Plasmoniska guld nanorör kan vara instängd i vätskor och roteras kHz frekvenser använder cirkulärt-polariserade optisk pincett. Att införa verktyg för Brownian dynamics analys och ljus scatteringspectroscopy leder till ett kraftfullt system för forskning och tillämpning inom många områden av vetenskap.
Möjligheten att generera och mäta rotation och vridmoment på nanonivå är av grundläggande intresse för studier och tillämpning av biologiska och artificiella nanomotorer och kan ge nya vägar mot enstaka cell analys, studier av icke-jämvikt termodynamik och mekanisk aktuering nanoskala system. Ett lättköpt sätt att driva rotation är att använda fokuserad cirkulärt polariserat laserljus i optisk pincett. Använder denna metod, kan metalliska nanopartiklar drivas som mycket effektiv spridning-driven roterande motorer snurrar med oöverträffad rotation frekvenser i vatten.
I detta protokoll, vi redogöra för byggande och drift av cirkulärt-polariserade optisk pincett för nanopartiklar rotation och beskriva de instrument som behövs för inspelning av Brownian dynamik och Rayleigh-spridning av fångade partikeln. Den roterande rörelsen och spridning spektra ger oberoende information om egenskaperna för nanopartikelportföljen och dess närmaste omvärld. Den experimentella plattformen har visat sig användbar som en halvledarkomponent mätare av viskositet och lokala temperaturen, för att spåra morfologiska förändringar av nanorör och molekylär beläggningar, samt en givare och sond photothermal och termodynamiska processer.
De metoder som presenteras i denna artikel replikerar dem som används i vårt tidigare arbete1 att studera nanoskala photothermal effekter påverkar ljus-driven guld nanorod roterande motorer. Varianter av experimentella plattformen har använts i flera relaterade publikationer2,3,4,5,6,7,8, 9.
Optisk pincett används allmänt för att kontrollera position, kraft och linjär momentum transfer på små längdskalor i fysik, biologi och ingenjörsvetenskap10,11,12,13,14 . Rörelsemängdsmoment bärs av cirkulärt polariserat ljus kan användas för ytterligare rörelsekontroll eftersom det kontinuerligt överföra vridmoment till fångade objekt15. Genom att kombinera optiska linjära och rörelsemängdsmoment överföring, är det sedan möjligt att konstruera noninvasiv roterande nanomotorer med potential för olika applikationer, såsom narkotika leverans in enstaka celler16,17, nanoskala kirurgi18, och aktiva nanofluidik19, bland andra.
Genom att använda metalliska nanopartiklar som betvinga av ljus driven manipulation, kan man utnyttja fördelarna med lokaliserade ytan plasmon resonanser (LSPR’S), som ger stor optisk tvärsnitt, hög känslighet för förändringar i miljön och stora fält förbättringar20,21,22,23. Detta har lett till en uppsjö av studier vid gränsen mellan plasmonik och optiska manipulation8,24,25,26,27. Starkt ljus och materia växelverkan som tillhandahålls av LSPR har gjort det möjligt för oss att utforma en plattform där cirkulärt polariserad laser pincett klarar av att köra guld nanorör att snurra på rekord rotation frekvenser i vatten2. Spåra Brownsk rörelse i en roterande nanorod, kan detaljerad information om dess miljö och temperatur erhållas3,5. Samtidiga spektroskopiska analyser ger en ytterligare oberoende informationskanal för analysera lokala temperaturen och den morfologiska stabiliteten av roterande nanorod1. En rad system och konfigurationer har använts för att studera och tillämpa rotationsrörelse i optisk pincett, generera viktiga insikter inom fältet15,28,29,30 , 31 , 32. men de flesta av dessa studier har behandlat objekt flera mikrometer i diameter medan en enda nanorod ger tillgång till nanometer storlek regimen. Dessutom överförs när guld nanorör används som den roterande nanomotor, vridmoment effektivt huvudsakligen via spridning2,33. Detta minskar risken för överhettning fångade partikel3,34,35.
