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Engineering

Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems

doi: 10.3791/57947 Published: June 30, 2018

Summary

Plasmonische gold Laptops können in Flüssigkeiten gefangen und bei kHz Frequenzen mit Zirkular polarisierte optische Pinzette gedreht. Einführung von Brownsche Dynamik Analyse-und leichte Scatteringspectroscopy führt auf ein leistungsfähiges System für Forschung und Anwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft.

Abstract

Die Möglichkeit zu generieren und zu messen, Rotation und Drehmoment im Nanobereich ist von fundamentalem Interesse für die Untersuchung und Anwendung von biologischen und künstlichen Nanomotors und kann neue Wege zur einzigen Zellanalyse, Studien von nicht-Gleichgewichts Thermodynamik und mechanische Betätigung von nanoskaligen Systemen. Ein facile lässt sich Laufwerk Drehung fokussierte zirkular polarisiertem Laserlicht in optischen Pinzette verwenden. Mithilfe dieses Ansatzes können metallische Nanopartikel als hocheffiziente Streuung-driven rotatorischen Motoren drehen auf noch nie da gewesenen Drehung Frequenzen in Wasser betrieben werden.

In diesem Protokoll wir skizzieren, den Bau und Betrieb von Zirkular polarisierte optische Pinzette für Nanopartikel Rotation und die Instrumentierung benötigt für die Aufnahme der Brownschen Dynamik und Rayleigh-Streuung des eingeschlossenen Partikels zu beschreiben. Die Drehbewegung und die Streuung Spektren bietet unabhängige Informationen über die Eigenschaften der Nanopartikel und seiner unmittelbaren Umwelt. Die experimentelle Plattform hat als nanoskopische Gradmesser für Viskosität und Temperatur, für die Verfolgung von morphologischer Veränderungen von Laptops und molekulare Beschichtungen sowie als Wandler und Sonde PHOTOTHERMISCHE und thermodynamische Prozesse bewährt.

Introduction

Die Methoden in diesem Artikel vorgestellten repliziert in unserer bisherigen Arbeit-1 Studie zu nanoskaligen PHOTOTHERMISCHE Auswirkungen beeinflussen lichtgetriebenen gold Nanorod rotatorischen Motoren verwendet. Varianten der experimentelle Plattform wurde in mehreren Publikationen2,3,4,5,6,7,8, verwendet 9.

Optische Pinzette sind weit verbreitet für die Kontrolle von Position, Kraft und Impulssatz Transfer bei kleinen Längenskalen in Physik, Biologie und Technik10,11,12,13,14 . Angular Momentum von zirkular polarisiertem Licht durchgeführt kann für zusätzliche Motion Control eingesetzt werden, weil es ständig Drehmoment auf Eingeschlossene Objekte15übertragen. Durch die Kombination von optischer linear und Drehimpuls übertragen, ist es dann möglich, nicht-invasive rotary Nanomotors mit Potenzial für verschiedenste Anwendungen, wie z. B. Drug-Delivery in Einzelzellen16,17, nanoskaligen zu konstruieren Operation18und aktive Nanofluidics19, unter anderem.

Mit metallischen Nanopartikeln als das Thema Licht gesteuerte Manipulation, kann eine Nutzung der Vorteile lokalisierte Oberflächen Plasmon Resonanzen (LSPR), die bieten große optische Querschnitte, hohe Empfindlichkeit gegenüber Umweltveränderungen und großes Feld Verbesserungen20,21,22,23. Dies führte zu einer Fülle von Studien an der Grenze zwischen Plasmonik und optische Manipulation8,24,25,26,27. Die starke Licht-Materie-Wechselwirkung von LSPR zur Verfügung gestellt hat uns ermöglicht, eine Plattform zu entwerfen, wo Zirkular polarisierten Laser Pinzette gold Laptops bei Rekord Drehung Frequenzen in Wasser2Spin fahren können. Durch die Verfolgung der Brownschen Bewegung von einem rotierenden Nanorod, erhalten Sie detaillierte Informationen über seine Umgebung und Temperatur3,5. Gleichzeitige spektroskopische Analyse bietet eine zusätzliche unabhängige Quelle für Analyse lokaler Temperatur und die morphologische Stabilität des rotierenden Nanorod1. Eine Reihe von Systemen und Konfigurationen werden für die Untersuchung und Anwendung von Drehbewegung in optischen Pinzette, generieren wichtige Einblicke in das Feld15,28,29,30 , 31 , 32. jedoch die meisten dieser Studien behandelt haben Objekte einige Mikrometer im Durchmesser während eines einzigen Nanorod Zugang zu den Nanometer Größe Regime gibt. Darüber hinaus erfolgt wenn Gold verwendeten Laptops als rotary Nanomotor, Drehmoment effizient hauptsächlich über Streuung2,33. Dies verringert das Risiko der Überhitzung der eingeschlossene Partikel3,34,35.

In der folgenden Methode erläutern wir die erforderlichen Schritte zum Aufbau eines Systems in der Lage, effiziente optische fallen und Rotation von Metall-Nanopartikeln. Die gold Laptops als in diesen Studien haben hohe Streuung Querschnitte und der Strahlungsdruck erweist sich als stärker als die entgegenwirkende Neigungskraft in der Ausbreitungsrichtung. Um die Partikel in 3D noch zu beschränken, nutzen wir den Kräfteausgleich zwischen Coulomb-Abstoßung von einer Glasoberfläche und der Laser Streuung Kraft in der Ausbreitungsrichtung. Diese 2D-Trapping-Konfiguration erheblich erweitert die Palette der auffangbarer Teilchen im Vergleich zu standard 3D optische Pinzette, und es ist leicht kombinierbar mit dunkel-Bereich optische Bildgebung und Spektroskopie.

