Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Opførelse og drift af en lys-drevne guld Nanorod roterende Motor System

doi: 10.3791/57947 Published: June 30, 2018

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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).

Protocol

1. cirkulært polariseret Optisk pincet til nanopartikel Rotation

  1. Konstruere setup omkring en egnet inverteret mikroskop og bruge en synlig rød-bølgelængde laser (660 nm). En skematisk af opsætningen af eksperimenterende er præsenteret i figur 2. Sørg for at vælge en laser med en stabil output power op til 500 mW (producerer en strøm på prøve flyet af omkring 50 mW). Også sikre, at resten af komponenterne, der udfører godt ved fældefangst laser bølgelængde.
  2. Bruge en tør mål med en numerisk blænde (NA) på 0,95 og 40 X forstørrelse.
  3. Altid bære beskyttelsesbriller og opretholde god laser sikkerhed (især hvis du bruger ikke-synlige lasere). Udføre justering på minimum laser power. Indkapsle hele laser stien for både sikkerhed og for at undgå termisk drift og støv i lysbanen.
    Bemærk: Afhængigt af tilstanden polarisering af output fra laseren den optiske pincet kunne drage fordel af placere en lineær polarisator som den første optiske komponent. Hvis polarisering af laser er allerede lineær, kan denne komponent udelades.
  4. Bruge et par positive linser i en keplerske kikkert konfiguration (linser på bunden af figur 2) at udvide laserstrålen, således at lysbundtets diameter er lidt større end den tilbage blænde af målet diffusering.
    Bemærk: Denne muliggør brug af hele NA af målet og vil producere en diffraktion begrænset fokus fælde11, hvilket resulterer i optimal fældefangst stivhed.
  5. Sørg for, at fældefangst laser korrekt er kollimeret efter stråle expander. Dette kan gøres ved at sikre beam størrelse ligger tæt til uændret når formeringsmateriale til målet (eller ved hjælp af en klipning interferometer).
  6. Bruger to spejle (M1 og M2 i figur 2), monteret på kinematiske spejl mounts (og om nødvendigt en oversættelse fase), direkte laserstrålen ind i mikroskop setup.
    Note 1: Holde tilstrækkelig plads mellem laser spejle og mikroskop for at kunne tilføje yderligere optiske elementer såsom waveplates og beamsplitters.
    Note 2: Sørg for, at laseren er altid filtreret fra okulære eller nogen andre tilgængelige lys spændende mikroskop.
  7. Bruge en beamsplitter (50/50 delvis transmission/refleksion er brugt her, men en dichroic kunne også arbejde godt) inde i mikroskop til par laserlys i mål, uden at miste imaging og måling evne i opsætningen af mikroskop.
  8. Omfatter et kamera (Se figur 2) i opsætningen for efterfølgende eksperimentelle observation og registrering af data. Hvis et system uden en okulær bruges, er dette afgørende for enhver justering.
  9. Fokusere laseren på et glas dias eller et spejl. Hvis laseren er justeret og træder ind formål i en korrekt vinkel, er laser intensitet mønster radialt symmetrisk, når du ændrer fokus over og under omdrejningspunkt.
  10. Finjustere vinkler af laser spejle (M1 og M2 i figur 2) for at opnå optimal laser justering (som beskrevet i 1,9).
  11. Cirkulært polarisere laserlys.
    1. På den lette vej til målet, passere laser gennem et kvart-bølge plade (QWP; λ/4 i figur 2) orienteret med sin hurtige akse på 45 ° med den lineære polarisering af laser lys til at konvertere en lineært polariseret lys i cirkulært polariseret lys på prøven flyet.
    2. Oprette en 360°-drejelig lineær polarisator og en power meter foran målet.
    3. Kontrollere polarisering af roterende lineær polarisator og noterer sig den maksimale og minimale magt, svarer til de større og mindre akse eller polarisering ellipse.
      Bemærk: Forholdet skal være højere end 0,9 for optimal rotation ydeevne. Hvis dette ikke nås, se trin 4.2 for en løsning.
  12. Måle laser power på prøve flyet.
    1. Bruge en optisk wattmeteret for at sonde laser power på prøve flyet. Sørge for at indsamle alle de lys, passeret mål for en korrekt måling af diffusering magt.
    2. Udføre en lineær sweep af output laser beføjelser og optage de tilsvarende beføjelser på prøve flyet for efterfølgende konvertering til effekttæthed i fælden.
  13. Oprette et mørkt felt (DF) system i Köhler nedsænket belysning ved hjælp af en olie DF kondensatoren for at aktivere visualisering af partikler og diffusering begivenheder. Dette vil give mulighed for både billedbehandling og spektroskopiske målinger af de fangne nanopartikler.

