 단일 셀16,17, 나노 약물 전달 등 다양 한 응용 프로그램에 대 한 잠재력을 가진 비-침략 적 회전 nanomotors를 생성할 수 수술18, 그리고 활성 nanofluidics19, 다른 사람 사이.

빛 운전된 조작의 대상으로 금속 나노 입자를 사용 하 여 하나 지역화 된 표면 플라스몬 공명 (LSPR), 큰 광학 횡단면, 환경 변화, 및 큰 분야에 높은 감도 제공 하는의 이점을 이용할 수 있습니다. 향상 된20,21,,2223. 이 염료 및 광학 조작8,,2425,26,27사이의 다양 한 경계에서 연구를 주도하 고 있다. LSPR에 의해 제공 하는 강한 빛-물질 상호 작용 디자인 원형 편광 된 레이저 핀셋은 물2레코드 회전 주파수에 스핀 골드 nanorods 구동할 수 있는 플랫폼을 수 있었습니다. 회전 nanorod의 브라운 모션을 추적 하 여 그것의 환경 및 온도 대 한 자세한 내용은3,5얻을 수 있습니다. 동시 분 광 분석 분석 로컬 온도 대 한 추가 독립 정보 채널 및 회전 하이퍼1의 형태 안정성을 제공합니다. 다양 한 시스템 및 구성 공부 하 고 적용 필드15,,2829,30 중요 한 통찰력을 생성 하는 광학 족집게에 회전 하는 동의 대 한 사용 되었습니다. , 31 , 그러나 32., 이러한 연구의 대부분을 취급 개체 몇 마이크로미터 직경에서 단일 하이퍼 나노미터 크기 정권에 액세스를 제공 하는 동안. 또한 때 금 nanorods 로타리 nanomotor, 토크로 사용 되는 효율적으로 주로 통해 산란2,33전송. 이 덫을 놓은 입자3,,3435과열 위험 감소.

다음 방법에 우리는 효율적인 광학 트래핑 및 금속 나노 입자의 회전 수 있는 시스템을 구축 하는 데 필요한 단계를 개요. 이러한 연구에서 고려 골드 nanorods 높은 횡단면, 비 산 있고 방사선 압력 전파 방향에 정책은 그라데이션 힘 보다 더 강한 것으로 밝혀졌습니다. 여전히 3d에서 입자 제한, 하려면 우리 유리 표면에서 쿨롱 반발와 전파 방향에서 레이저 산란 힘 사이 힘 균형을 사용 합니다. 이 2D 트랩 구성 크게 표준 3D 광학 족집게에 비해 트랩 가능한 입자의 범위를 확장 하 고 다크 필드 광학 이미징 및 분광학과 쉽게 결합 될 수 있다.

갇혀 고 회전 금속 나노 입자의 환경 상호 작용 그리고이 상호 작용에 대 한 자세한 내용은 해당 모션 및 스펙트럼 속성에 포함 된. 원형 편광된 광학 족집게를 구성 하는 방법을 설명 하는, 후 우리 그러므로 또한 개요 통합 계측 회전 역학 조사와 실험 설정에서 레일리 산란 스펙트럼을 측정 하는 방법. 결과 물리학, 화학, 그리고 생물학에서 나노 회전 현상의 연구에 대 한 다양 한 플랫폼입니다.

이 프로토콜 연구원 적당 한 콜 로이드 금속 나노 입자, 가급적 단일 결정 골드 nanorods에 액세스할 수 있다고 가정 합니다. 골드 nanorods 전문된 회사에서 구입 하거나 집 습식 화학 방법을 사용 하 여 합성 될 수 있습니다. 우리의 실험에 사용 된 nanorods 너희에 설명 된 성장 씨앗 중재 방법에 의해 만들어진 외. 201336. 그것은 유리한 형태 및은 나노 입자의 광학 속성 잘 특징, 예를 들면 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 및 광 소 광 측정을 사용 하 여. 그림 1 대표 하이퍼 종류1에 대 한 이러한 측정에서 기록 된 데이터를 표시 합니다.

프로토콜의 개요는 다음과 같습니다: 첫 번째 섹션에서 설명 하는 원형 편광에 따라 광학 족집게의 건설. 두 번째 섹션에서 우리는 nanomotor에서 그것의 회전 역학 및 산란 속성을 기록 하 여 정보를 추출 하는 방법을 설명 합니다. 회전 주파수 및 덫을 놓은 입자의 회전 브라운 모션은 측정 광자 상호 관계 분광학을 사용 하 여 투영 backscattered 레이저 빛에 빠른 단일 픽셀 검출기3선형 편광판을 통해 필터링 하 여. 데이터는 이론적 자기 상관 함수를 피팅 하 여 회전 주파수와 회전 브라운 확산의 붕괴 시간 추출 된2,3될 수 있습니다. 갇혀 및 회전 나노 입자의 광학 속성 입자와 그것의 환경에 무료 정보를 제공 하는 다크 필드 분광학을 사용 하 여 측정 됩니다. 세 번째 섹션에 우리 트래핑 및 골드 nanorods의 회전 실험 절차를 설명합니다.