I följande metod beskriva vi de åtgärder som krävs för att bygga ett system kan effektiva optiska svällning och rotation av metall nanopartiklar. De guld nanorör anses i dessa studier har hög spridning tvärsnitt, och strålningstrycket visar sig vara starkare än den motverkande gradient kraften i förökning riktning. För att ändå begränsa partiklar i 3D, använder vi kraftbalans mellan Coulomb repulsion från en glasyta och laser scattering kraft i förökning riktning. Denna 2D-svällning konfiguration expanderar kraftigt spänna av trap partiklar, jämfört med standard 3D optisk pincett, och det kan enkelt kombineras med mörkt-fält optisk imaging och spektroskopi.
En instängd och roterande metall nanopartiklar interagerar med sin omgivning, och innehåller detaljerad information om denna interaktion i dess rörelse och spektrala egenskaper. Efter att ha beskrivit hur man konstruerar cirkulärt polariserad optiska pincetten, redogöra vi därför också för hur du integrerar instrumentation för avsökning av roterande dynamics och för att mäta rayleighspridning spectra i experimentell setup. Resultatet är en mångsidig plattform för studier av nanoskala rotation fenomen i fysik, kemi och biologi.
Protokollet förutsätter att forskaren har tillgång till lämplig kolloidalt metall nanopartiklar, helst enda kristallina guld nanorör. Guld nanorör kan köpas från specialiserade företag eller syntetiseras i hus med våt-kemi metoder. De nanorör som används i våra experiment har gjorts av utsäde-medierad tillväxt metoden beskrivs i Ye o.a. 201336. Det är fördelaktigt om morfologin och optiska egenskaper av nanopartiklarna är väl karakteriserade, exempelvis med hjälp av scanning electron microscopy (SEM) och optiska utrotning mätningar. Figur 1 visar data som spelats in från sådana mätningar för representativa nanorod typer1.
En disposition av protokollet är följande: I den första delen beskriver vi byggandet av optiska pincetten baserat på cirkulär polarisering. I det andra avsnittet beskriver vi hur man extrahera information från nanomotor med inspelning av dess roterande dynamics och spridning egenskaper. Rotation frekvensen och den roterande Brownsk rörelsen fångade partikelns mäts med photon korrelation spektroskopi av utskjutande bakåtspritt laserljus filtreras genom ett linjärt polarisationsfilter på en snabb single-pixel detektor3. Genom att montera data till en teoretisk autokorrelation funktion, kan både rotation frekvensen och den förfalla time av roterande Brownian diffusionen vara extraherade2,3. De optiska egenskaperna av instängd och roterande nanopartikelportföljen mäts med hjälp mörka fält spektroskopi, som ger kompletterande information på partikeln och dess miljö. I det tredje avsnittet beskriver vi experimentella förfarandet för svällning och rotation av guld nanorör.
Protokollet beskrivs fram till denna punkt är en enkel väg till ett fungerande cirkulärt polariserad optisk pincett system för nanopartiklar rotation. Dock uppstår ibland problem som kräver extra uppmärksamhet. I fjärde avsnittet beskriver vi några av de vanligaste problemen som vi har stött och hur man ska hantera dem. Dessa inkluderar frågor som rör nanopartiklar optiska egenskaper leder till dålig fälla stabilitet (4.1), låg rotation frekvenser på grund av suboptimal cirkulär polarisering som orsakas av beamsplitter Dubbelbrytning (4.2), klibba av nanopartiklar på glasytan på grund av otillräcklig Coulomb repulsion (4.3) och avvikelse från den karakteristiska autokorrelation signalen (4.4).
Den optiska svällning inställning som beskrivs i detta protokoll är byggt runt ett kommersiella inverterade Mikroskop och använder röd laserljus. Dock de metoder som beskrivs är mångsidig och kan användas för att konstruera cirkulärt polariserad optisk pincett runt mest kommersiella eller hembyggda Mikroskop, båda upprätt och inverterad, med endast mindre förändringar. Svällning laser våglängd kan väljas inom ett brett synliga–NIR-spektrum, så länge resten av optiska komponenter och detektorer är funktionell på detta viss våglängd. Ändå, när du väljer en laser våglängd, storlek och spektrala närhet till resonanser av partiklarna att manipuleras bör övervägas eftersom detta kommer att påverka de optiska svällning krafter och rotation prestanda2,5, omfattningen av photothermal effekter1, och den svällning stability26. Vi har tidigare framgångsrikt arbetat med cirkulärt polariserad laser pincett med laser våglängder av 660, 785, 830 och 1064 nm.
