Plasmonic guld nanorods kan være fanget i væsker og roteret på kHz frekvenser ved hjælp af cirkulært polariseret Optisk pincet. At indføre redskaber for Brownske dynamics analyse og lys scatteringspectroscopy fører til et kraftfuldt system for forskning og anvendelse i mange områder af videnskab.
Mulighed for at generere og måle rotation og drejningsmoment på nanoplan er af grundlæggende interesse for studiet og anvendelse af biologiske og kunstige nanomotors og kan give nye ruter mod enkelt celle analyse, undersøgelser af ikke-ligevægt termodynamik, og mekanisk aktivering af nanoskala systemer. En letkøbt måde at drive rotation er at bruge fokuseret cirkulært polariseret laserlys i Optisk pincet. Brug denne fremgangsmåde, kan metallisk nanopartikler drives som højeffektive spredning-drevet roterende motors spinning på hidtil uset rotation frekvenser i vand.
I denne protokol, vi skitsere opførelse og drift af cirkulært polariseret Optisk pincet til nanopartikel rotation og beskrive instrumentering kræves til optagelse Brownske dynamics og Rayleigh spredning af de fangne partikel. Den roterende bevægelse og spredning spectra giver uafhængige oplysninger om egenskaberne af nanopartikler og dens nærområder. Den eksperimentelle platform har vist sig nyttig som en nanostørrelse måler viskositet og lokale temperatur til sporing af morfologiske ændringer af nanorods og molekylær belægninger, og en transducer og sonde af photothermal og termodynamiske processer.
De metoder, der er præsenteret i denne artikel replikater dem, der anvendes i vores tidligere arbejde1 at studere nanoskala photothermal effekter påvirke lys-drevet guld nanorod roterende motorer. Varianter af den eksperimentelle platform er blevet brugt i flere relaterede publikationer2,3,4,5,6,7,8, 9.
Optisk pincet er almindeligt anvendt til at kontrollere position, kraft og lineær momentum overførsel på lille længdeskalaer i fysik, biologi og engineering10,11,12,13,14 . Impulsmoment båret af cirkulært polariseret lys kan være ansat for ekstra motion control, fordi det løbende overfører drejningsmoment til fanget objekter15. Ved at kombinere optisk lineær og impulsmoment overførsel, er det derefter muligt at konstruere non-invasiv roterende nanomotors med potentiale for forskellige applikationer, f.eks. medicinafgivelse ind i enkelte celler16,17, nanoskala kirurgi18, og aktiv nanofluidics19, blandt andre.
Ved hjælp af metallisk nanopartikler som genstand for lys drevet manipulation, kan man udnytte fordelene ved lokaliserede overflade plasmon resonanser (LSPR’S), som giver stor Optisk tværsnit, høj følsomhed over for miljøforandringer, og store felt forbedringer af20,21,22,23. Dette har ført til et væld af undersøgelser på grænsen mellem plasmonics og optisk manipulation8,24,25,26,27. Den stærke lys-sagen interaktion leveres af LSPR har gjort det muligt for os at designe en platform hvor cirkulært polariseret laser pincet er i stand til at køre guld nanorods at spinde på record rotation frekvenser i vand2. Ved at spore den Brownske bevægelser af en roterende nanorod, kan detaljerede oplysninger om dens miljø og temperatur opnås3,5. Samtidige spektroskopisk analyse giver en ekstra uafhængige informationskanal for analysere lokale temperatur og den morfologiske stabilitet af de roterende nanorod1. En række systemer og konfigurationer er blevet brugt til at studere og anvende roterende bevægelse i Optisk pincet, generere vigtig indsigt inden for feltet15,28,29,30 , 31 , 32. dog de fleste af disse studier har beskæftiget sig med objekter flere mikrometer i diameter mens en enkelt nanorod giver adgang til nanometer størrelse regime. Desuden, hvornår guld nanorods bruges som den roterende nanomotor, drejningsmoment er effektivt overføres primært via spredning2,33. Dette mindsker risikoen for overophedning fanget partikel3,34,35.