이 시점을 설명 하는 프로토콜 나노 회전 작동 원형 편광된 광학 족집게 체제에 간단한 경로입니다. 그러나, 가끔 문제가 발생할 추가 관심을 요구. 네 번째 섹션에서 우리는 우리가 발생 하는 일반적인 문제 몇 가지와 그들을 해결 하는 방법을 개요. 이들은 가난한 트랩 안정성 (4.1)에 이르는 나노 광학 속성에 관련 된 문제를 포함, 차선 원형 편광 beamsplitter 복굴절 (4.2)에 의해 발생으로 인해 회전 주파수를 낮은 유리 표면에 나노 입자의 고집 때문에 부족 한 쿨롱 반발 (4.3), 그리고 특성 상관 신호 (4.4)에서 편차.

Protocol

1. 원형으로 나노 회전에 대 한 광학 족집게를 편광

  1. 적당 한 거꾸로 한 현미경 주변 설치를 구성 하 고 표시 빨간색 파장 레이저를 사용 하 여 (660 nm). 실험적인 체제의 회로도 그림 2에 표시 됩니다. 안정적인 출력을 가진 레이저 파워 500까지를 선택할 수 있는지 확인 mW (약 50의 샘플 평면에서 전력 생산 mW). 또한 구성 요소 나머지 트래핑 레이저 파장에서 잘 수행 하는 확인 하십시오.
  2. 건조 목표를 사용 하 여 0.95와 40 X 확대의 수 가늠 구멍 (NA)와 함께.
  3. 항상 안전 고글을 착용 하 고 (특히 경우에 보이지 않는 레이저를 사용 하 여) 좋은 레이저 보안을 유지 합니다. 최소 레이저 파워에 맞춤을 수행 합니다. 모두 안전에 대 한 고 열 드리프트와 빛에 먼지를 피하기 위해 전체 레이저 경로 캡슐화 합니다.
    참고: 레이저에서 출력의 편광 상태에 따라 광학 핀셋 초기 광학 구성 요소와 선형 편광판을 배치에서 유익할 수 있었다. 레이저의 편광, 선형 이미 경우이 구성 요소를 생략할 수 있습니다.
  4. Keplerian 망원경 구성 ( 그림 2의 하단에 렌즈)의 긍정적인 렌즈의 쌍을 사용 하 여 레이저 빔 빔 직경은 트래핑 목표의 다시 조리개 보다 약간 큰 그런 확장.
    참고:이 사용은 목표의 전체 나의 사용 하 고 트랩11, 최적의 트래핑 강성에 따른 회절 제한 된 초점을 생산할 예정 이다.
  5. 트래핑 레이저 빔 익 스팬 더 후 조명을 제대로 다는 것을 확인 하십시오. 이 빔 크기는 가까운에 그대로 목표 (또는 전단 간섭계를 사용 하 여)을 전파 하 여 수행할 수 있습니다.
  6. 운동학 미러 마운트에 장착 된 2 개의 거울 (M1 및 M2 그림2에서)를 사용 하 여 (및 필요한 경우, 번역 단계), 현미경 설치에 레이저 광선을 직접.
    참고 1: 레이저 거울 및 waveplates 및 beamsplitters와 같은 추가적인 광학 요소를 추가할 수에 현미경 사이의 충분 한 공간을 유지 합니다.
    주 2: 레이저는 눈 이나 현미경 종료 다른 접근 빛 필터링 항상 다는 것을 확인 하십시오.
  7. beamsplitter를 사용 하 여 (50/50 부분 전송/반사 여기, 사용 하지만 한 색 성 또한 잘 작동할 수 있던) 몇 레이저 현미경 설치에서 이미징 및 측정 기능을 잃지 않고 목적으로 빛을 현미경 내부.
  8. 카메라를 포함 됩니다 ( 그림 2참조) 후속 실험 관찰 및 기록 데이터에 대 한 설치 프로그램에서. 눈 없이 시스템을 사용 하는 경우 이것은 어떤 정렬 중요 합니다.
  9. 유리 슬라이드 또는 거울에 레이저 초점을. 레이저 정렬 됩니다 올바른 각도에서 목표를 입력 하는 경우 위와 아래 초점 초점을 변경할 때 레이저 강도 패턴은 광선으로 대칭입니다.
  10. 최적의 레이저 정렬 (1.9에서와 같이)를 (M1 및 M2 그림2에서) 레이저 거울의 각도 미세 조정할.
  11. 원형 분극 레이저 빛.
    1. 목표에 가벼운 경로에 전달 레이저의 선형 분극에 45 °에 그것의 빠른 축 지향 분기 웨이브 플레이트 (QWP; 그림2에서 λ/4)을 통해 레이저 빛이 선형 편광 된 빛에 원형으로 극 화 된 빛으로 변환 샘플 비행기입니다.
    2. 360 ° 회전 가능한 선형 편광판과 목표 앞에서 파워 미터를 설정 합니다.
    3. 선형 편광판을 회전 하 고 최대 및 최소 힘, 주요 하 고 작은 축 또는 편광 타원 해당 지적에 의해 편광을 확인 합니다.
      참고: 비율 최적의 회전 성능을 위해 0.9 보다 높아야 한다. 이 도달 하면 되지, 단계 4.2 솔루션에 대 한 참조.
  12. 샘플 평면에서 레이저 전력 측정.
    1. 광 파워 미터를 사용 하 여 샘플 비행기에서 레이저 힘을. 트래핑 파워의 정확한 측정에 대 한 목표를 통과 하는 모든 빛을 수집 하는 것을 주의.
    2. 출력 레이저 힘의 선형 스위프를 실행 하 고 함정에 후속 전환 전력 밀도에 대 한 샘플 평면에서 해당 능력을 기록 합니다.
  13. 쾰러에 어두운 필드 (DF) 시스템 설정 조명 석유를 사용 하 여 입자와 트래핑 이벤트 시각화 수 있도록 DF 콘덴서 몰두. 이것은 갇혀 나노 입자의 이미징 및 분 광 측정 허용.