Ein gefangen und rotierenden Metall-Nanopartikel interagiert mit seiner Umgebung, und detaillierte Informationen zu dieser Interaktion ist in seiner Bewegung und spektralen Eigenschaften enthalten. Nach der Beschreibung wie man die Zirkular polarisierte optische Pinzette zu konstruieren, erläutern wir daher auch wie Instrumentierung für sondieren Rotations Dynamik und zur Messung der Spektren der Rayleigh-Streuung in den Versuchsaufbau zu integrieren. Das Ergebnis ist eine vielseitige Plattform für Studien von nanoskaligen Drehung Phänomene in der Physik, Chemie und Biologie.

Dieses Protokoll wird davon ausgegangen, dass der Forscher Zugang zu geeigneten kolloidales Metall-Nanopartikeln, vorzugsweise einzelne kristalline gold Laptops. Gold Laptops können von spezialisierten Unternehmen gekauft oder im Haus mit nass-Chemie Methoden synthetisiert werden. Die Laptops in unseren Experimenten verwendet wurden von der Saatgut-vermittelten Wachstum in ihr beschriebenen Methode Et Al. 2013-36. Es ist vorteilhaft, wenn die Morphologie und die optischen Eigenschaften der Nanopartikel gut charakterisiert, zum Beispiel mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und optische Aussterben Messungen. Abbildung 1 zeigt die Daten von solchen Messungen für repräsentative Nanorod Typen1aufgenommen.

Eine Gliederung des Protokolls lautet wie folgt: im ersten Abschnitt beschreiben wir die Konstruktion der optischen Pinzette basierend auf zirkulare Polarisation. Im zweiten Abschnitt beschreiben wir Gewusst wie: Extrahieren von Informationen aus dem Nanomotor durch Aufnahme seiner Rotations Dynamik und Streueigenschaften. Die Drehfrequenz wird der Brownschen Drehbewegung der eingeschlossene Partikel gemessen und Photon Korrelation Spektroskopie durch hervorstehende rückgestreute Laserlicht durch einen linearen Polarisator auf einem schnellen ein-Pixel-Detektor3gefiltert. Durch Anpassung der Daten an eine theoretische Autokorrelationsfunktion, kann die Drehfrequenz und die Abklingzeit der rotatorischen Brownschen Diffusion extrahierten2,3. Die optischen Eigenschaften der gefangen und rotierenden Nanopartikel sind mit Dunkelfeld-Spektroskopie, die ergänzende Informationen über das Teilchen und seine Umgebung bietet gemessen. Im dritten Abschnitt beschreiben wir die Versuchsdurchführung für die Fallenjagd und Rotation des gold Laptops.

Bis zu diesem Punkt beschriebene Protokoll ist ein einfach Weg zu einem funktionierenden Zirkular polarisierte optische Pinzetten-System für Nanopartikel Rotation. Allerdings treten manchmal Probleme, dass Nachfrage zusätzliche Aufmerksamkeit. Im vierten Abschnitt erläutern wir, ein paar der häufigsten Probleme, die wir kennen gelernt haben und wie sie zu lösen. Dazu gehören Fragen der Nanopartikel optischen Eigenschaften führt zu schlechten Falle Stabilität (4.1), geringe Drehung Frequenzen durch suboptimale Zirkularpolarisation durch Strahlteiler Doppelbrechung (4.2), verursacht von Nanopartikeln in der Glasoberfläche klebt aufgrund unzureichender Coulomb-Abstoßung (4.3) und Abweichung von den charakteristischen Autokorrelation Signal (4.4).