2. instrumenterne til måling af Rotation, roterende Brownske dynamik og spektroskopiske egenskaber

  1. Foton korrelation spektroskopi ved hjælp af en enkelt pixel detektor.
    1. Indsætte en beamsplitter (30R/70T) i den optiske bane for at udtrække backscattered lys fra nanopartikler.
    2. Tilslut en hurtig single-pixel Si fotodiode til et datakort på erhvervelse til aktiverer optagelse af signaler.
      Bemærk: Det er vigtigt at have en fotodiode/DAQ, der er i stand til at måle de roterende frekvenser forventet (flere snese kHz).
    3. Fokusere lyset på en samling fiber fast i et xy-oversættelse mount. Indsæt en lineær polarisator før samling fiber.
    4. Samling fiber justering, par synligt lys til exit slutningen af fiber til at belyse substratet. Dette giver mulighed for visualisering og analyse af regionen samling af fiber.
    5. Justere placeringen af fiber ved hjælp af xy-oversættelse mount, således at dets samling regionen falder sammen med placeringen af den optiske fælde. Tilslut exit enden af fiber til Si-detektor og finjustere placeringen af fiber til at maksimere den indsamlede tilbage spredte signal.
  2. Mørkefelt spektroskopi setup.
    1. Ihukomme at pleje skal tages i at vælge alle optiske komponenter i stien mellem prøve og spektrometer, for ikke at blokere for lyset i den spektrale vifte af interesse.
    2. Være forsigtig, da direkte spredte og/eller reflekterede laserlys kan beskadige spektrometer sensor. Blokere laserlys ved hjælp af passende filtre og/eller dichroic beamsplitters. Altid udføre justering af opsætningen på minimum laser power.
    3. Indsæt en beamsplitter/spejl i den optiske bane at omdirigere lys til spektrometeret (i denne protokol, en gratis plads koblede spektrometer er brugt). En af mikroskoper output-porte kan også bruges, hvis egnet.
    4. Bruge notch filtre til at fjerne intens fældefangst laserlys (filtre af samlede OD12 ved laser bølgelængde var behov for tilstrækkelige blokering i vores tilfælde), som i andre tilfælde vil overskygge den spektrale reaktion af nanopartikler af interesse.
    5. Justere placeringen af den optiske pincet af de ledende spejle (M1 og M2 i figur 2) så det falder sammen med placeringen af spektrometer slids.
      Note 1: Ændringer i placeringen af den optiske fælde vil kræve justering af photon korrelation målesystem (instruktioner 2.1.4-2.1.5).
      Bemærk 2: På den nye placering af den optiske pincet, instruktioner 1.9-1.10 skal gentages for at nå et godt tilpasset optiske fælde.