2. 회전, 회전 Brownian 역동성 및 광 특성의 측정을 위한 계측

  1. 광자 상관 분 광 단일 픽셀 검출기를 사용 하 여
    1. 광학 경로로 삽입 beamsplitter (30R/70T)는 나노 입자에서 backscattered 빛을 추출.
    2. 데이터 수집 카드 신호의 녹음 수 있도록 빠른 단일 픽셀 Si 포토 다이오드를 연결 합니다.
      참고: (여러 수십 kHz) 예상 회전 주파수를 측정은 포토 다이오드/DAQ는 중요 하다.
    3. Xy에 고정 컬렉션 섬유에 빛을 집중-번역 마운트. 컬렉션 섬유 전에 선형 편광판을 삽입 합니다.
    4. 컬렉션 섬유 맞춤, 기판 밝히는 섬유의 출구 끝에 보이는 빛 커플. 섬유의 컬렉션 영역의 분석 및 시각화 수 있습니다.
    5. Xy를 사용 하 여 섬유의 위치를 조정-번역 탑재, 광학 트랩의 위치와 일치 하는 컬렉션 지역 있도록. Si-검출기에는 섬유의 출구 끝을 연결 하 고 수집된 다시 최대화 하기 위해 섬유의 위치를 미세 조정 흩어져 신호.
  2. 다크 필드 분광학 설치 합니다.
    1. 곰 염두에 두고 치료 샘플 및 분석기, 관심의 스펙트럼 범위 내에서 빛을 차단 하기 위하여 사이의 경로 있는 모든 광학 구성 요소를 선택에 주의가 필요.
    2. 주의 직접 산란 또는 반사 레이저 광 분석기 센서 손상 될 수 있습니다. 적절 한 필터 및 dichroic beamsplitters를 사용 하 여 레이저 빛을 차단 합니다. 항상 최소 레이저 파워에 설치의 맞춤을 수행 합니다.
    3. 분 광 계에 빛을 광학 경로에서 beamsplitter 또는 거울을 삽입 (이 프로토콜에서 무료 공간 결합 된 분석기 사용 됩니다). 하나는 현미경의 경우 적합 한 포트를 사용할 수도, 출력.
    4. 노치 필터를 사용 하 여 제거 강렬한 트래핑 레이저 빛 (레이저 파장에서 OD12 우리의 경우 충분 한 방해에 대 한 필요의 필터), 다른 경우에 관심의 나노 입자의 스펙트럼 응답 애매 한 것 이다.
    5. 지도 거울 (M1 및 M2 그림2에서)에 의해 광학 핀셋의 위치를 조정 그래서 그것은 분석기 슬릿의 위치와 일치.
      참고 1: 광학 트랩의 위치에 변화 광자 상관 관계 측정 시스템 (지침 2.1.4-2.1.5)의 재배치를 요구할 것 이다.
      주 2: 광학 족집게의 새로운 위치에 지침 1.9 1.10 도달 잘 정렬 된 광학 트랩을 반복 해야 합니다.