Protocol

1. Zirkular polarisierte optische Pinzette für Nanopartikel Rotation

  1. Das Setup um eine geeignete inversen Mikroskop erstellen und verwenden einen sichtbaren rote Wellenlänge Laser (660 nm). Eine schematische Darstellung der Versuchsanordnung ist in Abbildung 2dargestellt. Achten Sie darauf, wählen ein Laser mit einer stabilen Leistung Leistung bis zu 500 mW (Stromerzeugung auf der Ebene der Stichprobe von rund 50 mW). Auch stellen Sie sicher, dass der Rest der Komponenten gut auf die Trapping-Laser-Wellenlänge durchzuführen.
  2. Verwenden Sie ein trockenes Ziel mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,95 und 40 X Vergrößerung.
  3. Immer tragen Sie Schutzbrille und pflegen Sie gute Laser-Sicherheit (insbesondere bei Verwendung von nicht sichtbaren Laser). Durchführen Sie Ausrichtung auf die minimale Laserleistung. Die ganze Laser Weg, beide aus Sicherheitsgründen und zur Vermeidung von Temperaturdrift und Staub in den Lichtweg zu kapseln.
    Hinweis: Abhängig von der Polarisationszustand des Ausgangs aus dem Laser, könnten die optische Pinzette profitieren einen linearen Polarisator als die erste optische Komponente platzieren. Wenn die Polarisation des Lasers bereits linear ist, kann diese Komponente weggelassen werden.
  4. Verwenden Sie ein paar positive Linsen in einer Keplerschen Fernrohr Konfiguration (Objektive Abbildung 2unten), den Laserstrahl zu erweitern, so dass der Durchmesser etwas größer als die hinteren Blende das Trapping-Ziel ist.
    Hinweis: Diese ermöglicht es der gesamten na des Ziels verwenden und eine Beugung begrenzt Fokus der Falle11, wodurch optimale Trapping Steifigkeit produzieren.
  5. Stellen Sie sicher, dass der Trapping-Laser richtig nach der Beam Expander kollimiert ist. Dies kann erfolgen, indem wir sicherstellen, dass die strahlgröße ist zu unverändert schließen, wenn das Ziel (oder mithilfe einer Schur Interferometer) propagieren.
  6. Zwei Spiegel (M1 und M2 in Abbildung 2), montiert auf kinematische Spiegelhaltern verwenden (und ggf. einem Verschiebetisch), um den Laserstrahl in das Mikroskop-Setup zu leiten.
    Anmerkung 1: Halten Sie genügend Abstand zwischen Laser Spiegel und Mikroskop, um zusätzliche optische Elemente wie wellenplatten und Strahlteilern hinzufügen können.
    Anmerkung 2: Stellen Sie sicher, dass der Laser immer abseits des Okulars oder jedes andere zugänglich Licht verlassen das Mikroskop gefiltert wird.
  7. Verwenden Sie einen Strahlteiler (50/50 teilweise flexionsgrad wird hier verwendet, aber eine dichroitische könnte auch gut funktionieren) in das Mikroskop paar Laser-Licht in das Objektiv ohne Bildgebung und Messung Fähigkeit im Mikroskop-Setup.
  8. Eine Kamera enthalten (siehe Abbildung 2) in den Einstellungen für spätere experimentelle Beobachtung und Erfassung der Daten. Wenn ein System ohne ein Okular verwendet wird, ist dies für jede Ausrichtung von entscheidender Bedeutung.
  9. Konzentrieren Sie den Laser auf einen Objektträger oder einen Spiegel. Wenn der Laser ausgerichtet wird und das Ziel im richtigen Winkel betritt, ist das Laser Intensität Muster Radial symmetrisch, wenn sich oberhalb und unterhalb der Dreh-und Angelpunkt zu ändern.
  10. Optimieren Sie die Winkel der Laser Spiegel (M1 und M2 in Abbildung 2), um optimale Laserausrichtung zu erhalten (wie beschrieben in 1,9).
  11. Kreisförmig polarisieren Sie das Licht des Lasers.
    1. Auf dem leichten Weg zur Ziel passieren des Lasers durch eine Viertel-Wellenlängen-Platte (QWP; λ/4 in Abbildung 2) ausgerichtet, die schnelle Achse um 45° um die lineare Polarisation des Lasers Licht zirkular polarisiertes Licht auf die linear polarisierte Licht umsetzen die Probe-Ebene.
    2. Richten Sie einen 360° drehbaren linearen Polarisator und ein Power-Meter vor dem Ziel.
