Plasmonic गोल्ड nanorods तरल पदार्थ में फंस सकता है और परिपत्र-ध्रुवीकरण ऑप्टिकल चिमटी का उपयोग कर kHz आवृत्तियों पर घुमाया गया. Brownian गतिशीलता विश्लेषण और प्रकाश scatteringspectroscopy के लिए उपकरण का परिचय विज्ञान के कई क्षेत्रों में अनुसंधान और आवेदन के लिए एक शक्तिशाली प्रणाली की ओर जाता है ।
संभावना उत्पन्न करने के लिए और नेनो पर रोटेशन और टोक़ मापने के अध्ययन और जैविक और कृत्रिम nanomotors के आवेदन करने के लिए मौलिक ब्याज की है और एकल सेल विश्लेषण की दिशा में नए मार्गों प्रदान कर सकते हैं, गैर संतुलन के अध्ययन ऊष्मा, और नेनो प्रणालियों के यांत्रिक actuation । एक सतही रास्ता रोटेशन ड्राइव करने के लिए ऑप्टिकल चिमटी में केंद्रित परिपत्र ध्रुवीय लेजर प्रकाश का उपयोग करने के लिए है । इस दृष्टिकोण का उपयोग करना, धातुई नैनोकणों अत्यधिक कुशल तितर-बितर रोटरी पानी में अभूतपूर्व रोटेशन आवृत्तियों पर कताई मोटर्स संचालित के रूप में संचालित किया जा सकता है ।
इस प्रोटोकॉल में, हम nanoparticle रोटेशन के लिए परिपत्र-ध्रुवीय ऑप्टिकल चिमटी के निर्माण और संचालन को रेखांकित करते हैं और फंसे हुए कण के Brownian गतिशीलता और रेले कैटरिंग की रिकॉर्डिंग के लिए आवश्यक इंस्ट्रूमेंटेशन का वर्णन करते हैं । रोटेशन गति और कैटरिंग स्पेक्ट्रा nanoparticle और उसके तत्काल पर्यावरण के गुणों पर स्वतंत्र जानकारी प्रदान करता है । प्रयोगात्मक मंच nanorods और आणविक कोटिंग्स के रूपात्मक परिवर्तन पर नज़र रखने के लिए, और photothermal और ऊष्मा प्रक्रियाओं की एक transducer और जांच के रूप में, चिपचिपापन और स्थानीय तापमान के एक nanoscopic गेज के रूप में उपयोगी साबित हो गया है ।
इस लेख में प्रस्तुत तरीके हमारे पिछले1 काम में इस्तेमाल किया नेनो photothermal प्रभाव का अध्ययन प्रकाश संचालित सोने nanorod रोटरी मोटर्स प्रभावित लोगों को दोहराने । प्रयोगात्मक मंच के वेरिएंट कई संबंधित प्रकाशनों में इस्तेमाल किया गया है2,3,4,5,6,7,8, 9.