I den følgende metode skitsere vi de nødvendige skridt til at bygge et system i stand til effektiv optisk fældefangst og rotation af metal nanopartikler. De guld nanorods fandt i disse undersøgelser har høj spredning tværsnit, og stråling pres viser sig for at være stærkere end den modvirke gradient kraft i formering retning. Du kan stadig begrænse partikler i 3D, udnytte vi kraft balancen mellem Coulomb frastødning fra en glasoverflade og laser spredning kraft i formering retning. Denne 2D-fældefangst konfiguration i høj grad udvider rækken af trappable partikler, sammenlignet med standard 3D Optisk pincet, og det kan let kombineres med mørke-felt optiske billeddannelse og spektroskopi.
En fanget og roterende metal nanopartikler interagerer med sine omgivelser, og detaljerede oplysninger om denne interaktion er indeholdt i dens bevægelse og spektrale egenskaber. Efter der beskriver, hvordan at konstruere den cirkulært polariseret Optisk pincet, redegøre vi derfor også for hvordan man kan integrere instrumentering til sondering roterende dynamics og til måling af Rayleigh spredning spektre i opsætningen af eksperimenterende. Resultatet er en alsidig platform for studier af nanoskala rotation fænomener i fysik, kemi og biologi.
Denne protokol antager, at forskeren har adgang til passende kolloid metal nanopartikler, helst enkelt krystallinsk guld nanorods. Guld nanorods kan købes hos specialiserede selskaber eller syntetiseret i hus bruge våd-kemi metoder. Nanorods bruges i vores forsøg blev foretaget af frø-medieret vækst metode beskrevet i Ye et al. 201336. Det er en fordel hvis morfologi og optiske egenskaber af nanopartikler er godt præget, for eksempel ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM) og optisk extinction målinger. Figur 1 viser data registreret fra sådanne målinger for repræsentative nanorod typer1.
Grundris af protokollen er som følger: I første afsnit, vi beskriver opbygningen af den optiske pincet baseret på cirkulær polarisering. I det andet afsnit beskriver vi hvordan til at udtrække oplysninger fra nanomotor ved at indspille sin roterende dynamics og spredning egenskaber. Rotation hyppighed og roterende Brownske bevægelse af de fangne partikel måles ved hjælp af photon korrelation spektroskopi af fremspringende backscattered laserlys filtreret gennem en lineær polarisator på en hurtig single-pixel detektor3. Ved at montere data til en teoretisk autokorrelation funktion, kan både rotation hyppighed og henfald tid af den roterende Brownske diffusion være uddraget2,3. Af de fangne og roterende nanopartikel optiske egenskaber er målt ved hjælp af mørkefelt spektroskopi, som indeholder supplerende oplysninger om partiklen og dens omgivelser. I det tredje afsnit beskriver vi forsøgsmetoden for fældefangst og rotation af guld nanorods.
Protokollen beskrevet op til dette punkt er en enkel sti til en fungerende cirkulært polariseret Optisk pincet system for nanopartikel rotation. Men undertiden opstår problemer at kræve ekstra opmærksomhed. I det fjerde afsnit redegøre vi for nogle af de almindelige problemer, som vi er stødt på, og hvordan at løse dem. Disse omfatter spørgsmål vedrørende nanopartikel optiske egenskaber fører til dårlig fælde stabilitet (4.1), lav rotation frekvenser på grund af suboptimal cirkulær polarisering forårsaget af beamsplitter dobbeltbrydning (4.2), stikning af nanopartikler på glasoverfladen på grund af utilstrækkelig Coulomb frastødning (4.3), og afvigelse fra den karakteristiske autokorrelation signal (4.4).
Optisk fældefangst konfigurationen som beskrevet i denne protokol er bygget op omkring en kommerciel inverteret mikroskop og bruger rød laserlys. Men de teknikker, der er skitseret er alsidig og kan bruges til at konstruere cirkulært polariseret Optisk pincet omkring mest kommercielle eller hjem-bygget mikroskoper, begge opretstående og omvendt, med kun mindre ændringer. Diffusering laser bølgelængde kan vælges inden for en bred synlige–NIR spektrum, så længe resten af optiske komponenter og detektorer er funktionel på denne specifikke bølgelængde. Ikke desto mindre, når du vælger en laser bølgelængde, størrelse og spektral nærhed til resonanser af partikler til at blive manipuleret bør overvejes fordi dette vil påvirke optisk fældefangst styrker og rotation ydeevne2,5, omfanget af photothermal effekter1og diffusering stabilitet26. Vi har tidligere med succes arbejdet med cirkulært polariseret laser pincet ved hjælp af laser bølgelængder af 660, 785, 830 og 1064 nm.