    3. Überprüfen Sie Polarisation durch Drehen der linearen Polarisators und in Anbetracht der maximalen und minimalen macht, entspricht die Haupt- und Nebenversionen Achse oder die Polarisation Ellipse.
      Hinweis: Das Verhältnis sollte höher als 0,9 für optimale Rotation Leistung liegen. Wenn dies nicht erreicht wird, siehe 4.2 für eine Lösung.
  12. Messen Sie die Leistung des Lasers bei der Probe-Ebene.
    1. Verwenden Sie eine optische Leistungsmesser, um die Leistung des Lasers bei der Probe-Ebene zu erforschen. Achten Sie darauf, um das Licht, die für eine korrekte Messung der Überfüllung macht das Ziel durchlaufen zu sammeln.
    2. Führen Sie einen lineare Sweep Laser Ausgangsleistungen und erfassen Sie die entsprechenden Befugnisse bei der Probe-Ebene für die anschließende Konvertierung in Leistungsdichte in der Falle.
  13. Ein Dunkelfeld (DF) System in Köhler Beleuchtung mit einem Öl eingetaucht DF Kondensator zur Visualisierung von Partikeln und Trapping Veranstaltungen ermöglichen. Dies ermöglicht für Bildgebung und Spektroskopische Messungen der eingeschlossenen Nanopartikel.

(2) Instrumentierung für Messungen von Rotation, Rotations Brownschen Dynamik und spektroskopische Eigenschaften

  1. Photon Korrelation Spektroskopie mit einem ein-Pixel-Detektor.
    1. Legen Sie einen Strahlteiler (30R/70T) in den optischen Pfad um die Nanopartikel rückgestreute Licht entziehen.
    2. Verbinden Sie eine schnell Einzelpixel-Si-Photodiode zu einer Datenkarte Erwerb zur Aufnahme der Signale zu ermöglichen.
      Hinweis: Es ist wichtig, eine Photodiode/DAQ, die für die Messung der rotatorischen Frequenzen erwartet (mehrere Dutzend kHz) ist.
    3. Licht auf eine Sammlung Faser fixiert in einem Xy-Übersetzung montieren. Legen Sie einen linearen Polarisator vor der Sammlung-Faser.
    4. Für Sammlung Faserausrichtung koppeln Sie sichtbares Licht an der Ausfahrt Ende der Faser, das Substrat zu beleuchten. Dies ermöglicht die Visualisierung und Analyse der Sammlung Region der Faser.
    5. Passen Sie die Position der Faser mit dem Xy-Übersetzung zu montieren, so dass seine Sammlung Region deckt sich mit der Position der optischen Falle. Verbinden Sie die Ausfahrt Ende der Faser mit der Si-Detektor und Feinabstimmung die Position der Faser zur Maximierung der gesammelten Rückseite verstreuten Signal.
  2. Dunkelfeld-Spektroskopie-Setup.
    1. Denken Sie daran, die Sorgfalt werden, bei der Wahl alle optischer Komponenten auf dem Weg zwischen der Probe und Spektrometer, um nicht zu blockieren, Licht in den Spektralbereich von Interesse angewendet muss.
    2. Vorsicht, da direkte verstreut und/oder reflektierte Laserlicht die Spektrometer-Sensor beschädigen könnte. Das Laserlicht mit entsprechenden Filtern und/oder dichroitischen Strahlteilern zu blockieren. Führen Sie immer Ausrichtung des Setups auf die minimale Laserleistung.
    3. Legen Sie einen Strahlteiler/Spiegel im Strahlengang Licht in das Spektrometer umleiten (in diesem Protokoll wird ein Freiraum-gekoppelte Spektrometer verwendet). Eines der Mikroskope output Ports auch verwendet werden könnte, wenn geeignet.
    4. Verwenden Sie Notch Filter, um das intensive Fallenjagd Laserlicht (Filter von insgesamt OD12 auf die Wellenlänge des Lasers wurden für ausreichende Blockade in unserem Fall benötigt), zu entfernen, das in einem anderen Fall die spektrale Nanopartikel von Interesse dunkel wird.
    5. Passen Sie die Position der optischen Pinzette von den Leitlinien spiegeln (M1 und M2 in Abbildung 2) damit es deckt sich mit der Position des Schlitzes Spektrometer.
      Anmerkung 1: Veränderungen der optischen Falle erfordert Neuausrichtung der Photon-Korrelation-Messsystem (Anweisungen 2.1.4-2.1.5).
      Anmerkung 2: An der neuen Position der optischen Pinzette Anweisungen 1.9 1.10 müssen wiederholt werden, um eine gut abgestimmte optische Falle zu erreichen.