ऑप्टिकल चिमटी व्यापक रूप से भौतिकी, जीव विज्ञान, और इंजीनियरिंग में छोटी लंबाई तराजू पर स्थिति, बल और रैखिक गति हस्तांतरण को नियंत्रित करने के लिए उपयोग किया जाता है10,11,12,13,14 . यह लगातार15फंस वस्तुओं के लिए टोक़ स्थानांतरण क्योंकि कोणीय गति परिपत्र ध्रुवीय प्रकाश द्वारा किए गए अतिरिक्त गति नियंत्रण के लिए नियोजित किया जा सकता है । ऑप्टिकल रैखिक और कोणीय गति हस्तांतरण के संयोजन से, यह तो एक कोशिकाओं में दवा वितरण के रूप में विविध अनुप्रयोगों के लिए क्षमता के साथ गैर इनवेसिव रोटरी nanomotors का निर्माण करने के लिए संभव है16,17, नेनो 18सर्जरी, और सक्रिय nanofluidics19, दूसरों के बीच ।
प्रकाश प्रेरित हेरफेर के विषय के रूप में धातुई नैनोकणों का उपयोग करके, एक स्थानीयकृत सतह plasmon अनुनादों (LSPR) है, जो बड़े ऑप्टिकल पार वर्गों, पर्यावरण परिवर्तन के लिए उच्च संवेदनशीलता प्रदान करते हैं, और बड़े क्षेत्र के लाभ का दोहन कर सकते है संवर्द्धन20,21,22,23. यह plasmonics और ऑप्टिकल हेरफेर8,24,25,26,27के बीच सीमा पर अध्ययन के एक धन के लिए प्रेरित किया है । मजबूत प्रकाश बात LSPR द्वारा प्रदान की बातचीत के लिए हमें एक मंच डिजाइन करने के लिए सक्षम है, जहां परिपत्र के लिए ध्रुवीय लेजर चिमटी सोने nanorods ड्राइविंग के लिए2पानी में रिकॉर्ड रोटेशन आवृत्तियों पर स्पिन करने में सक्षम हैं । एक घूर्णन nanorod के Brownian गति पर नज़र रखने से, इसके पर्यावरण और तापमान के बारे में विस्तृत जानकारी प्राप्त की जा सकती है3,5। एक साथ स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषण स्थानीय तापमान और घूर्णन nanorod1के रूपात्मक स्थिरता के विश्लेषण के लिए एक अतिरिक्त स्वतंत्र सूचना चैनल प्रदान करता है । प्रणालियों और विन्यास की एक श्रृंखला के अध्ययन और ऑप्टिकल चिमटी में रोटरी गति लागू करने,15,28,29,30 क्षेत्र के भीतर महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि पैदा करने के लिए इस्तेमाल किया गया है , 31 , ३२. हालांकि, इनमें से अधिकांश अध्ययनों ने वस्तुओं के साथ कई micrometers को व्यास में निपटा दिया है जबकि एक एकल nanorod नैनोमीटर आकार के शासन तक पहुंच प्रदान करता है । इसके अलावा, जब गोल्ड nanorods रोटरी nanomotor के रूप में उपयोग किया जाता है, टोक़ कुशलता से2,३३तितर बितर के माध्यम से मुख्य रूप से हस्तांतरित है । इससे फँसे हुए कण३,३४,३५को भडक जाने का खतरा कम हो जाता है.
निंनलिखित विधि में, हम एक कुशल ऑप्टिकल ट्रैपिंग और धातु नैनोकणों के रोटेशन में सक्षम प्रणाली बनाने के लिए आवश्यक कदम रूपरेखा । सोने इन अध्ययनों में विचार nanorods उच्च तितर बितर पार वर्गों है, और विकिरण दबाव बाहर निकल जाता है के लिए प्रचार की दिशा में प्रतिक्रिया ढाल बल से मजबूत है । अभी भी 3 डी में कणों सीमित करने के लिए, हम एक गिलास सतह और प्रचार दिशा में लेजर तितर बितर बल से Coulomb reलैबोरेटरी के बीच बल संतुलन का उपयोग । यह 2 डी-फंसाने विंयास बहुत जाल 3 डी ऑप्टिकल चिमटी की तुलना में, के रूप में विस्तृत कणों की सीमा को फैलता है, और यह आसानी से काले क्षेत्र ऑप्टिकल इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ संयुक्त किया जा सकता है ।