3. 실험 절차

  1. 실험에 대 한 입자의 준비입니다.
    1. 디 물에서 입자를 희석. Nanorods의 적절 한 농도 0.1-0.01 사이의 범위에 있어야 오후. 2 분 떨어져 가능한 집계 하 고 솔루션을 균질 초음파 청소기 목욕에 희석된 솔루션 sonicate
    2. 여러 입자 트랩을 피하기 위하여 nanorods는 희석에서 농도 조정 합니다. 더 이상 실험을 수행 될 것입니다, 낮은 농도 여러 입자 또는 오염 트래핑의 위험을 줄이기 위해 필요 합니다.
  2. 샘플 셀을 준비 합니다.
    1. 현미경 슬라이드 및 덮개 유리 (제 1.5) 아세톤 및 이후 5 분 동안 쥡니다 아래 소 프로 파 놀을 각각 씻어.
      참고: 실험 중 유리 슬라이드 표면 충전 콜 로이드 나노로 같은 극성은 다는 것을 확인 하십시오. 나노 계면 활성 제 hexadecyltrimethylammonium 브 로마 이드 (CTAB)에 의해 안정화 긍정적으로 위탁 된다.
    2. 100 µ m 스페이서 테이프를 유리 슬라이드에 배치 합니다.
    3. 커버 유리에 잘와 2 µ L 내 현미경 슬라이드에 희석된 나노 솔루션의 2 µ L를 분산. 두 표면에 솔루션 샘플 셀의 더 제어 어셈블리에 대 한 수 있습니다.
    4. 챔버 내부에 어떤 기포 형성을 피하고 있는 동안 샘플 셀의 두 부분을 함께 연결 합니다.
    5. 현미경 단계에 셀을 놓고 콘덴서에 샘플 한 방울 위에 일치 하는 인덱스 (침수) 오일 한 방울을 배치 합니다. 빛을 없앤다 고 DF 조명의 대조를 감소 시킨다 기름에 각 측 피 거품에 드랍 스.
  3. 실험을 수행.
    1. DF 이미징 시스템에서 관측을 통해 입자를 찾습니다. 단일 nanorod의 브라운 모션 (집계 보다 더 엉뚱한)와 색상 (강한 LSPR 공명에 해당)의 관측을 통해 일반적으로 확인할 수 있습니다.
    2. 시작/차단 해제를 트래핑 레이저.
    3. 일련의 단계 이동 및 초점, 레이저의 전파 방향의 물 유리 인터페이스에서 선택한 입자 방사선 압력을 통해 밀어. 인터페이스, z-운동 방사선 압력 및 나노 입자 표면에 CTAB 분자 고 충전 된 표면 사이의 쿨롱 반발력 사이의 균형에 의해 제한 됩니다. Xy-변동 광학 족집게에 그라데이션 세력에 의해 수감 된다.
    4. 작은 초점 교정, 통해 트래핑 안정성 또는 회전 속도, (아래에 설명된대로 지시 3.4) 상관 데이터에서 gauged 극대화.
    5. 이 시점에서, 회전 역학과 갇혀 nanorod의 광 속성을 기록 합니다. 이 조사 하는 방법에 3.4와 3.5 아래 지침을 참조 하십시오. 이것은 필요한 경우 몇 시간, 시간의 연장된 기간 동안 행 해질 수 있다.
  4. 회전 역학 측량입니다.
    1. 항상 그것의 변환 동작 중 입자의 이미지를 포함 하려면 충분히 큰 섬유에서 컬렉션 영역이 있는지 확인 합니다.
    2. 적절 한 프로 빙 주파수 및 수집 시간에 시 매칭으로 수집 강도 진동 신호. 65536 Hz와 1 s 수집 시간을 시작 선택 하 고 필요한 경우 조정.
      참고: 주파수를 조사 해야 한다 적어도 2 (최적 10) 감지 회전 대칭 (N, 아래 참조)의 정도 의해 곱한 회전 주파수 보다 큰 시간. 수집 시간 오랫동안 크게 회전 주파수 보다 낮은 주파수를 얻을 수 있을 정도로 해야 합니다.
    3. 회전 나노에서 강도 변동 데이터 집합을 수집 후 강도 동요의 상관을 계산 합니다. 각 지연 시간 τ 에 대 한 자체의 시간 지연 된 복사본으로 신호의 상관 관계를 계산 하 여 이렇게 (i.e.,C(τ) = {(τ) · 내가(0)}).
    4. 이론적인 자기 상관 함수에 맞는 수행
      Equation 1
      내가0 은 평균 강도, 1 강도 동요의 진폭 이며 N (막대 모양의 입자 N = 2)에 대 한 감지 회전 대칭2,3정도입니다.
    5. 맞는에서 회전 주파수 f고 부패 시간을 (회전 브라운 운동 역학에 관련 된) 상관 신호 τ0 의 압축을 풉니다.
  5. 분 광 측량입니다.
    1. 조명 빛을 수집 하 여 흰 빛 스펙트럼 (흰색(λ))를 기록 합니다. 이것은 밀도가 균일 하 게 폴리스 티 렌 구슬 표면에 산란 하 고 그들의 산란 응답 수집 분산에 의해 행 해질 수 있다.
    2. 입자가 갇혀 하지 때 트래핑 자리에 길 잃은 빛을 수집 하 여 배경 스펙트럼 (내가bkg(λ))를 기록 합니다.
      주 1:이 행해져야 한다 각 개별 측정에 대 한 배경 속성 다른 샘플 셀 및 샘플 내에서 심지어 위치 사이 크게 달라질 수 있기 때문.
      주 2: 배경 스펙트럼을 기록 할 수 광학 트랩 사용 같은 레이저 파워에 대 한. 하나 유리 슬라이드, 초점에 높은 레이저 강도 의해 흥분된에서 모든 가능한 자동 형광을 제거 수 있습니다.
    3. 때 (내가어둠(λ)), 어두운 스펙트럼 기록 검출기에 오는 모든 빛을 차단. 그런 다음에 갇힌된 나노 (원시(λ))의 원시 스펙트럼 기록.
    4. 계산 하 여 실제 나노 분산 스펙트럼 액세스
      Equation 2
    5. LSPR 피크 위치에 대 한 정보를 추출, 맞는 DF 산란 스펙트럼 에너지 규모 골드에서 interband 전환에 대 한 선형 보정 용어를 포함 한 bi Lorentzian 피팅 기능. 모델 기능 읽습니다.
      Equation 3
      여기서 E 는 에너지, 내가B 초기 강도, k 선형 보정의 기울기, 는 강도 맥시 마, Γ 절반 맥시 마 (FWHM)와 E0, i 전체 폭 두 Lorentzian 봉우리의 피크 위치.