3. Versuchsdurchführung

  1. Vorbereitung der Partikel für Experimente.
    1. Die Partikel in VE-Wasser zu verdünnen. Eine entsprechende Konzentration des Laptops sollte in einem Bereich zwischen 0,1-0.01 Uhr. Beschallen Sie die verdünnte Lösung in ein Ultraschallbad Reiniger für 2 min zu brechen auseinander möglich Aggregate und Lösung zu homogenisieren.
    2. Optimieren Sie die Konzentration des Laptops in der Verdünnung um Trapping von mehreren Partikeln zu vermeiden. Je länger das Experiment, das ausgeführt wird, desto geringere die Konzentration verpflichtet das Risiko von trapping mehrere Teilchen oder Verunreinigungen.
  2. Vorbereitung der Sample-Zelle.
    1. Waschen Sie einen Objektträger und einem Deckglas (Nr. 1.5) in Aceton und anschließend Isopropanol unter Beschallung für fünf Minuten, bzw..
      Hinweis: Stellen Sie sicher, dass die Oberflächenladung der Objektträger während Experiment die gleiche Polarität wie die kolloidale Nanopartikel hat. Nanopartikel durch die Tensid Hexadecyltrimethylammonium Bromid (CTAB) stabilisiert sind positiv geladen.
    2. Legen Sie eine 100 µm Abstandhalter Maßband auf dem Objektträger.
    3. 2 µL der verdünnten Nanopartikel-Lösung auf den Objektträger in den Brunnen und 2 µL auf dem Deckglas zu zerstreuen. Lösung auf beiden Oberflächen ermöglicht ein kontrollierbarer Montage von Sample-Zelle.
    4. Verbinden Sie die beiden Teile des Sample-Zelle unter Vermeidung von Luftblasen im Inneren der Kammer bilden.
    5. Legen Sie die Zelle auf den Mikroskoptisch und geben Sie einen Tropfen des Index angepasst () Immersionsöl auf die Probe und ein Tropfen auf den Kondensator. Tropfen auf jeder Seite vermeiden Sie Luftblasen im Öl, das streut das Licht und reduziert den Kontrast der DF-Beleuchtung.
  3. Ein Experiment durchführen.
    1. Suchen Sie ein Teilchen durch Beobachtung in der DF-imaging-System. Eine einzelne Nanorod kann in der Regel durch Beobachtung der Brownschen Bewegung (mehr als Aggregate unregelmäßig) und Farbe (entsprechend der stärkste LSPR Resonanz) identifiziert werden.
    2. Start/Entsperren des Trapping-Lasers.
    3. Durch eine Reihe von Bewegung und Fokus Korrekturen Drücken der gewählten Teilchen über Strahlungsdruck in Ausbreitungsrichtung der Laser auf das Wasserglas Interface. An der Schnittstelle, die Z-Bewegung wird durch ein Gleichgewicht zwischen Strahlungsdruck und Coulomb-Abstoßung zwischen CTAB Moleküle auf der Oberfläche der Nanopartikel und der positiv geladenen Oberfläche eingeschränkt. Die Xy-Schwankungen sind durch gradient Kräfte in der optischen Pinzette beschränkt.
    4. Durch kleine Fokus Korrekturen Trapping Stabilität oder Rotation Geschwindigkeit, gemessen von der Autokorrelation Daten (wie im Unterricht 3.4 beschrieben) zu maximieren.
    5. An dieser Stelle nehmen Sie Rotations Dynamik und spektroskopischen Eigenschaften der eingeschlossenen Nanorod auf. Siehe 3.4 und 3.5 unten auf, wie diese zu untersuchen. Dies kann über einen längeren Zeitraum hinweg, bis zu mehreren Stunden bei Bedarf erfolgen.
  4. Rotations-Dynamik Messungen.
    1. Achten Sie auf eine Sammlung-Region von der Faser, die groß genug ist, immer das Bild des Teilchens während seiner Translationsbewegung umschließen.
    2. Sammeln Intensität Oszillation Signal mit der Si-Photodetektor zu einem geeigneten Zeitpunkt für kritische Frequenz und Sammlung. Wählen Sie 65536 Hz und 1 s Erfassungszeit mit zu beginnen und bei Bedarf anpassen.
      Hinweis: Probing Frequenz sollten mindestens zwei (und optimal zehn) mal größer als die Drehfrequenz multipliziert mit dem Grad der nachweisbaren Rotationssymmetrie (N, siehe unten) sein. Abholzeit sollte lang genug, um Frequenzen deutlich niedriger als die Drehfrequenz beschaffen zu können.
    3. Berechnen Sie nach einer Intensität Fluktuation Datenmenge aus einer rotierenden Nanopartikel gesammelt die Autokorrelation der Intensität Fluktuation. Dies geschieht durch die Berechnung der Korrelation des Signals mit einer zeitlich verzögerten Kopie von sich selbst für jede Verzögerung Zeit τ (i.e.,C(τ) = {ich(τ) · Ich(0)}).
    4. Führen Sie eine Anpassung an die theoretische Autokorrelationsfunktion
      Equation 1
      wo ich0 ist die durchschnittliche Intensität, ich1 ist die Amplitude der Intensität Fluktuation und N ist der Grad der nachweisbaren Rotationssymmetrie (für stabförmige Partikel N = 2)2,3.
    5. Extrahieren Sie die Passform die Frequenz fFäulnis und Zerfall Umlaufzeit der Autokorrelation Signal τ0 (bezogen auf Rotations Brownsche Bewegung Dynamik).
  5. Spektroskopische Messungen.
    1. Nehmen Sie ein weißes Lichtspektrum (ichweiß(λ)) durch das Sammeln von Beleuchtung Licht. Dies kann durch dicht Verteilen gleichmäßig Streuung Polystyrol-Kügelchen auf einer Oberfläche und sammeln ihre Streuung Reaktion erfolgen.
    2. Zeichnen Sie ein Hintergrund-Spektrum (ichBkg(λ)) durch das Sammeln von Streulicht in der Trapping-Stelle, wenn ein Teilchen nicht eingeklemmt wird.
      Anmerkung 1: Für jede einzelne Messung, dies sollte da Hintergrundeigenschaften zwischen verschiedenen Sample-Zellen und sogar Standorte innerhalb einer Probe erheblich variieren können.
      Anmerkung 2: Aufnahme Hintergrund Spektren sollte für die gleichen Laserleistung für optische fallen verwendet erfolgen. Dies erlaubt es, alle möglichen Auto-Fluoreszenz aus der Glas-Folie, angeregt durch die hohe Laser-Intensitäten im Fokus zu entfernen.
    3. Aufzeichnen einer dunklen Spektrum (ichdunkel(λ)), wenn blockiert alle das Licht, das auf den Detektor. Notieren Sie ein rohes Spektrum an ein eingeschlossenes Nanopartikel (ichroh(λ)).
    4. Zugriff auf das tatsächliche Nanopartikel Streuung Spektrum durch die Berechnung
      Equation 2
    5. Um Informationen über die LSPR Gipfel Positionen zu extrahieren, passen Sie die DF Streuung Spektrum Energie Skala mit einer Bi-Lorentzian Montage-Funktion auch eine lineare Korrekturterm für interband Übergänge in Gold. Die Modellfunktion lautet:
      Equation 3
      wo E ist die Energie, ichB ist eine Basislinie Intensität, k die Steigung der linearen Korrektur, ichich Intensität Maxima, Γich die volle Breite am halben Maxima (FWHM) und E0, i Peak-Positionen der beiden Lorentzian Gipfel.