3. forsøgsmetoden

  1. Forberedelse af partikler til eksperimenter.
    1. Fortynd partikler i DI-vand. Skal være en passende koncentration på nanorods i et interval mellem 0,1-0,01 pM. Der sonikeres den fortyndede opløsning i en ultralyds renere badekar for 2 min til at bryde fra hinanden muligt aggregater og homogeniseres løsning.
    2. Tune koncentrationen af nanorods i fortyndingen for at undgå fangst af flere partikler. Jo længere det eksperiment, der skal udføres, jo lavere koncentration skal reducere risikoen for fældefangst flere partikler eller forureninger.
  2. Forberedelse af prøven celle.
    1. Vask et objektglas og en cover glas (No. 1,5) i acetone og efterfølgende isopropanol under sonikering i fem minutter, henholdsvis.
      Bemærk: Sørg for, at den overflade gebyr på glas dias under eksperimentet har samme polaritet som den kolloid nanopartikler. Nanopartikler stabiliseret med overfladeaktive hexadecyltrimethylammonium bromid (CTAB) er positivt ladede.
    2. Placer en 100 µm spacer tape godt på glas dias.
    3. Sprede 2 µL af de fortyndede nanopartikel løsning på objektglas inden for godt og 2 µL på dækslet glas. Løsning på begge overflader giver mulighed for en mere kontrollerbar forsamling af cellen prøve.
    4. Forbind de to dele af cellen prøve samtidig undgå danner eventuelle luftbobler inde i salen.
    5. Placere cellen på stadiet mikroskop og placere en dråbe indeks-matchede (fordybelse) olie på toppen af prøven og en dråbe på kondensatoren. Dråber på hver side undgå boblerne i den olie, der spilder lys og reducerer kontrasten i DF belysning.
  3. Udfører et eksperiment.
    1. Find en partikel gennem observation i DF imaging system. En enkelt nanorod kan normalt identificeres gennem observation af dens Brownske bevægelser (mere uregelmæssige end aggregater) og farve (svarende til den stærkeste LSPR resonans).
    2. Start/unblock fældefangst laser.
    3. Gennem en række scenen bevægelse og fokus rettelser, skal du skubbe valgte partikel via stråling pres i laserens formering retning mod vand-barometer grænseflade. På grænsefladen, z-bevægelse er begrænset af en balance mellem stråling pres og Coulomb frastødning mellem CTAB molekyler på nanopartikel overflade og de positivt ladede overflade. Xy-udsving er begrænset af gradient kræfter i den optiske pincet.
    4. Gennem små fokus korrektioner, maksimere fældefangst stabilitet eller rotation hastighed, måles fra autokorrelation data (som beskrevet nedenfor i instruktion 3.4).
    5. På dette tidspunkt optage både roterende dynamics og spektroskopiske egenskaber af de fangne nanorod. Se vejledningen 3.4 og 3.5 nedenfor om hvordan at sonde disse. Dette kan ske over længere perioder, op til flere timer, hvis det er nødvendigt.
  4. Rotational dynamics målinger.
    1. Sørg for at have en samling region fra den fiber, der er stor nok til altid vedlægger billede af partiklen under sin translationel bevægelse.
    2. Indsamle intensitet svingning signal med Si fotodetektor på en passende sondering frekvens og samling tid. Vælg 65536 Hz og 1 s erhvervelse tid til at starte med og justere hvis det er nødvendigt.
      Bemærk: Sondering hyppighed bør være mindst to (og optimalt ti) gange større end rotation hyppighed ganget med graden af påviselige rotational symmetri (Nielsen, se nedenfor). Afhentningstidspunkt skal være lang nok til at kunne få frekvenser betydeligt lavere end rotation hyppighed.
    3. Efter at have indsamlet et sæt af intensitet udsving data fra et roterende nanopartikel, beregne autokorrelation af intensitet udsving. Dette gøres ved at beregne korrelationen mellem signalet med en tid-forsinket kopi af sig selv for hver forsinkelse tid τ (i.e.,C(τ) = {jeg(τ) · Jeg(0)}).
    4. Udføre en pasform til funktionen teoretiske autokorrelation
      Equation 1
      hvor jeg0 er den gennemsnitlige intensitet, jeg1 er amplituden af intensitet udsving og N er graden af påviselige rotational symmetri (for stang-lignende partikler N = 2)2,3.
    5. Fra fit, udtrække rotation hyppighed frådne og henfald tid autokorrelation signal τ0 (relateret til roterende Brownske bevægelse dynamikken).
  5. Spektroskopiske målinger.
    1. Optage et hvidt lys spektrum (jeghvid(λ)) ved at indsamle belysning lys. Dette kan gøres ved at tætbefolkede sprede ensartet spredning polystyren perler på en overflade og indsamle deres spredning svar.
    2. Optage en baggrund spektrum (jegbkg(λ)) ved at samle de omstrejfende lys i fældefangst plet, når en partikel ikke er fanget.
      Bemærk 1: Dette bør ske for hver individuel måling, da Baggrundsegenskaber kan variere betydeligt mellem forskellige prøve celler og endda steder i en prøve.
      Note 2: Optagelse baggrund spectra bør ske for den samme laser power som anvendes til optisk diffusering. Dette gør det muligt at fjerne enhver mulig auto-fluorescens fra glas dias, ophidset af de høje laser intensiteter i fokus.
    3. Optage en mørk spektrum (jegmørke(λ)), hvornår blokerer alle lys, der kommer til detektoren. Derefter optage en rå spektrum af en fanget nanopartikel (jeg(λ)).
    4. Få adgang til det faktiske nanopartikel spredning spektrum ved beregning af
      Equation 2
    5. Hvis du vil udtrække oplysninger om LSPR peak positioner, passe DF spredning spektrum energi skala med en bi-Lorentzian montering funktion herunder en lineær korrektion betegnelse for interband overgange i guld. Funktionen model lyder:
      Equation 3
      hvor E er energien jegB er en baseline intensitet, k hældningen af den lineære korrektion, jegjeg er intensiteten maxima, Γjeg den fulde bredde på halv maxima (FWHM) og E0, jeg peak positioner af de to Lorentzian toppe.