4. 문제 해결 일반적인 문제 그리고 해결책

  1. 골드 하이퍼 속성에 관련 된 문제입니다.
    1. 불 쌍 한 트래핑 안정성입니다.
      1. 주요 공명 (nanorods 경우 일반적으로 경도 공명) 트래핑 레이저 파장의 블루 파장에 있는지 확인 합니다. 그렇지 않은 경우에 그라데이션 힘 매력적인37대신 불쾌 하 게 될 것 이다.
      2. 하이퍼의 크기 감소 서 모션 Brownian 변동 증가 동시에 스톡 드래그에서 안정화 힘 감소 합니다. Xy을 위해 충분히 큰에 nanorods 확신-경도력이 세력 약화를 극복 하기 위해.
    2. 중복 또는 광범위 한 스펙트럼 기능.
      1. 막대를 개별적으로 해결 되도록 충분히 분리할 수 LSPR 피크에 대 한 충분히 큰 가로 세로 비율 필요 ( 그림 1b를 참조).
        참고: 레이저 파장 긴 봉에 대 한 경도 LSPR redshifts 이후 모양 이방성에 대 한 상한선을 둔다.
      2. 나노 입자 선호 때문에이 분석을 복잡 하 게 보이는 정권에서 높은 순서 LSPR 모드를 지원 하지 않도록 충분히 작은 되어야 합니다. 나노 선택이이 고려와 지시 4.1.1.2 트래핑 안정성 문제 사이의 균형 이다.
  2. 트래핑 레이저의 부적당 한 원형 분극입니다.
    참고: 갇혀 나노 입자의 회전의 최적의 성능을 얻으려면 견본 비행기를 도달 하는 레이저 빛 해야 될 원형 편광. Beamsplitters 기타 광학 부품 분극 의존, QWP만을 사용 하 여 완벽 한 원형 편광을 불가능 한 만들 수도 있을 수 있습니다.
    1. Beamsplitter 복굴절을 보상 하기 위하여 경로, QWP 뒤 하프 웨이브 접시 (HWP, 그림2에서 λ/2)를 삽입 합니다.
    2. 선형 편광판과 파워 미터 구성 고 레이저의 편광 상태 (로 지시 1.11.2-1.11.3)의 분석을 수행 합니다.
    3. QWP의 5도 단위로 각 위치에 대 한 5도의 단계에 그것의 전체 각도 범위 (90 °)를 통해 HWP를 회전 하 고 각 위치에 대 한 전력 비를 측정 한다. 최대 및 최소 전력 사이의 비율 극대화 QWP HWP의 각도 찾으려고 노력 한다.
      참고: 우리의 경험에서 최대 및 최소 힘 사이 최대 비율 되었고 없이 0.75 0.98 HWP 정정.
  3. 인터페이스에 집착 하는 입자 레이저 전원 불 충 분 한 xy에 입자를 제한 하려면-비행기.
    1. 계면 활성 제 CTAB의 제어 농도 세척 절차 및는 nanorods의 후속 다시 분산 입자를 통해 안정화의 농도 조정 합니다.
      1. 나노 입자의 재고 솔루션 입자 앙금 600 g (~ 5 분)까지 원심.
      2. 현 탁 액 액체를 제거 합니다.
      3. 다시 물에 분산. 이 재고 솔루션의 CTAB 콘텐츠 dilutes.
      4. 4.3.1.1 단계를 반복 합니다. 그리고 4.3.1.2입니다. 한 번 더입니다.
        참고: CTAB 콜 로이드 안정화 에이전트 역할을, 이후 과도 한 원심 분리 시간 및 속도 때문에 집단의 위험 증가 CTAB 씻으로 세척 단계를 성공에 피하십시오.
      5. 원래 콜 로이드 솔루션에서 CTAB 계면의 대부분 지금 제거 되 고 CTAB의 새로운, 잘 제어, 농도 교 질에 소개 하실 수 있습니다. 우리의 경험에서 충분 한 쿨롱 반발을 생산 하는 표면에서 실험 솔루션 농도 결과 CTAB 및 후속 디 물 희석의 20 µ M와 물에 재고 솔루션을 분산.
      6. CTAB 농도의 미세 조정 가능한 사용 하는 나노 입자의 특정 배치에 대 한 적절 한 입자/표면 반발을 만드는 데 필요할 수 있습니다. 위의 절차를 반복 하 고 적절 한 하나를 찾아 CTAB 농도 약간 변경.
    2. 유리 표면 부정적인 충전 표면 세척입니다.
      참고:이 세척 절차 2D 트래핑 중 그것에 게 긍정적이 고 정전 입자에 대 한 반발을 만드는 실험 솔루션 무료 CTAB 분자와 코팅 마이너스로 충전 된 표면을 생성 합니다.
      1. 현미경 슬라이드를가지고 고 표면 가시 친수성 될 때까지 약 10 분 동안 80 ° C에가 열 하는 기본적인 세제의 2 wt % 물 혼합물에 그것을 청소.
        참고:이 다공성 유리 표면을 만들 수 있고 다양 한 오염 입자를 생산 이후 너무 오래 또는 가혹 하 게, 유리 슬라이드를 세척 하지 마십시오.
  4. 광자 상관 분광학 문제입니다.
    1. 강도 진동 또는 시끄러운 신호 낮은 진폭
      1. 컬렉션 섬유, 레이저 빛과 블록 다크 필드 조명 빛을 전달 하기 전에 대역 통과 필터 ( 그림 2에서 BP 필터)를 삽입 합니다.
        참고: 원칙적으로, 측정 때 작동 뿐만 아니라 모든 빛을 수집 합니다. 그러나, DF unpolarized 흰색 빛 조명을 효율적으로 비행기 모드에서 흥분 그리고 이후는 하이퍼 광 축에 수직한 평면에서 짧은 축에 대해 회전,이 비행기 가로 LSPR. 이 모드는 회전 하는 동안 어떤 모양 이방성을 수행 하지 않습니다 및 그것에서 빛을 수집만 잡음 비율 측정의 신호를 감소 시킨다.
    2. 자기 상관 함수에 추가 붕괴.
      1. 컬렉션 섬유의 코어 크기는 모든 변환 브라운 모션 인해 그 여행 중에서 나노 입자의 이미지를 포함할 수 있는지 확인 합니다.
      2. 너무 작은 코어 크기의 광섬유를 사용 하는 경우 더 큰 것으로 교체 합니다.
      3. 지침 2.1.4-2.1.5에서 새로운 섬유의 맞춤 확인 하십시오.