4. Fehlerbehebung und Lösung gemeinsamer Probleme

  1. Probleme im Zusammenhang mit gold Nanorod Eigenschaften.
    1. Schlechte Fangmethoden Stabilität.
      1. Stellen Sie sicher, dass die wichtigsten Resonanz (in der Regel längs Resonanz bei Laptops) auf der blauen Wellenlänge die Trapping-Laser-Wellenlänge ist. Ist dies nicht der Fall, die Neigungskraft werden anstelle von attraktiven37abstoßend.
      2. Eine Nanorod Größe abnimmt, verringert sich die Bewegung von Brownsche Schwankungen erhöht und gleichzeitig die stabilisierende Kraft von Stokes ziehen. Versichern, die Laptops sind groß genug für die Xy-Neigungskraft, diese destabilisierende Kräfte zu überwinden.
    2. Überlappende oder Breite spektrale Eigenschaften.
      1. Stangen eine groß genug Seitenverhältnis für LSPR Gipfel ausreichend getrennt werden, um individuell gelöst werden müssen (siehe Abbildung 1 b).
        Hinweis: Die Wellenlänge des Lasers stellt eine Obergrenze für die Anisotropie Form seit der longitudinalen LSPR Rotverschiebungen für längere Stäbe.
      2. Vorzugsweise sollte die Nanopartikel klein genug, um LSPR Moden höherer Ordnung nicht im sichtbaren Regime zu unterstützen, da dies die Analyse erschwert. Nanopartikel-Auswahl ist ein Gleichgewicht zwischen dieser Prüfung und die Fangmethoden Stabilitätsproblem in Anleitung 4.1.1.2.
  2. Unzureichende zirkulare Polarisation der Trapping-Laser.
    Hinweis: Um die optimale Leistung der Drehrichtung der eingeschlossenen Nanopartikel zu erhalten, sollte das Licht des Lasers erreicht der Objektebene Zirkular polarisiert werden. Strahlteilern und andere optischen Komponenten kann Polarisation abhängige, die perfekte zirkulare Polarisation mit nur einem QWP erhalten unmöglich machen könnte.
    1. Fügen Sie eine Halbwellen-Platte (HWP; λ/2 in Abbildung 2) nach QWP auf dem Weg zum Ausgleich Strahlteiler Doppelbrechung.
    2. Die linearen Polarisator und Power-Meter-Konfiguration einrichten und Durchführen einer Analysis der Polarisationszustand des Lasers (wie in der Anleitung 1.11.2-1.11.3).
    3. Für jede Position in Schritten von fünf Grad der QWP HWP durch seine gesamte Winkelbereich (90°) in Schritten von fünf Grad zu drehen und Messen der Leistungsverhältnis für jede Position. Wollen Sie den Winkel der QWP und HWP zu finden, die das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Leistung zu maximieren.
      Hinweis: Nach unserer Erfahrung war das maximale Verhältnis zwischen der maximalen und minimalen Mächten 0,75 ohne und 0,98 mit der HWP-Korrektur.
  3. Teilchen festhalten an Interface Laserleistung unangemessen beschränken, Partikel in die Xy-Ebene.
    1. Stimmen Sie die Konzentration Tensid, durch ein Teilchen waschen Verfahren und anschließender Re Verbreitung von den Laptops in einer kontrollierten Konzentration von CTAB zu stabilisieren.
      1. Zentrifugieren der Stammlösung von Nanopartikeln bis Partikel Sediment (~ 5 min bei 600g).
      2. Entfernen Sie die Suspension Flüssigkeit.
      3. Neu im Wasser auflösen. Dies schwächt die CTAB Inhalt der Vorratslösung.
      4. Wiederholen Sie die Schritte 4.3.1.1. und 4.3.1.2. einmal mehr.
        Hinweis: Da CTAB als Kolloid Stabilisierungsmittel fungiert, vermeiden Sie übermäßige Zentrifugation Zeit und Geschwindigkeit in den folgenden Waschschritte, da das Risiko der Aggregation erhöht, da die CTAB weggewaschen wird.
      5. Die meisten der CTAB Tenside in der ursprünglichen kolloidale Lösung wird nun entfernt und eine neue, gut kontrollierte, Konzentration von CTAB auf das Kolloid eingeführt werden kann. Aus unserer Erfahrung Dispergieren Vorratslösung in Wasser mit 20 µM CTAB und anschließende DI-Wasser-Verdünnung in der experimentellen Konzentration ergibt sich eine Abdeckung, die ausreichend Coulomb-Abstoßung produziert.
      6. Mögliche Feinabstimmung der CTAB Konzentration kann erforderlich sein, entsprechende Partikeloberfläche Abscheu für die bestimmten Charge von Nanopartikeln verwendet erstellen. Durchlaufen Sie das oben beschriebene Verfahren und verändern Sie geringfügig die CTAB Konzentration um eine richtige zu finden.
    2. Glasoberfläche an negativ kostenlos Oberfläche waschen.
      Hinweis: Dieses Waschvorgangs produziert eine negativ geladene Oberfläche, die mit freien CTAB Moleküle in der experimentellen Lösung, so dass es positive und elektrostatisch abstoßend für die Partikel während 2D Trapping beschichtet wird.
      1. Nehmen Sie einen Objektträger und reinigen Sie sie in eine Mischung aus Wasser und 2 Gew.-% der grundlegenden Reinigungsmittel auf 80 ° C für ca. 10 Minuten, bis die Oberfläche sichtbar hydrophilen erhitzt.
        Hinweis: Vermeiden Sie Glas-Objektträger zu waschen, zu lange oder zu hart, denn damit kann die Glasoberfläche porös und eine Vielzahl von Schmutzpartikel produzieren.
  4. Probleme mit dem Photon Autokorrelation Spektroskopie.
    1. Niedrige Amplitude der Intensität Schwingungen oder lauten Signal.
      1. Legen Sie einen Bandpassfilter (BP-Filter in Abbildung 2) vor der Sammlung-Faser, die das Laserlicht und Blöcke dunkel-Bereich Beleuchtung Licht geht.
        Hinweis: Im Prinzip funktioniert die Messung bei allen Licht sowie der Erhebung. Jedoch unpolarisierten Weißlicht DF Beleuchtung effizient erregt aus Flugzeug-Modi, und da eine Nanorod um die kurze Achse in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse dreht, dies ist die Ebene quer LSPR. In diesem Modus trägt keine Form Anisotropie während der Rotation und sammeln Licht daraus nur das Signal Rauschabstand der Messung reduziert.
    2. Weitere Verfall in Autokorrelationsfunktion.
      1. Stellen Sie sicher, dass der Kern der Sammlung Faser groß genug, um das Bild der Nanopartikel während aller seiner Exkursionen durch translationale Brownsche Bewegung enthalten ist.
      2. Wenn eine Faser mit einer zu kleinen Kern Größe verwendet wird, durch eine größere ersetzen.
      3. Prüfen Sie die Ausrichtung der neuen Faser, wie in der Anleitung 2.1.4-2.1.5.

Representative Results

Die Rotation und rotatorischen Brownsche Bewegung von einer goldenen Nanorod, die ordnungsgemäß in die Zirkular polarisierte Laser-Pinzette gefangen ist kann durch die Aufnahme der Lichtstreuung intensitätsschwankungen (Abbildung 3a) mit einem ein-Pixel-Detektor sondiert werden. Eine Autokorrelation Spektrum dieses Signal enthält eine oszillierende Komponente, ähnlich dem in Abbildung 3 bgezeigt. Das kann zu einer theoretischen Autokorrelationsfunktion passen. Das Fitting ermöglicht Extraktion von der Drehfrequenz und die Autokorrelation Decay-Zeit, bezogen auf den Rotations Brownschen Schwankungen, von der Nanorod.

Wie im Protokoll (Unterweisung 4.4.2) erwähnt, ist es unerlässlich, eine ausreichend Dicke Faserkern zu verwenden, um das rückgestreute Laserlicht Photon Korrelation Spektroskopie zu sammeln. Wenn dies nicht der Fall ist, wird ein zusätzliche Zerfall Begriff im Zusammenhang mit Partikel-Übersetzung in und aus der Sonde Volumen in die Korrelationsfunktion vorhanden sein, siehe Abbildung 4. Durch sorgfältige Analyse könnte dies mehr Informationen über das System zur Verfügung stellen; Allerdings erschwert es die Analyse der rotatorischen Brownschen Dynamik in den Daten enthaltenen.