4. fejlfinding og løsning til almindelige problemer

  1. Problemer relateret til guld nanorod egenskaber.
    1. Dårlig fældefangst stabilitet.
      1. Sørg for, at den vigtigste resonans (normalt langsgående resonans i tilfælde af nanorods) er på den blå bølgelængde side af diffusering laser bølgelængde. Hvis ikke, den gradient kraft vil blive frastødende i stedet for attraktive37.
      2. Som en nanorod størrelse falder, bevægelse fra Brownske udsving øger, og samtidig den stabiliserende kraft fra Stokes træk falder. Forsikre nanorods er store nok til xy-gradient kraft til at overvinde disse destabiliserende kræfter.
    2. Overlappende eller bred spektrale egenskaber.
      1. Stænger skal have en stor nok formatforholdet for LSPR toppe kan holdes tilstrækkeligt adskilt for at løses individuelt (Se figur 1b).
        Bemærk: Laser bølgelængde sætter en øvre grænse for figur anisotropy, siden den langsgående LSPR rødforskydninger for længere stænger.
      2. Nanopartikler skal helst være lille nok til ikke at støtte højere orden LSPR tilstande i det synlige regime, da dette komplicerer analysen. Nanopartikel udvælgelse er en balance mellem denne overvejelse og diffusering stabilitet spørgsmål i instruktion 4.1.1.2.
  2. Utilstrækkelig cirkulær polarisering af diffusering laser.
    Bemærk: For at opnå den optimale ydeevne af rotation af den fangne nanopartikel, laser lyset nå modellen flyet skal være cirkulært polariseret. Beamsplitters og andre optiske komponenter kan være polarisering afhængige, som kan gøre det umuligt at opnå perfekt cirkulær polarisering ved hjælp af kun en QWP.
    1. Indsætte et halvt-bølge plade (HWP; λ/2 i figur 2) efter QWP i stien, at kompensere for beamsplitter dobbeltbrydning.
    2. Definer lineær polarisator og power meter konfiguration og udføre en analyse af den laser polarisering stat (som i vejledningen 1.11.2-1.11.3).
    3. For hver position i intervaller på fem grader af QWP, rotere HWP gennem sit hele kantede sortiment (90°) i trin på 5 grader og måle magtforholdene for hver position. Stræbe efter at finde vinkler QWP og HWP at Maksimer forholdet mellem største og mindste magt.
      Bemærk: Vores erfaring, det maksimale forholdet mellem de maksimale og minimale beføjelser var 0,75 uden og 0,98 korrektion, HWP.
  3. Partikler klistrer til interface på laser power utilstrækkelig til at begrænse partikler i xy-plan.
    1. Tune koncentrationen af stabiliserende overfladeaktivt stof, gennem en partikel vask procedure og efterfølgende re spredning af nanorods i en kontrolleret koncentration af CTAB.
      1. Der centrifugeres stamopløsningen af nanopartikler indtil partikler sediment (~ 5 min til 600g).
      2. Fjern suspension væsken.
      3. Re sprede i vand. Dette fortynder CTAB indholdet af stamopløsningen.
      4. Gentag trin 4.3.1.1. og 4.3.1.2. endnu en gang.
        NOTE: Da CTAB fungerer som den kolloid stabilisator, undgå overdreven centrifugeringstiden og hastighed i efterfølgende vask skridt, da risikoen for sammenlægning stiger som CTAB er skyllet væk.
      5. De fleste af de CTAB overfladeaktive stoffer i den oprindelige kolloid opløsning er nu fjernet og en ny, velkontrollerede, koncentration af CTAB kan blive introduceret til kolloid. Fra vores erfaring, at sprede stamopløsning i vand med 20 µM i CTAB og efterfølgende DI-vand fortynding til eksperimentelle løsning koncentration resultater i en overflade dækning, der producerer tilstrækkelige Coulomb frastødning.