एक फंस और घूर्णन धातु nanoparticle अपने पर्यावरण के साथ सूचना का आदान प्रदान, और इस बातचीत के बारे में विस्तृत जानकारी अपनी गति और वर्णक्रमीय गुणों में निहित है । कैसे परिपत्र ध्रुवीकरण ऑप्टिकल चिमटी का निर्माण करने के लिए का वर्णन करने के बाद, हम इसलिए भी रूपरेखा कैसे की जांच करने के लिए उपकरण को एकीकृत करने के लिए घूर्णन गतिशीलता और प्रयोगात्मक सेटअप में रेले कैटरिंग स्पेक्ट्रा को मापने के लिए. परिणाम भौतिकी, रसायन विज्ञान, और जीव विज्ञान में नेनो रोटेशन घटना के अध्ययन के लिए एक बहुमुखी मंच है ।
इस प्रोटोकॉल मानता है कि शोधकर्ता उपयुक्त कोलाइडयन धातु नैनोकणों, अधिमानतः एकल क्रिस्टलीय सोने nanorods के लिए उपयोग किया है । गोल्ड nanorods विशेष कंपनियों से खरीदा जा सकता है या घर में संश्लेषित गीला-रसायनिक तरीकों का उपयोग कर । हमारे प्रयोगों में प्रयुक्त nanorods, तु एट अल में वर्णित बीज-मध्यस्थता वृद्धि पद्धति द्वारा किए गए थे । २०१३३६. यह लाभप्रद है अगर नैनोकणों के आकृति विज्ञान और ऑप्टिकल गुणों को अच्छी तरह से विशेषता है, उदाहरण के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और ऑप्टिकल विलुप्त माप का उपयोग कर । चित्रा 1 प्रतिनिधि nanorod प्रकार के लिए इस तरह के माप से दर्ज डेटा प्रदर्शित करता है1.
प्रोटोकॉल की एक रूपरेखा इस प्रकार है: प्रथम खंड में, हम परिपत्र ध्रुवीकरण के आधार पर ऑप्टिकल चिमटी के निर्माण का वर्णन करते हैं । दूसरे खंड में, हम अपने रोटेशन गतिशीलता और बिखरने गुण रिकॉर्डिंग द्वारा nanomotor से जानकारी निकालने के लिए कैसे का वर्णन । रोटेशन आवृत्ति और फंस कण के रोटेशन Brownian गति backscattered लेजर एक तेजी से एकल पिक्सेल डिटेक्टर3पर एक रेखीय ध्रुवीकरण के माध्यम से फ़िल्टर प्रकाश पेश द्वारा फोटॉन सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कर मापा जाता है । एक सैद्धांतिक सहसंबंध समारोह के लिए डेटा फिटिंग करके, दोनों रोटेशन आवृत्ति और रोटेशन Brownian प्रसार के क्षय समय2,3निकाला जा सकता है । फंसे और घूर्णन nanoparticle के ऑप्टिकल गुणों डार्क फील्ड स्पेक्ट्रोस्कोपी, जो कण और उसके पर्यावरण पर पूरक जानकारी प्रदान करता है का उपयोग कर मापा जाता है । तीसरे खंड में, हम ट्रैपिंग और गोल्ड nanorods के रोटेशन के लिए प्रयोगात्मक प्रक्रिया का वर्णन ।
इस बिंदु को वर्णित प्रोटोकॉल nanoparticle रोटेशन के लिए एक कार्य परिपत्र ध्रुवीकरण ऑप्टिकल चिमटी प्रणाली के लिए एक सरल रास्ता है । हालांकि, कई बार मुद्दों पर अतिरिक्त ध्यान देने की मांग होती है । चौथे खंड में, हम उन सामांय समस्याओं का कुछ बाह्यरेखा बनाते है जिनका सामना हमने किया है और उंहें कैसे संबोधित करना है । ये nanoparticle ऑप्टिकल गरीब जाल स्थिरता (४.१) के लिए अग्रणी गुणों से संबंधित मुद्दों, कम रोटेशन beamsplitter birefringence (४.२) की वजह से इष्टतम परिपत्र ध्रुवीकरण के कारण आवृत्तियों, कांच की सतह पर नैनोकणों की चिपके हुए शामिल अपर्याप्त Coulomb reलैबोरेटरी (४.३), और विचलन से विशेषता सहसंबंध संकेत (४.४) के कारण ।