En av de viktigaste komponenterna i den optiska svällning setup är syftet mikroskopet. Syftet i detta protokoll är ett torrt mål med NA = 0,95. Användning av en torr mål är experimentellt en enklare förverkligandet av installationen; Det leder dock till optiska avvikelser på grund av refraktion i provet cell gränssnitten. I förevarande fall är resultatet en något utvidgad fokus plats (~1.2 µm) jämfört med diffraktionsgränsen (~0.4 µm), men detta ändrar inte väsentligt allmänt eller roterande prestanda i plattformen. I princip, kan ett brett utbud av Mikroskop mål vara används, förutsatt att de har bra överföring på den svällning våglängden, bra polarisering underhåll och tillräckligt långa arbetsavstånd att utföra svällning genom ett Mikroskop täckglas och lager av vatten. Vid 2D svällning, kan NA vara relativt låg, vilket gör hela experimentet enklare och ger renare cirkulär polarisering i fokus. Högre laser befogenheter kan dock krävas än vid en hög NA mål. Vår erfarenhet, bästa prestanda för svällning, rotation och mörkt-fält spektroskopi erhålls med målen med NA 0.7-0,95, men det är möjligt att använda såväl lägre som högre NA mål.
För att få bra photon korrelation mätningar av roterande rörelse, behövs en snabb single-pixel detektor. Välja en detektor med en bandbredd på minst två, helst tio gånger högre än den förväntade rotation frekvens multiplicerat med den formen degeneracy faktorn och hög känslighet vid våglängden som svällning används. Förstärkt Si fotodetektorer, single photon counting APDs, och PMTs har använts med framgång i olika uppställningar i våra laboratorier. Ytterligare uppgifter, till exempel fälla stelhet, kan erhållas genom att mäta och analysera partikel translationell förskjutning använder väl etablerade tekniker såsom makt spektralanalys5. Ett antal tidigare publikationer beskriver olika varianter av denna teknik38,39. DF-spektroskopi kan utföras med ett brett utbud gratis-utrymme eller fiber tillsammans spektrometrar och valet bör baseras på spektralområde och våglängd och temporal upplösning behövs för den planera studien.
När du utför en svällning experiment, kan ytterligare partiklar av misstag anger fällan. Detta kan upptäckas genom att övervaka rotation frekvensen, som kommer att fluktuera kraftigt på grund av störningen. Okulärbesiktning av DF mikroskopi kan användas för att kontrollera förekomsten av en ytterligare partikel, i vilket fall scenen kan flyttas för att undvika ytterligare störning eller experimentet behöver startas.
Det system som beskrivs ovan är ett enkelt och effektivt sätt att förverkliga 2D instängdhet och rotation av metalliska nanopartiklar. Dock för vissa program, den extra grad av friheten för manipulation som medföljer 3D svällning är viktigt, och den aktuella konfigurationen är därför en begränsning. 3D instängdhet och rotation kan dock uppnås genom att utnyttja counter förökningsmaterial laser pincett eller mer exotiska svällning konfigurationer.
Även om parametrarna partikel och system som diskuteras här kan optimeras för att minska photothermal uppvärmning till nedan ~ 15 K4, kan den temperaturökning som är associerad med plasmoniska excitation av metall nanopartiklar vara problematiskt i vissa applikationer. En möjlig väg mot ytterligare värme minskning är att använda hög-index dielektriska nanopartiklar istället för plasmoniska partiklar. Sådana partiklar stöder starkt Mie-typ scattering resonanser men samtidigt uppvisar låga inneboende absorptionskoefficient. Vi har nyligen kunnat tillverka kolloidalt resonant Si nanopartiklar som kan vara användbar i detta avseende40,41.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet och området Chalmers i förväg nanovetenskap och nanoteknik.
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 |