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
- 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.
- 건조 목표를 사용 하 여 0.95와 40 X 확대의 수 가늠 구멍 (NA)와 함께.
- 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. - 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. - 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.
- 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. - 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.
- 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.
- 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.
- 최적의 레이저 정렬 (1.9에서와 같이)를 (M1 및 M2 그림2에서) 레이저 거울의 각도 미세 조정할.
- 원형 분극 레이저 빛.
- 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.
- 360 ° 회전 가능한 선형 편광판과 목표 앞에서 파워 미터를 설정 합니다.
- 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.
- 샘플 평면에서 레이저 전력 측정.
- 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.
- 출력 레이저 힘의 선형 스위프를 실행 하 고 함정에 후속 전환 전력 밀도에 대 한 샘플 평면에서 해당 능력을 기록 합니다.
- 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
- 광자 상관 분 광 단일 픽셀 검출기를 사용 하 여
- 광학 경로로 삽입 beamsplitter (30R/70T)는 나노 입자에서 backscattered 빛을 추출.
- 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. - Xy에 고정 컬렉션 섬유에 빛을 집중-번역 마운트. 컬렉션 섬유 전에 선형 편광판을 삽입 합니다.
- 컬렉션 섬유 맞춤, 기판 밝히는 섬유의 출구 끝에 보이는 빛 커플. 섬유의 컬렉션 영역의 분석 및 시각화 수 있습니다.
- 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.
- 다크 필드 분광학 설치 합니다.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 실험에 대 한 입자의 준비입니다.
- 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
- 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.
- 샘플 셀을 준비 합니다.
- 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. - 100 µ m 스페이서 테이프를 유리 슬라이드에 배치 합니다.
- 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.
- 챔버 내부에 어떤 기포 형성을 피하고 있는 동안 샘플 셀의 두 부분을 함께 연결 합니다.
- 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.
- 현미경 슬라이드 및 덮개 유리 (제 1.5) 아세톤 및 이후 5 분 동안 쥡니다 아래 소 프로 파 놀을 각각 씻어.
- 실험을 수행.
- 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.
- 시작/차단 해제를 트래핑 레이저.
- 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.
- 작은 초점 교정, 통해 트래핑 안정성 또는 회전 속도, (아래에 설명된대로 지시 3.4) 상관 데이터에서 gauged 극대화.
- 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.
- 회전 역학 측량입니다.
- 항상 그것의 변환 동작 중 입자의 이미지를 포함 하려면 충분히 큰 섬유에서 컬렉션 영역이 있는지 확인 합니다.
- 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. - 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) = {나(τ) · 내가(0)}).
- 이론적인 자기 상관 함수에 맞는 수행
내가0 은 평균 강도, 난1 강도 동요의 진폭 이며 N (막대 모양의 입자 N = 2)에 대 한 감지 회전 대칭2,3정도입니다. - 맞는에서 회전 주파수 f썩 고 부패 시간을 (회전 브라운 운동 역학에 관련 된) 상관 신호 τ0 의 압축을 풉니다.
- 분 광 측량입니다.
- 조명 빛을 수집 하 여 흰 빛 스펙트럼 (나흰색(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.
- 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. - 때 (내가어둠(λ)), 어두운 스펙트럼 기록 검출기에 오는 모든 빛을 차단. 그런 다음에 갇힌된 나노 (나원시(λ))의 원시 스펙트럼 기록.
- 계산 하 여 실제 나노 분산 스펙트럼 액세스
- 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.
여기서 E 는 에너지, 내가B 초기 강도, k 선형 보정의 기울기, 나나 는 강도 맥시 마, Γ나 절반 맥시 마 (FWHM)와 E0, i 전체 폭 두 Lorentzian 봉우리의 피크 위치.
4. 문제 해결 일반적인 문제 그리고 해결책
- 골드 하이퍼 속성에 관련 된 문제입니다.
- 불 쌍 한 트래핑 안정성입니다.
- 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.
- 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.
- 중복 또는 광범위 한 스펙트럼 기능.
- 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. - 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.
- 막대를 개별적으로 해결 되도록 충분히 분리할 수 LSPR 피크에 대 한 충분히 큰 가로 세로 비율 필요 ( 그림 1b를 참조).
- 불 쌍 한 트래핑 안정성입니다.
- 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.- Beamsplitter 복굴절을 보상 하기 위하여 경로, QWP 뒤 하프 웨이브 접시 (HWP, 그림2에서 λ/2)를 삽입 합니다.
- 선형 편광판과 파워 미터 구성 고 레이저의 편광 상태 (로 지시 1.11.2-1.11.3)의 분석을 수행 합니다.
- 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.
- 인터페이스에 집착 하는 입자 레이저 전원 불 충 분 한 xy에 입자를 제한 하려면-비행기.
- 계면 활성 제 CTAB의 제어 농도 세척 절차 및는 nanorods의 후속 다시 분산 입자를 통해 안정화의 농도 조정 합니다.
- 나노 입자의 재고 솔루션 입자 앙금 600 g (~ 5 분)까지 원심.
- 현 탁 액 액체를 제거 합니다.
- 다시 물에 분산. 이 재고 솔루션의 CTAB 콘텐츠 dilutes.
- 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. - 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.
- 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.
- 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.- 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.
- 현미경 슬라이드를가지고 고 표면 가시 친수성 될 때까지 약 10 분 동안 80 ° C에가 열 하는 기본적인 세제의 2 wt % 물 혼합물에 그것을 청소.
- 계면 활성 제 CTAB의 제어 농도 세척 절차 및는 nanorods의 후속 다시 분산 입자를 통해 안정화의 농도 조정 합니다.
- 광자 상관 분광학 문제입니다.
- 강도 진동 또는 시끄러운 신호 낮은 진폭
- 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.
- 컬렉션 섬유, 레이저 빛과 블록 다크 필드 조명 빛을 전달 하기 전에 대역 통과 필터 ( 그림 2에서 BP 필터)를 삽입 합니다.
- 자기 상관 함수에 추가 붕괴.
- 컬렉션 섬유의 코어 크기는 모든 변환 브라운 모션 인해 그 여행 중에서 나노 입자의 이미지를 포함할 수 있는지 확인 합니다.
- 너무 작은 코어 크기의 광섬유를 사용 하는 경우 더 큰 것으로 교체 합니다.
- 지침 2.1.4-2.1.5에서 새로운 섬유의 맞춤 확인 하십시오.
- 강도 진동 또는 시끄러운 신호 낮은 진폭
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).
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.
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.
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 =. F 와 τ0 불확실성 0.9877의 결정 (R2) 계수는 적합의 95% 신뢰 간격을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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) 및 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.
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 |
References
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