Representative Results

회전 및 원형 편광 된 레이저 핀셋에 갇혀 제대로 골드 nanorod의 회전 브라운 모션 산란 강도의 변동 (그림 3a)는 단일 픽셀 검출기를 사용 하 여 기록 하 여 조사 될 수 있습니다. 이 신호의 상관 스펙트럼에는 진동 구성 요소를, 그림 3b에서 표시 된 것과 비슷한 포함 되어 있습니다. 이론적 자기 상관 함수에 들어갈 수 있습니다. 피팅을 회전 주파수와는 하이퍼의 회전 Brownian 변동 관련 상관 부패 시간 추출 수 있습니다.

프로토콜 (명령 4.4.2)에서 설명 했 듯이를 사용 하 여 충분히 두꺼운 섬유 코어 backscattered 레이저 빛 광자 상호 관계 분광학에 대 한 필수적입니다. 하지 경우 프로브 볼륨 및 입자 번역 관련 추가 감퇴 기간 상관 함수에 있을 것입니다, 그리고 그림 4참조. 주의 깊은 분석을 통해이 시스템;에 대 한 자세한 정보를 제공할 수 있습니다. 그러나, 그것은 데이터에 포함 된 회전 Brownian 역동성의 분석을 복잡.

올바른 DF 산란 스펙트럼에서에서 얻으려면 갇혀 나노 입자, 3.5 섹션에 설명 된 대로, 원시 스펙트럼 데이터를 보정 해야 합니다. 이 조명 램프 스펙트럼 배경 스펙트럼 (그림 5a) 녹음 하면 됩니다. 일부 형광 생성 되는 nanorods 갇혀 있다, 기판 등 유리 표면에 강한 레이저 빛을 집중 하는 경우 ( 그림 5a의 배경 스펙트럼에서 적색 스펙트럼 기여 참조). 이 형광 오염 용융 실리 카 기재를 사용 하 여 줄일 수 있습니다. 그러나, 그것은 어쨌든 좋습니다 정확한 레이저 전력에서 빈 광학 핀셋으로 배경 스펙트럼을 기록. 때 산란 스펙트럼 기록 하 고 실제 나노 분산에 관련이 없는 모든 스펙트럼 구성 요소 스펙트럼 정보를 추출 bi Lorentzian 피팅 기능으로 에너지 규모에 맞을 수 있다 대 한 보상 되어는 관련 된 LSPR 피크 위치 (그림 5b).