      6. Muligt finjustering af CTAB koncentrationen kan behov for at skabe passende partikel/overflade afsky for den bestemt batch af nanopartikler anvendes. Gentag ovenstående procedure og lidt alter CTAB koncentration for at finde en ordentlig en.
    2. Glasoverflade vask til negativ afgift overflade.
      Bemærk: Denne vask procedure producerer et negativt ladede overflade, der vil blive belagt med gratis CTAB molekyler i den eksperimentelle løsning, gør det positive og elektrostatisk frastødende for partikel under 2D diffusering.
      1. Tage et objektglas og rengør det i en blanding af vand og 2 wt % af grundlæggende vaskemiddel opvarmes til 80 ° C i ca 10 minutter, indtil overfladen er synligt hydrofile.
        Bemærk: Undgå at vaske glas lysbilleder, alt for længe eller hårdt, da dette kan gøre glasoverfladen porøse og producere et væld af kontaminering partikler.
  4. Problemer med photon autokorrelation spektroskopi.
    1. Lav amplitude af intensitet svingninger eller støjende signal.
      1. Indsætte en bandpass filter (BP filteret i figur 2) før samling fiber, der passerer laserlys og blokke mørke-felt belysning lys.
        Bemærk: I princippet måling virker når du samler alle lys så godt. Dog unpolarized hvidt lys DF belysning effektivt ophidser ud af flyet tilstande, og da en nanorod roterer om sin korte akse i et plan vinkelret på den optiske akse, dette er ud af flyet tværgående LSPR. Denne tilstand bære ikke nogen form anisotropy under rotation og indsamle lys fra det kun reducerer signalet støjforhold af målingen.
    2. Yderligere forfald i autokorrelation funktion.
      1. Sørg for samling fiber core størrelse er stor nok til at indeholde billedet af nanopartikel under alle sine udflugter på grund af translationel Brownske bevægelser.
      2. Hvis en fiber med en alt for lille kerne størrelse bruges, erstatte det med en større.
      3. Kontrollere tilpasningen af den nye fiber, som i vejledningen 2.1.4-2.1.5.

Representative Results

Rotation og roterende Brownske bevægelser af en guld nanorod, der er ordentligt fanget i cirkulært polariseret laser pincet kan blive aftestede af optagelse lysspredning intensitet udsving (figur 3a) ved hjælp af en enkelt pixel detektor. En autokorrelation spektrum af dette signal indeholder en oscillerende komponent, svarende til den, vist i figur 3b. som kan være egnet til en teoretisk autokorrelation funktion. Montering tillader udvinding af rotation hyppighed og autokorrelation henfald tid, der er relateret til de roterende Brownske udsving, af nanorod.

Som nævnt i protokollen (instruktion 4.4.2), er det vigtigt at bruge en tilstrækkelig tyk fiber kerne til at indsamle backscattered laserlys for photon korrelation spektroskopi. Hvis dette ikke er tilfældet, vil et yderligere forfald sigt relateret til partikel oversættelse og uden sonde volumen være til stede i korrelationsfunktionen, se figur 4. Gennem omhyggelig analyse, kunne dette give flere oplysninger om system; men det komplicerer analysen af de roterende Brownske dynamics indeholdt i dataene.