Um korrekte DF Streuung Spektren von eingeschlossenen Nanopartikel zu erhalten, wie in Abschnitt 3.5 beschrieben, die spektrale Rohdaten kalibriert werden müssen. Dies geschieht durch Aufnahme der Beleuchtung Lampe Spektrum sowie ein Hintergrund-Spektrum (Abb. 5a). Beim intensivem Laserlicht an einer Glasoberfläche, wie das Substrat fokussieren, wogegen die Laptops gefangen sind, könnten einige Fluoreszenz erzeugt werden (siehe die rote spektrale Beitrag im Hintergrund Spektrum der Abb. 5a). Diese Fluoreszenz-Kontamination kann reduziert werden, mithilfe von Fused-Silica-Substrate. Aber auf jeden Fall empfiehlt es ein Hintergrund-Spektrum mit leeren optischen Pinzette in die richtige Laserleistung aufzunehmen. Wenn eine Streuung-Spektrum aufgenommen und haben alle spektralen Anteile, die nicht im Zusammenhang mit der tatsächlichen Nanopartikel Streuung ausgeglichen worden, denn das Spektrum in Energie Skala mit einer Bi-Lorentzian passende Funktion eingebaut werden kann, um Informationen zu extrahieren in Bezug auf die LSPR Peak Positionen (Abb. 5 b).

Figure 1
Abbildung 1: REM-Bilder und Ensemble Aussterben Spektren für zwei repräsentative Nanopartikel Chargen. ein) Maßstabsleiste beträgt 200 nm. b) blau/rot umrandet SEM Bilder in einem) entsprechen bzw. das rot/blau-Spektrum. Die spektrale Gipfel im Zusammenhang mit den quer und längs LSPRs sind deutlich zu unterscheiden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Schematische Darstellung der optischen Pinzette Setup für Nanopartikel Drehung Messungen. Laserlicht ist kollimiert und erweitert durch ein Keplerschen Fernrohr und anschließend zu welchem Zweck durch den Einsatz von zwei beweglichen spiegeln (M1, M2) und einem Strahlteiler (BS) geführt. Zwei wellenplatten im Laser Pfad optimieren die zirkulare Polarisation der optischen Pinzette (λ/2, λ/4). Rückgestreute Laserlicht kann nach einer linearen Polarisator für Photon Korrelation Spektroskopie und rotatorischen Dynamik Messungen erfasst werden. Nach dem Entfernen des Laser-Lichts, wird weißer Streulicht zu einem Spektrometer oder einer Kamera geführt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Repräsentative Intensität und Autokorrelation Daten mit Kurve fit für einen gefangen und rotierende Nanorod. eine) Intensitätsschwankungen nach einen linearen Polarisator für 1 s und einem vergrößerten Grundstück von den Schwankungen der einzelnen Pixel Detektor aufgezeichnet. b) autokorreliert Intensität Schwankungsbreite eines rotierenden gold Nanorod (blaue Punkte), rückgestreute Laserlicht gesammelten Daten. Die Daten zeigen eine Schwingung, die nach einigen Perioden zerfällt. Die Schwingung bezieht sich auf die Drehfrequenz des Nanorod, während der Zerfall durch Brownsche Drehbewegung ist. Eine Passform, die theoretische Autokorrelationsfunktion erfolgt (rote Linie) eine Drehfrequenz f extrahieren = 24285 ± 45 Hz und eine Korrelation zerfallen Zeit τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. Die f und τ0 Unsicherheiten stellen 95 %-Konfidenzintervall des Fit, hat ein Bestimmungskoeffizient (R2) des 0.9877. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: Problem mit einem zu kleinen Sonde Volumen in Photon Korrelation Spektroskopie Messungen. ein) Autokorrelation Datenerhebung für eine rotierende gold Nanorod mit einem dicken (400 µm, blau Daten) und eine dünne (62,5 µm, rote Daten) Faser. Sammlung mit einer dicken Faser sorgt dafür, dass die Nanorod immer in der Sonde Volumen begrenzt ist und die Autokorrelationsfunktion Rotations Dynamik nur misst. Eine zusätzliche Zerfall Sicht aufgrund der translationalen Brownsche Bewegung liegt vor, wenn die Sonde Volumen nicht ausreicht. In b) und c), schematischen Abbildungen des Effekts und Bilder von der Rückseite beleuchtet Sammlung Region gezeigt. Maßstabsleisten sind 2 µm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: beispielhafte Dunkelfeld Streuung Spektren aufgenommen für ein gold Nanorod optisch von 660 nm Laserlicht gefangen. Im Spektralbereich 630-670 nm (1,85-1,97 eV) aufgrund von Notch-Filter benötigt, um das Überfüllen Laserlicht zu blockieren verzerrt ist. ein) Raw Streuung Spektren (dunkelblau) Merkmale, die sind nicht die Streuung des Teilchens und sollte für kalibriert werden. Dazu gehören das Hintergrund-Spektrum (rot), die Autofluoreszenz aufgeregt durch das stark gebündelte Laserlicht enthält, und die weiße leichte Anregungsspektrums (Orange, ohne Notch-Filter aufgenommen). Nach der Kalibrierung zeigt das korrigierte Streuung Spektrum (hellblau) zwei unterschiedliche LSPR Gipfel, wie erwartet. Die Pfeile zeigen den Maßstab für jedes Spektrum. b) Streuung Spektrum für eine eingeschlossene Nanorod (blaue Punkte) sowie eine Anpassung an die Bi-Lorentzian Modellfunktion (rot) mit seinen Komponenten (hellblau und Orange). Die verzerrte Spektralbereich ist in der Anordnung der Daten nicht berücksichtigt und die Passform hat einen R-2 des 0.9975. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Das optische fallen Setup beschrieben in diesem Protokoll beruht auf einem kommerziellen umgekehrtes Mikroskop und rotes Laserlicht verwendet. Aber die beschriebenen Techniken sind vielseitig und können verwendet werden, um Zirkular polarisierte optische Pinzette um die meisten kommerziellen oder selbstgebauten Mikroskopen, beide aufrecht zu konstruieren und invertiert, mit nur geringfügigen Änderungen. Die Trapping-Laser-Wellenlänge kann in einem weit sichtbaren-NIR-Spektrum gewählt werden, solange der Rest der optischen Komponenten und Detektoren sind funktionell bei diesem spezifischen Wellenlänge. Dennoch sollte bei der Auswahl einer Laserwellenlänge der Größe und der spektralen Nähe zu Resonanzen der Teilchen manipuliert werden betrachtet werden weil dadurch die optische fallen Kräfte und Drehung Leistung2,5, das Ausmaß der PHOTOTHERMISCHE Effekte1und die Fangmethoden Stabilität26. Wir haben bereits erfolgreich mit Zirkular polarisierten Laser Pinzette mit Laserwellenlängen von 660, 785, 830 und 1064 nm gearbeitet.