En af de vigtigste komponenter i opsætningen af optiske diffusering er mikroskop mål. Mål i denne protokol er en tør mål med NA = 0,95. Brug af en tør mål er eksperimentelt en enklere realisering af setup; men det fører til optiske aberrationer på grund af refraktion i stikprøven celle grænseflader. I den foreliggende sag er resultatet en lidt udvidet fokus stedet (~1.2 µm) i forhold til diffraktion grænse (~0.4 µm), men dette ændrer ikke væsentligt af generelle eller roterende opfyldelse af platformen. I principal, kan en bred vifte af mikroskop mål anvendes, forudsat at de har god transmission på fældefangst bølgelængde, god polarisering vedligeholdelse og lang nok arbejde afstand til at udføre fældefangst gennem et mikroskop dække slip og lag af vand. I tilfælde af 2D diffusering, kan NA være forholdsvis lav, hvilket gør hele forsøget enklere og giver renere cirkulær polarisering i fokus. Højere laser beføjelser kunne dog kræves end i tilfælde af en høj NA mål. Vores erfaring, den bedste ydeevne for fældefangst, rotation og mørke-felt spektroskopi er fremstillet med mål med NA 0,7-0,95, men det er muligt at anvende lavere samt højere NA mål.
For at opnå god foton korrelation målinger af roterende bevægelse, der er behov for en hurtig single-pixel detektor. Vælg en detektor med en båndbredde på mindst to, helst ti, gange højere end den forventede rotation hyppighed ganget form degeneration faktor og høj følsomhed på fældefangst bølgelængde bruges. Forstærket Si fotodetektor, single photon tælle APDs, og PMTs har været anvendt med succes i forskellige opsætninger i vores laboratorier. Yderligere oplysninger, for eksempel på trap stivhed, kan fås ved at måle og analysere partikel translationel forskydning ved hjælp af veletablerede teknikker såsom magt spektralanalyse5. En række tidligere publikationer beskrive forskellige varianter af denne teknik38,39. DF spektroskopi kan udføres ved hjælp af en lang række fri-plads eller fiber kombineret spektrometre og valg bør baseres på den spektrale og bølgelængde og tidsmæssige opløsning behov for den planlagte undersøgelse.
Når du udfører en diffusering eksperiment, kan yderligere partikler ved et uheld Indtast fælden. Dette kan påvises ved at overvåge rotation hyppighed, som vil variere stærkt på grund af forstyrrelser. Besigtigelse af DF mikroskopi kan bruges til at kontrollere tilstedeværelsen af en yderligere partikel, hvorefter scenen kan flyttes til at undgå yderligere forstyrrelser eller eksperimentet skal genstartes.
Systemet beskrevet ovenfor er en enkel og effektiv måde at realisere 2D indespærring og rotation af metallisk nanopartikler. Men for nogle programmer, den ekstra grad af frihed for manipulation, der kommer med 3D diffusering er vigtig, og den aktuelle konfiguration er derfor en begrænsning. Dog kan 3D indespærring og rotation opnås ved at udnytte counter formerings laser pincet eller mere eksotiske fældefangst konfigurationer.
Selv om parametrene partikel og system drøftet her kan være optimeret til at reducere photothermal opvarmning til under ~ 15 K4, kan den temperaturstigning, der er forbundet med plasmonic excitation af metal nanopartikler være problematisk i visse applikationer. En mulig rute mod yderligere reduktion af varme er at bruge høj-indeks dielektrisk nanopartikler i stedet for at plasmonic partikler. Sådanne partikler understøtter stærk Mie-type spredning resonanser men samtidig udviser lav iboende absorption koefficienter. Vi har for nylig kunnet fremstille kolloid resonant Si nanopartikler, der kan vise sig nyttige i denne henseende40,41.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Knut og Alice Wallenberg Foundation, det svenske Forskningsråd og området Chalmers i forvejen nanovidenskab og nanoteknologi.
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 |