For at opnå korrekte DF spredning spektre af fanget nanopartikler, som beskrevet i afsnit 3.5, skal den spektrale rådata kalibreres. Dette gøres ved at optage belysning lampe spektrum samt en baggrund spektrum (figur 5a). Når der fokuseres intens laserlys på en glasoverflade, såsom substrat som nanorods er fanget, nogle fluorescens kan være genereret (se den røde spektrale bidrag i baggrunden spektrum af figur 5a). Denne fluorescens kontaminering kan reduceres ved hjælp af smeltet kvarts substrater. Det er dog alligevel stærkt anbefales at indspille en baggrund spektrum med tomme Optisk pincet på korrekte laser power. Når en spredning spektrum er registreret og alle spektrale komponenter ikke er relateret til de faktiske nanopartikel spredning har fået erstatning for spektret kan monteres i energi skala med en bi-Lorentzian montering funktion til at udtrække oplysninger relateret til den LSPR peak positioner (figur 5b).

Figure 1
Figur 1: SEM billeder og ensemble extinction spektre for to repræsentative nanopartikel batcher. en) Skalalinjen er 200 nm. b) blå/rød omkranset SEM billeder i en) svarer til den rød/blå spektrum, henholdsvis. Spektrale toppene relateret til de tværgående og langsgående LSPRs er tydeligt kan skelnes. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: skematisk illustration af optiske tweezers setup for nanopartikel rotation målinger. Laserlys er kollimeret og udvidet gennem en keplerske kikkert og efterfølgende guidet til mål ved hjælp af to bevægelige spejle (M1, M2) og en beamsplitter (BS). To waveplates i stien laser optimere den cirkulær polarisering af den optiske pincet (λ/2, λ/4). Backscattered laserlys kan afhentes efter en lineær polarisator for photon korrelation spektroskopi og roterende dynamics målinger. Efter fjernelse af laserlys, er spredte hvidt lys guidet til et spektrometer eller et kamera. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: repræsentant intensitet og autokorrelation data med kurven passer til en fanget og roterende nanorod. en) Intensitet udsving indspillet af enkelt pixel detektor efter en lineær polarisator for 1s, og en zoomet i plot af udsvingene. b) Autocorrelated data af intensitet udsving for en roterende guld nanorod (blue point), indsamlet fra backscattered laserlys. Dataene viser en svingning, der henfalder efter et par perioder. Svingningerne er relateret til rotation hyppighed af nanorod, hvorimod henfaldet er på grund af roterende Brownske bevægelser. A passer til funktionen teoretiske autokorrelation udføres (rød linje) til at udtrække en rotation hyppighed af f = 24285 ± 45 Hz og en korrelation tænderne tid τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. F og τ0 usikkerhed udgør 95% konfidensintervaller fit, som har en determinationskoefficienten (R2) af 0.9877. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: spørgsmål med en for lille sonde volumen i photon korrelation spektroskopi målinger. en) Autokorrelation data for en roterende guld nanorod, indsamlet ved hjælp af en tyk (400 µm, blå data) og en tynd (62,5 µm, røde data) fiber. Samling ved hjælp af en tyk fiber sikrer, at nanorod er altid begrænset i sonden volumen og at funktionen autokorrelation måler roterende dynamics kun. Et yderligere forfald sigt på grund af translationel Brownske bevægelser er til stede når sonden volumen er utilstrækkeligt. I b) og c), skematisk illustrationer af effekten og billeder af regionen back-belyste samling er vist. Skala barer er 2 µm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: eksemplarisk mørkefelt spredning spektre registreres for en gold nanorod optisk fanget af 660 nm laserlys. Spektrale regionen 630-670 nm (1,85-1,97 eV) er fordrejet på grund af notch filtre for at blokere fældefangst laserlys. en) rå spredning spektre (mørkeblå) visning af funktioner, der ikke er forbundet med spredning af partiklen og skal være kalibreret. Disse omfatter baggrund spektrum (rød), som indeholder autofluorescence ophidset af stærkt koncentreret laserlys, og det hvide lys excitation spektrum (orange, indspillet uden notch filter). Efter kalibrering viser den korrigerede spredning spektrum (lyseblå) to særskilte LSPR toppe som forventet. Pilene angiver skala for hvert spektrum. b) spredning frekvenser til en fanget nanorod (blue point) sammen med en pasform til bi-Lorentzian model funktion (rød) med dets komponenter (lyseblå og orange). Forvrænget spektrale regionen lades ude af betragtning i montering af dataene og pasform er en R2 af 0.9975. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