Eines der wichtigsten Komponenten des Setups optische fallen ist das Mikroskopobjektiv. Das Ziel dieses Protokolls ist ein trockener Ziel mit NA = 0,95. Die Verwendung eines trockenen Ziel ist experimentell eine einfachere Umsetzung des Setups; jedoch führt es zu optischen Aberrationen durch Brechung in den Sample-Zelle-Schnittstellen. Im vorliegenden Fall ist das Ergebnis einer leicht vergrößerten fokusfleck (~1.2 µm) im Vergleich zu der Beugungsgrenze (~0.4 µm), aber das ändert nicht deutlich die allgemeine oder rotary Performance der Plattform. Im Prinzip kann eine Vielzahl von Mikroskop Ziele verwendet, sofern sie gute Übertragung der Trapping-Wellenlänge, gute Polarisation Wartung und lange genug Arbeitsabstand Überfüllung durch ein Mikroskop-Deckglas und eine Schicht Wasser durchführen. Im Falle 2D Überfüllen kann die NA relativ niedrig, die das gesamte Experiment vereinfacht und bietet saubere zirkulare Polarisation im Fokus. Jedoch möglicherweise höhere Laserleistungen benötigt als bei einem hohen NA-Ziel. Nach unserer Erfahrung die beste Leistung für die Fallenjagd, Rotation und dunkel-Bereich Spektroskopie wird mit Zielen mit NA 0,7-0,95 gewonnen, aber es ist möglich, niedriger sowie höhere NA Ziele zu verwenden.

Um gute Photon Korrelation Messungen der Drehbewegung zu erhalten, braucht man ein schnellen ein-Pixel-Detektor. Wählen Sie einem Detektor mit einer Bandbreite von mindestens zwei, vorzugsweise, zehnmal höher als die erwarteten Drehfrequenz multipliziert mit der Entartung Formfaktor und eine hohe Empfindlichkeit bei der Fallenjagd Wellenlänge verwendet. Verstärkte Si Photodetektoren, single Photon counting APDs und PMTs wurden mit Erfolg in verschiedenen Setups in unseren Laboren verwendet. Weitere Informationen, zum Beispiel im Falle Steifigkeit erhalten Sie durch Messung und Analyse von Teilchen translatorische Verschiebung mit etablierten Techniken wie Kraft-Spektralanalyse-5. Eine Anzahl von vorhergehenden Publikationen beschreiben verschiedene Varianten dieser Technik38,39. DF-Spektroskopie kann durchgeführt werden, mit einer breiten Palette Freiraum- oder Faser gekoppelt, Spektrometer und die Wahl sollte auf die Spektralbereich und die Wellenlänge und die zeitliche Auflösung benötigt für die geplante Studie beruhen.

Wenn Sie eine Überfüllung Experiment durchführen, können zusätzliche Partikel versehentlich die Falle eingeben. Dies kann durch die Überwachung der Drehfrequenz, die stark aufgrund der Störung schwanken wird erkannt werden. Sichtprüfung von DF Mikroskopie kann verwendet werden, um das Vorhandensein eines zusätzlichen Partikels zu überprüfen, in welchem Fall die Bühne kann verschoben werden, um weitere Störungen zu vermeiden oder das Experiment muss neu gestartet werden.

Das oben beschriebene System ist eine einfache und effiziente Möglichkeit, 2D Entbindung und Rotation von metallischen Nanopartikeln zu realisieren. Jedoch für einige Anwendungen der zusätzliche Freiheitsgrad für Manipulation, die im Lieferumfang von 3D Trapping ist wichtig, und die aktuelle Konfiguration ist daher eine Einschränkung. 3D Entbindung und Rotation erreichbare möglicherweise jedoch durch den Einsatz gegen Vermehrung Laser Pinzette oder exotischere Trapping-Konfigurationen.

Obwohl die Teilchen und System-Parameter hier diskutiert optimiert werden können, um PHOTOTHERMISCHE Heizung unter ~ 15 K4zu reduzieren, kann der Temperaturanstieg verbunden mit plasmonische Anregung von Metall-Nanopartikeln in bestimmten problematisch sein Anwendungen. Eine mögliche Route in Richtung weiter Wärmereduktion soll hochbrechenden dielektrische Nanopartikel statt plasmonische Partikel verwenden. Solche Teilchen starke Mie-Typ Streuung Resonanzen zu unterstützen aber gleichzeitig geringe intrinsische Absorption Koeffizienten aufweisen. Wir haben in letzter Zeit kolloidales resonanten Si Nanopartikel herstellen, die in dieser Hinsicht40,41nützlich erweisen können.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde durch die Knut und Alice Wallenberg Foundation, der schwedischen Forschungsrat und Chalmers Bereich Advance Nanowissenschaft und Nanotechnologie unterstützt.

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

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Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems
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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).

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