Figure 1
그림 1: SEM 이미지와 앙상블 멸종 스펙트럼 두 대표적인 나노 배치.는) 눈금 막대는 200 nm. b) 블루/레드에 SEM 이미지 경계는) 각각 빨강/파랑 스펙트럼에 해당. 가로 및 세로 LSPRs에 관련 된 스펙트럼 봉우리 명확 하 게 구별할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: 나노 회전 측정 광학 족집게의 회로도 그림. 레이저 빛은 조명을 Keplerian 망원경을 통해 확대 그리고 연속적으로 2 개의 움직일 수 있는 거울 (M1, M2) 사용 목적과 beamsplitter (BS)에 가이드. 레이저 경로에 두 개의 waveplates 최적화 (λ/2, λ/4) 광학 족집게의 원형 분극. Backscattered 레이저 빛 광자 상호 관계 분광학 및 회전 역학 측정에 대 한 선형 편광판 후 수집할 수 있습니다. 레이저 빛을 제거한 후 흩어져 하얀 빛은 분석기 또는 카메라를 안내입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3: 곡선으로 대표 강도와 자기 상관 데이터는 갇혀와 회전 하이퍼. 적합 한) 강도 변동 1s, 그리고 동요의 확대 된 플롯에 대 한 선형 편광판 후 단일 픽셀 검출기에 의해 기록 된. b) Autocorrelated 데이터 회전 골드 하이퍼 (블루 포인트)에 대 한 강도 변동 backscattered 레이저 빛에서 수집. 데이터는 몇 기간 후에 부패 하는 발진을 보여줍니다. 진동 회전 브라운 모션은 감퇴 하는 반면, 하이퍼의 회전 주파수 관련이 있습니다. A 이론적인 자기 상관 함수에 맞게 수행 회전 주파수 f 의 추출 (레드 라인) = 24285 ± 45 Hz와 상관 관계 부패 시간 τ0 40.9 ± 1.06 µs =. Fτ0 불확실성 0.9877의 결정 (R2) 계수는 적합의 95% 신뢰 간격을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4: 광자 상호 관계 분광학 측정. 너무 작은 프로브 볼륨 문제는) 회전 골드 하이퍼에 대 한 상관 데이터 수집 (400 µ m, 블루 데이터) 두께 얇은 (62.5 µ m, 붉은 데이터)를 사용 하 여 섬유. 두꺼운 섬유를 사용 하 여 컬렉션에서 하이퍼 프로브 볼륨 내에서 국한 항상 자기 상관 함수 회전 역학만 측정 하면 됩니다. 변환 브라운 모션으로 추가 붕괴 용어는 때 프로브 볼륨 충분 하지 않습니다. 에 b)c), 효과의 도식 삽화 및 백 조명 컬렉션 영역의 이미지 표시 됩니다. 스케일 바는 2 µ m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5: 광학 660 nm 레이저 빛에 의해 갇혀 골드 하이퍼에 대 한 모범적인 어두운 필드 산란 스펙트럼 기록. 630-670 nm (1.85-1.97 eV) 노치 필터 트랩 레이저 빛을 차단 하는 데 필요한 인해 왜곡 스펙트럼 영역입니다. 는) 원시 산란 스펙트럼 (진한 파란색) 표시 하는 기능을 하지는 입자의 분산에 대 한 보정 해야 합니다. 이러한 배경 스펙트럼 (빨강), autofluorescence 높은 초점된 레이저 빛에 의해 흥분된을 포함, 그리고 하얀 빛 여기 스펙트럼 포함 (오렌지, 노치 필터 없이 기록). 교정, 후 수정 된 분산 스펙트럼 (밝은 파란색) 예상 대로 두 가지 LSPR 봉우리를 보여줍니다. 화살표는 각 스펙트럼에 대 한 규모를 나타냅니다. b) (밝은 파란색, 주황색) 그것의 구성 요소와 (빨간) bi Lorentzian 모델 기능에 적합 함께 갇혀 하이퍼 (블루 포인트)에 대 한 산란 스펙트럼. 왜곡 된 스펙트럼 영역에서 데이터의 피팅 무시 하 고 맞는 0.9975의 R2 는. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Discussion

이 프로토콜에서 설명 하는 광학 트랩 설치 상업 거꾸로 현미경 중심으로 구축 되 고 빨간 레이저 빛을 사용 하 여. 그러나, 설명 하는 기술을 다재 다능 하 고 가장 상업적 또는 집에서 만든 현미경, 모두 똑바로 주위 원형 편광된 광학 족집게 고 거꾸로로 약간의 변경 사용할 수 있습니다. 트래핑 레이저 파장 광학 부품 및 검출기의 나머지는이 특정 한 파장에 기능으로 넓은 표시-NIR 스펙트럼 내에서 선택할 수 있습니다. 그럼에도 불구 하 고, 레이저 파장을 선택할 때 크기와를 조작할 수 입자의 공명 스펙트럼 인근 고려해 야 광학 트래핑 힘과 회전 성능을2,5에 영향을 미칠 것입니다이 있기 때문에 photothermal 효과1, 그리고 트래핑 안정성26의 크기. 우리 660, 785, 830, 1064 nm의 레이저 파장을 사용 하 여 원형 편광 된 레이저 족집게로 성공적으로 일 이전 했습니다.

광학 트랩 설치의 가장 중요 한 구성 요소 중 하나는 현미경 목표입니다. 이 프로토콜에 목적은 NA와 건조 목표 = 0.95. 건조 목표의 사용은 실험적으로 설치;의 간단 하 게 실현 그러나, 그것은 때문에 샘플 셀 인터페이스에서 굴절 광학 착오 이어질지 않습니다. 현재의 경우에 결과 회절 한계 (~0.4 µ m)에 비해 약간 확대 초점 자리 (~1.2 µ m) 하지만이 플랫폼의 일반 또는 회전 성능에는 크게 바뀌지 않습니다. 교장에 현미경 목표의 광범위 사용, 들은 트래핑 파장, 좋은 편광 유지 보수 및 현미경 커버 슬립 및 물 층 통해 트래핑 수행을 충분히 작동 거리에 좋은 전송 제공 될 수 있습니다. 전체 실험을 간단 하 게 하 고 제공 하는 초점에 청소기 원형 편광 2D 트랩의 경우는 나는 상대적으로 낮은 수 있습니다. 그러나, 높은 레이저 능력 보다 높은 나 목표의 경우 필요한 수 있습니다. 우리의 경험에서 트랩, 최상의 성능 회전 및 어두운 필드 분광학 목표 나 0.7-0.95와 함께 얻은 것입니다 하지만 더 높은 뿐 아니라 낮은 나 목표를 사용 하 여 가능 합니다.