ऑप्टिकल ट्रैपिंग सेटअप इस प्रोटोकॉल में वर्णित एक वाणिज्यिक औंधा माइक्रोस्कोप के आसपास बनाया गया है और लाल लेजर प्रकाश का उपयोग करता है । हालांकि, उल्लिखित तकनीक बहुमुखी हैं और केवल मामूली परिवर्तन के साथ, सबसे वाणिज्यिक या घर निर्मित सूक्ष्मदर्शी, दोनों ईमानदार और उल्टे, चारों ओर परिपत्र ध्रुवीकरण ऑप्टिकल चिमटी का निर्माण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । ट्रैपिंग लेजर तरंग दैर्ध्य एक व्यापक दिखाई NIR स्पेक्ट्रम केभीतर चुना जा सकता है, के रूप में लंबे समय के रूप में ऑप्टिकल घटकों और डिटेक्टरों के बाकी इस विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर कार्यात्मक हैं । फिर भी, जब एक लेज़र तरंग दैर्ध्य का चयन, आकार और कणों की अनुनादों के लिए वर्णक्रम के आसपास के क्षेत्र में हेरफेर किया जा करने के लिए विचार किया जाना चाहिए, क्योंकि यह ऑप्टिकल फँसाने बलों और रोटेशन के प्रदर्शन को प्रभावित करेगा2,5, photothermal प्रभाव1, और ट्रैपिंग स्थिरता26की भयावहता । हम पहले सफलतापूर्वक ६६०, ७८५, ८३०, और १०६४ एनएम के लेजर तरंग दैर्ध्य का उपयोग करते हुए गोलाकार ध्रुवीय लेजर चिमटी के साथ काम किया है ।
ऑप्टिकल ट्रैपिंग सेटअप का सबसे महत्वपूर्ण घटकों में से एक माइक्रोस्कोप उद्देश्य है । इस प्रोटोकॉल में उद्देश्य न = ०.९५ के साथ एक शुष्क उद्देश्य है । शुष्क उद्देश्य के प्रयोग से सेटअप का एक सरल बोध होता है; हालांकि, यह नमूना सेल इंटरफेस में अपवर्तन के कारण ऑप्टिकल विचलन के लिए नेतृत्व करता है । वर्तमान मामले में, परिणाम विवर्तन सीमा (~ ०.४ µm) की तुलना में एक थोड़ा बढ़े फोकस स्पॉट (~ १.२ µm) है, लेकिन यह महत्वपूर्ण मंच के सामान्य या रोटरी प्रदर्शन को बदल नहीं करता है । प्रधानाचार्य में, माइक्रोस्कोप उद्देश्यों की एक विस्तृत श्रृंखला का इस्तेमाल किया जा सकता है, बशर्ते कि वे फँसाना तरंग दैर्ध्य में अच्छा संचरण है, अच्छा ध्रुवीकरण रखरखाव और लंबे समय तक काम करने के लिए एक खुर्दबीन कवर पर्ची और पानी की परत के माध्यम से फंसाने प्रदर्शन दूरी । 2d फंसाने के मामले में, ना अपेक्षाकृत कम हो सकता है, जो पूरे प्रयोग सरल बनाता है और ध्यान में क्लीनर परिपत्र ध्रुवीकरण प्रदान करता है । हालांकि, उच्च लेज़र शक्तियों की आवश्यकता हो सकती है से अधिक के मामले में एक अधिक ना उद्देश्य । हमारे अनुभव में, फंसाने के लिए सबसे अच्छा प्रदर्शन, रोटेशन और काले क्षेत्र स्पेक्ट्रोस्कोपी na 0.7-0.95 के साथ उद्देश्यों के साथ प्राप्त की है, लेकिन यह कम के रूप में अच्छी तरह से उच्च ना उद्देश्यों का उपयोग करने के लिए संभव है.