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.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Knut og Alice Wallenberg Foundation, det svenske Forskningsråd og området Chalmers i forvejen nanovidenskab og nanoteknologi.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Andrén, D., et al. Probing photothermal effects on optically trapped gold nanorods by simultaneous plasmon spectroscopy and brownian dynamics analysis. ACS Nano. 11, (10), 10053-10061 (2017).
  2. Shao, L., Yang, Z. -J., Andrén, D., Johansson, P., Käll, M. Gold nanorod rotary motors driven by resonant light scattering. ACS Nano. 9, (12), 12542-12551 (2015).
  3. Lehmuskero, A., Ogier, R., Gschneidtner, T., Johansson, P., Käll, M. Ultrafast spinning of gold nanoparticles in water using circularly polarized light. Nano Letters. 13, (7), 3129-3134 (2013).
  4. Šípová, H., Shao, L., Odebo Länk, N., Andrén, D., Käll, M. Photothermal DNA release from laser-tweezed individual gold nanomotors driven by photon angular momentum. ACS Photonics. (2018).
  5. Hajizadeh, F., et al. Brownian fluctuations of an optically rotated nanorod. Optica. 4, (7), 746-751 (2017).
  6. Tong, L., Miljkovic, V. D., Käll, M. Alignment, rotation, and spinning of single plasmonic nanoparticles and nanowires using polarization dependent optical forces. Nano Letters. 10, (1), 268-273 (2009).
  7. Lehmuskero, A., Li, Y., Johansson, P., Käll, M. Plasmonic particles set into fast orbital motion by an optical vortex beam. Optics Express. 22, (4), 4349-4356 (2014).
  8. Lehmuskero, A., Johansson, P., Rubinsztein-Dunlop, H., Tong, L., Käll, M. Laser trapping of colloidal metal nanoparticles. ACS Nano. 9, (4), 3453-3469 (2015).
  9. Shao, L., Käll, M. Light-driven rotation of plasmonic nanomotors. Advanced Functional Materials. In Press (2018).
  10. Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Optics letters. 11, (5), 288-290 (1986).
  11. Neuman, K. C., Block, S. M. Optical trapping. Review of scientific instruments. 75, (9), 2787-2809 (2004).
  12. Chu, S., Hollberg, L., Bjorkholm, J. E., Cable, A., Ashkin, A. Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure. Physical Review Letters. 55, (1), 48 (1985).
  13. Svoboda, K., Block, S. M. Optical trapping of metallic Rayleigh particles. Optics Letters. 19, (13), 930-932 (1994).
  14. Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. Stretching DNA with optical tweezers. Biophysical journal. 72, (3), 1335-1346 (1997).
  15. Friese, M. E. J., Nieminen, T. A., Heckenberg, N. R., Rubinsztein-Dunlop, H. Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles. Nature. 394, (6691), 348-350 (1998).
  16. Gao, W., Wang, J. Synthetic micro/nanomotors in drug delivery. Nanoscale. 6, (18), 10486-10494 (2014).
  17. Li, M., Lohmüller, T., Feldmann, J. Optical injection of gold nanoparticles into living cells. Nano Letters. 15, (1), 770-775 (2014).
  18. Nelson, B. J., Kaliakatsos, I. K., Abbott, J. J. Microrobots for minimally invasive medicine. Annual review of biomedical engineering. 12, 55-85 (2010).
  19. Balk, A. L., et al. Kilohertz rotation of nanorods propelled by ultrasound, traced by microvortex advection of nanoparticles. ACS Nano. 8, (8), 8300-8309 (2014).
  20. Chen, H., Shao, L., Li, Q., Wang, J. Gold nanorods and their plasmonic properties. Chemical Society Reviews. 42, (7), 2679-2724 (2013).
  21. Maier, S. A. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media. (2007).