좋은 광자 로타리 운동의 상관 관계 측정을 얻기 위해 빠른 단일 픽셀 검출기 필요 합니다. 적어도 두 대역폭으로는 검출기를 선택, 선호 10, 배 모양 퇴 화 비율과 트래핑 파장에서 높은 감도 곱한 예상된 회전 주파수 보다 높은 사용. 증폭된 시 검출기, Apd, 및 Pmt 단일 광자 우리의 실험실에서 다른 설정에서 성공을 함께 사용 되었습니다. 측정 및 파워 스펙트럼 분석5등 잘 설립 기술을 사용 하 여 입자 변환 변위를 분석 하 여 트랩 강성에 예를 들어 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 이전 간행물의 수가 기법38,39의 다른 이체를 설명합니다. DF 분광학 광범위 한 여유 공간을 사용 하 여 수행할 수 있습니다 또는 섬유 결합 분석기 및 선택 스펙트럼 범위와 파장 및 계획된 연구에 필요한 시간적 해상도에 기반 한다.

트래핑 실험을 수행할 때 추가 입자 실수로 함정을 입력할 수 있습니다. 이 소동으로 인해 강하게 변동 될 회전 주파수를 모니터링 하 여 검색할 수 있습니다. DF 현미경으로 검사 추가 입자의 존재를 확인 하는 데 사용할 수 있습니다, 어떤 경우에 더 방해를 피하기 위해 무대를 이동할 수 있습니다 또는 실험을 다시 시작 해야.

위에서 설명한 시스템 2D 감 금 및 금속 나노 입자의 회전을 실현 하는 간단 하 고 효율적인 방법입니다. 그러나, 일부 응용 프로그램에 대 한 3D 트래핑와 함께 제공 되는 조작에 대 한 여분의 학위의 자유는 중요 하 고 현재 구성 제한 이므로 키를 누릅니다. 그러나, 3D 감 금 및 회전 수 있습니다 달성 카운터 레이저 핀셋 이나 더 이국적인 트랩 구성 전파를 이용 하 여.

여기서 설명 하는 입자 및 시스템 매개 변수는 photothermal ~ 15 K4아래에 열을 줄이기 위해 최적화 될 수 있습니다., 비록 금속 나노 입자의 plasmonic 여기와 관련 된 온도 증가 특정 문제가 될 수 있습니다. 응용 프로그램입니다. 추가 열 감소 쪽으로 가능한 경로 plasmonic 입자 대신 높은 인덱스 유 전체 나노 입자를 사용 하는 것입니다. 이러한 입자 강한 미 형 산란 공명 지원 하지만 동시에 낮은 본질적인 흡수 계수를 전시. 우리 최근이 존중40,41에 유용한 증명할 수도 공 진 시 나노 콜 로이드를 제조 하기 위하여 수 있다.

Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 작품은 크누트와 앨리스 발 렌 버그 재단, 스웨덴 연구 위원회와 사전 Nanoscience의 나노기술 Chalmers 영역에 의해 지원 되었다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Gold nanoparticles Purchased or home-grown
Commersial inverted microscope Nikon Eclipse TI
Trapping laser Cobolt Flamenco 05-01  660 nm
Objective Nikon CFI Plan Apo Lambda 40X
Laser safety googles Thorlabs LG4
Assorted optomechanical components for mounting optics. A range of mounts, posts and components from any company
Lens 1 Keplarian telescope Thorlabs AC254-035-A-ML
Lens 2 Keplarian telescope Thorlabs LA1725-A-ML
Silver coated mirrors Thorlabs PF10-03-P01
Kinematic mirror mounts Thorlabs KM100
Translation stage Thorlabs PT1/M Quantity: 2
50/50 R/T Beamsplitter Chroma 21000
CMOS camera Andor Zyla 5.5
Quarter waveplate (QWP, λ/4) Thorlabs AQWP05M-600
Power meter Thorlabs PM100USB
Photodiode Power Sensors Thorlabs S121C
Linear polarizer Thorlabs LPVIS050 For laser polarization measurement
360° rotation mount Thorlabs RSP1/M
Half waveplate (HWP, λ/2) Thorlabs AHWP05M-600 Used if polarization is not sufficient with only QWP
Oil DF condenser Nikon C-DO Dark Field Condenser Oil 
30/70 R/T Beamsplitter Chroma 21009
Fast Si detector Thorlabs PDA36A-EC
Data Acquisition Module National Instruments USB-6361
Fiber 400 µm core size Thorlabs M74L01
xy-translation mount Thorlabs LM1XY/M
Linear polarizer Thorlabs LPVIS050
Spectrometer Princeton Instruments  IsoPlane SCT320 
CCD camera for spectrometer Princeton Instruments  PyLoN 
Notch filter Semrock NF03-658E-25
Notch filter Thorlabs NF658-26
Ultrasonic cleaner bath Branson Branson 3510 
Microscope slide Ted Pella 260202
No. 1.5 Coverslips VWR 630-2873
Aceton
Isopropanol
Basic detergent Hellma Hellmanex III Cleaning if particle sticking is an issue
Secure-Seal Spacer Thermo Fisher S24735 Spacer tape with hole, for making sample cell
Immersion Oil Zeiss 444960-0000-000 
PS beads Microparticles GmbH PS-R-5.0
Spectrophotometer Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR
SEM Zeiss Ultra 55 FEG SEM
Tweezers Any brand

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건설 및 골드 하이퍼 로타리 빛 구동 모터 시스템의 운영
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Andrén, D., Karpinski, P., Käll, M. Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System. J. Vis. Exp. (136), e57947, doi:10.3791/57947 (2018).More

Andrén, D., Karpinski, P., Käll, M. Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System. J. Vis. Exp. (136), e57947, doi:10.3791/57947 (2018).

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