रोटरी गति के अच्छे फोटॉन सहसंबंध माप प्राप्त करने के लिए, एक तेजी से एकल पिक्सेल डिटेक्टर की जरूरत है । एक के साथ एक डिटेक्टर चुनें एक बैंडविड्थ कम से कम दो, अधिमानतः दस, बार से अधिक की उम्मीद रोटेशन आवृत्ति आकार पतन कारक और उच्च संवेदनशीलता से गुणा करने के लिए फँसा हुआ तरंग दैर्ध्य इस्तेमाल किया. प्रवर्धित एसआई photodetectors, सिंगल फोटॉन काउंटिंग APDs, और PMTs हमारी प्रयोगशालाओं में विभिन्न setups में सफलता के साथ इस्तेमाल किया गया है । अतिरिक्त जानकारी, ट्रैप कठोरता पर उदाहरण के लिए, मापने और विश्लेषण अच्छी तरह से स्थापित तकनीक का उपयोग कर कण अनुवाद विस्थापन के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है जैसे शक्ति वर्णक्रमीय विश्लेषण5। पिछले प्रकाशनों के एक नंबर इस तकनीक३८,३९के विभिंन वेरिएंट का वर्णन । DF स्पेक्ट्रोस्कोपी एक विस्तृत रेंज मुक्त अंतरिक्ष या फाइबर युग्मित स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया जा सकता है और चुनाव वर्णक्रमीय सीमा और तरंग दैर्ध्य और लौकिक संकल्प की योजना बनाई अध्ययन के लिए आवश्यक पर आधारित होना चाहिए ।
एक ट्रैपिंग प्रयोग करते समय, अतिरिक्त कणों गलती से जाल में प्रवेश कर सकते हैं । इस रोटेशन आवृत्ति है, जो दृढ़ता से गड़बड़ी के कारण उतार चढ़ाव होगा निगरानी द्वारा पता लगाया जा सकता है । DF माइक्रोस्कोपी द्वारा दृश्य निरीक्षण एक अतिरिक्त कण की उपस्थिति को सत्यापित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जिस स्थिति में चरण आगे अशांति से बचने के लिए ले जाया जा सकता है या प्रयोग को पुनः आरंभ करने की आवश्यकता है ।
प्रणाली ऊपर वर्णित एक सरल और कारगर तरीका है 2d शोधन और धातु नैनोकणों के रोटेशन का एहसास है । हालांकि, कुछ अनुप्रयोगों के लिए, हेरफेर के लिए स्वतंत्रता के अतिरिक्त डिग्री है कि 3 डी ट्रैपिंग के साथ आता है महत्वपूर्ण है, और वर्तमान विंयास इसलिए एक सीमा है । हालांकि, 3 डी शोधन और रोटेशन काउंटर का प्रचार लेजर चिमटी या अधिक विदेशी ट्रैपिंग विंयास का उपयोग करके प्राप्त हो सकता है ।
हालांकि कण और सिस्टम पैरामीटर यहां चर्चा के लिए नीचे photothermal हीटिंग को कम करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता ~ 15 कश्मीर4, तापमान धातु नैनोकणों के plasmonic उत्तेजना के साथ जुड़े वृद्धि कुछ में समस्याग्रस्त किया जा सकता है अनुप्रयोगों. आगे की गर्मी में कमी की ओर एक संभावित मार्ग plasmonic कणों के बजाय उच्च सूचकांक अचालक नैनोकणों का उपयोग करने के लिए है । इस तरह के कणों का समर्थन मजबूत मिए-प्रकार तितर बितर अनुनादों पर एक ही समय में प्रदर्शन कम आंतरिक अवशोषण गुणांक. हम हाल ही में कोलाइडयन गुंजयमान Si नैनोकणों कि इस संबंध में उपयोगी साबित हो सकता है निर्माण करने में सक्षम है४०,४१।
The authors have nothing to disclose.
यह काम Knut और ऐलिस Wallenberg फाउंडेशन, स्वीडिश अनुसंधान परिषद और अग्रिम Nanoscience और नैनो के Chalmers क्षेत्र द्वारा समर्थित किया गया था ।
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 |