  22. Xu, H., Bjerneld, E. J., Käll, M., Börjesson, L. Spectroscopy of single hemoglobin molecules by surface enhanced Raman scattering. Physical Review Letters. 83, (21), 4357 (1999).
  23. Chen, H., Kou, X., Yang, Z., Ni, W., Wang, J. Shape-and size-dependent refractive index sensitivity of gold nanoparticles. Langmuir. 24, (10), 5233-5237 (2008).
  24. Ruijgrok, P. V., Verhart, N. R., Zijlstra, P., Tchebotareva, A. L., Orrit, M. Brownian fluctuations and heating of an optically aligned gold nanorod. Physical Review Letters. 107, (3), 037401 (2011).
  25. Pelton, M., et al. Optical trapping and alignment of single gold nanorods by using plasmon resonances. Optics Letters. 31, (13), 2075-2077 (2006).
  26. Hansen, P. M., Bhatia, V. K., Harrit, N., Oddershede, L. Expanding the optical trapping range of gold nanoparticles. Nano Letters. 5, (10), 1937-1942 (2005).
  27. Ni, W., Ba, H., Lutich, A. A., Jäckel, F., Feldmann, J. Enhancing Single-Nanoparticle Surface-Chemistry by Plasmonic Overheating in an Optical Trap. Nano Letters. 12, (9), 4647-4650 (2012).
  28. Liu, M., Zentgraf, T., Liu, Y., Bartal, G., Zhang, X. Light-driven nanoscale plasmonic motors. Nature nanotechnology. 5, (8), 570-573 (2010).
  29. Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. All-optical control of microfluidic components using form birefringence. Nature Materials. 4, (7), 530-533 (2005).
  30. Jones, P., et al. Rotation detection in light-driven nanorotors. ACS Nano. 3, (10), 3077-3084 (2009).
  31. Bonin, K. D., Kourmanov, B., Walker, T. G. Light torque nanocontrol, nanomotors and nanorockers. Optics Express. 10, (19), 984-989 (2002).
  32. Arita, Y., et al. Rotational dynamics and heating of trapped nanovaterite particles. ACS Nano. 10, (12), 11505-11510 (2016).
  33. Lee, Y. E., Fung, K. H., Jin, D., Fang, N. X. Optical torque from enhanced scattering by multipolar plasmonic resonance. Nanophotonics. 3, (6), 343-350 (2014).
  34. Kyrsting, A., Bendix, P. M., Stamou, D. G., Oddershede, L. B. Heat profiling of three-dimensionally optically trapped gold nanoparticles using vesicle cargo release. Nano Letters. 11, (2), 888-892 (2010).
  35. Andres-Arroyo, A., Wang, F., Toe, W. J., Reece, P. Intrinsic heating in optically trapped au nanoparticles measured by dark-field spectroscopy. Biomedical Optics Express. 6, (9), 3646-3654 (2015).
  36. Ye, X., Zheng, C., Chen, J., Gao, Y., Murray, C. B. Using binary surfactant mixtures to simultaneously improve the dimensional tunability and monodispersity in the seeded growth of gold nanorods. Nano Letters. 13, (2), 765-771 (2013).
  37. Arias-González, J. R., Nieto-Vesperinas, M. Optical forces on small particles: attractive and repulsive nature and plasmon-resonance conditions. JOSA A. 20, (7), 1201-1209 (2003).
  38. Berg-Sörensen, K., Flyvbjerg, H. Power spectrum analysis for optical tweezers. Review of Scientific Instruments. 75, (3), 594-612 (2004).
  39. Gittes, F., Schmidt, C. F. Interference model for back-focal-plane displacement detection in optical tweezers. Optics Letters. 23, (1), 7-9 (1998).
  40. Verre, R., et al. Metasurfaces and colloidal suspensions composed of 3D chiral Si nanoresonators. Advanced Materials. 29, (29), (2017).
  41. Verre, R., Odebo Länk, N., Andrén, D., Šípová, H., Käll, M. Large-scale fabrication of shaped high index dielectric nanoparticles on a substrate and in solution. Advanced Optical Materials. In Press (2018).
Opførelse og drift af en lys-drevne guld Nanorod roterende Motor System
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter