Login processing...

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

Engineering

הקמה ותפעול של מערכת מנוע מונחה אור רוטרי Nanorod זהב

doi: 10.3791/57947 Published: June 30, 2018

Summary

Nanorods זהב plasmonic יכול להיות לכוד בתוך נוזלים, מסובב בתדרים kHz באמצעות מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי. היכרות עם כלים dynamics בראונית ניתוח של scatteringspectroscopy אור מוביל מערכת חזקה עבור מחקר ויישום בתחומים רבים של המדע.

Abstract

האפשרות ליצור ולמדוד את הסיבוב, מומנט ננו הוא עניין מהותי ויישום של nanomotors ביולוגי, מלאכותיים, עשוי לספק מסלולים חדשים לקראת ניתוח תא בודד, מחקרים של לא שיווי משקל תרמודינמיקה, הופעה מכני של מערכות ננו. דרך נתיישב סיבוב כונן היא להשתמש אור מקוטב באופן מעגלי לייזר ממוקדת במלקחיים אופטיים. באמצעות גישה זו, חלקיקים מתכתיים יכול להיות מופעל כמו יעילים ביותר מבוססת על פיזור רוטרי מנועים מסתובבים בתדרים סיבוב חסרת תקדים במים.

ב פרוטוקול זה, אנו המתאר את הקמה ותפעול של מקוטב באופן מעגלי מלקחיים אופטיים עבור סיבוב ננו-חלקיק, לתאר את המכשור הדרוש עבור הקלטת את הדינמיקה בראונית ואת פיזור ריילי של החלקיק לכוד. תנועה סיבובית של ספקטרום פיזור מספק מידע עצמאי על המאפיינים של ננו-חלקיק ואת סביבתו הקרובה. פלטפורמה ניסיוני הוכיח שימושי לאמוד nanoscopic של צמיגות ואת הטמפרטורה המקומית, למעקב אחר שינויים מורפולוגיים של nanorods, ציפויים מולקולרית, וכן בדיקה של photothermal ותהליכי תרמודינמי עם מתמר.

Introduction

השיטות שהוצגו במאמר זה משכפל אלו המשמשים שלנו בעבודה הקודמת1 ללמוד ננו photothermal אפקטים המשפיעים על מנועים רוטרי מונחה-אור nanorod זהב. גרסאות של פלטפורמת ניסיוני שימש מספר פרסומים הקשורים2,3,4,5,6,7,8, 9.

מלקחיים אופטיים נמצאים בשימוש נרחב עבור שליטה העברת מיקום, כוח ו תנע קווי-פיסיקליות קטן ב פיזיקה, ביולוגיה, הנדסה10,11,12,13,14 . יכול להיות מועסק תנע זוויתי נישא על ידי אור מקוטב באופן מעגלי עבור בקרת תנועה נוספים כי זה להעביר מומנט אובייקטים לכוד15ברציפות. על ידי שילוב תמסורת אופטית ליניארי, תנע זוויתי, אז זה אפשרי לבנות לא פולשנית רוטרי nanomotors עם פוטנציאל ליישומים מגוונים, כגון משלוח סמים לתוך16,תאים בודדים17, ננו ניתוח18, nanofluidics הפעילה19, בין השאר.

באמצעות חלקיקים מתכתיים כמו הנושא של טיפול מונע אור, אחד יכולים לנצל את היתרונות של מקומי פלזמון משטח מגנטיים (LSPR של), המספקות חתכי רוחב אופטי גדול, רגישות גבוהה שינויים סביבתיים, תחום רחב שיפורים20,21,22,23. זה הוביל שפע של מחקרים על הגבול בין פלזמוניקה מניפולציה אופטי8,24,25,26,27. האינטראקציה אור-חומר חזק שמספק LSPR אפשרה לנו לעצב פלטפורמה איפה לייזר מקוטב באופן מעגלי פינצטה מסוגלים לנהוג nanorods זהב לסובב בתדרים סיבוב התקליטים מים2. על ידי מעקב של תנועה בראונית של nanorod מסתובב, מידע מפורט אודות הסביבה והטמפרטורה שלו ניתן להשיג3,5. ניתוח spectroscopic בו זמנית מספק ערוץ מידע עצמאי נוסף עבור ניתוח שהטמפרטורה ויציבות מורפולוגי של nanorod סיבוב1. מגוון רחב של מערכות ותצורות שימשו לימוד ויישום לאופקית ב מלקחיים אופטיים, יצירת תובנות חשובות בתוך29,30 28,15,שדה , 31 , 32. עם זאת, רוב המחקרים הללו התמודדו עם אובייקטים מספר מיקרון בזמן nanorod יחיד נותן גישה המשטר בגודל ננומטר. יתר על כן, כאשר זהב nanorods משמשים את nanomotor סיבוביים, מומנט כוח ביעילות מועבר בעיקר באמצעות פיזור2,33. פעולה זו מפחיתה את הסיכון של התחממות יתר חלקיקים לכוד3,34,35.

בהשיטה הבאה, אנחנו חלוקה לרמות את הצעדים הדרושים כדי לבנות מערכת מסוגלת השמנה אופטי יעילים וסיבוב של חלקיקי מתכת. Nanorods זהב נחשב במחקרים אלה יש פיזור גבוה חתכי רוחב, הלחץ קרינה הופך להיות חזק יותר הכוח הדרגתיות מבטלת בכיוון התפשטות. להגבלת עדיין החלקיקים ב- 3D, אנו מנצלים את האיזון בכוח בין סלידה הקולומבית ממשטח הזכוכית ואת הכוח פיזור לייזר בכיוון התפשטות. תצורה זו 2D-השמנה מאוד מרחיבה את טווח החלקיקים ללכידה, לעומת תקן מלקחיים אופטיים תלת-ממד, זה יכול להיות משולב בקלות עם הדמיה אופטית כהה-שדה וספקטרוסקופיה.

Nanoparticle מתכת לכוד על אינטראקציה עם הסביבה, מידע מפורט אודות אינטראקציה זו מכילה את התנועה ואת תכונות ספקטרליות. לאחר המתארות כיצד לבנות את מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי, אנחנו ולכן גם חלוקה לרמות איך לשלב אינסטרומנטציה עבור חיטוט דינמיקה סיבובית, מדידת ספקטרום פיזור ריילי בכיוונון ניסיוני. התוצאה היא פלטפורמה תכליתי ללימודי התופעות סיבוב ננו, פיזיקה, כימיה וביולוגיה.

פרוטוקול זה מבוסס על ההנחה כי החוקר יש גישה מתאימה colloidal חלקיקי מתכת, רצוי אחת nanorods זהב גבישי. Nanorods זהב שניתן לרכוש מחברות מיוחדות או מסונתז בית בשיטת רטוב-כימיה. Nanorods שימוש בניסויים שלנו נעשו על ידי שיטת גידול בתיווך זרע שמתואר Ye et al. 201336. זה יתרון אם התכונות האופטיות של חלקיקים ומורפולוגיה טוב מאופיינים, לדוגמה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) ומדידות הכחדה אופטי. איור 1 מציג נתוני הקליטה של מדידות כאלה nanorod נציג סוגים1.

חלוקה לרמות של הפרוטוקול הוא כדלקמן: בחלק הראשון, אנו מתארים את בניית הפינצטה אופטי מבוסס על קיטוב מעגלי. במקטע השני, אנו נתאר כיצד לחלץ מידע nanomotor ע י הקלטת דינמיקה סיבובית ומאפיינים הפיזור שלו. תדירות הסיבוב, של תנועה בראונית הסיבוב של החלקיק לכוד נמדד באמצעות פוטון המתאם ספקטרוסקופיה לפי להקרין אור לייזר backscattered מתערבבת עם מקטב ליניארי על גלאי מהר פיקסל בודד-3. על-ידי הזזת את הנתונים לכל פונקציה autocorrelation תיאורטיים, תדירות הסיבוב והן הזמן דעיכה של פעפוע בראונית המסתובבת יכול להיות חילוץ2,3. מאפייני לכוד על ננו-חלקיק אופטי נמדדים באמצעות שדה אפל ספקטרוסקופיה, אשר מספק מידע משלים על החלקיק ואת סביבתו. בחלק השלישי, אנו מתארים הליך ניסיוני השמנה והסיבוב של nanorods זהב.

הפרוטוקול המתואר עד לנקודה זו הוא נתיב ישיר למערכת מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי מתפקדת עבור סיבוב nanoparticle. עם זאת, לעיתים מתעוררות בעיות תשומת נוספים לפי דרישה. בחלק הרביעי, אנו מכינים כמה מן הבעיות הנפוצות נתקלנו וכיצד לטפל בהם. אלה כוללים נושאים הקשורים nanoparticle התכונות האופטיות המוביל אל מלכודת המסכן יציבות (4.1), נמוך תדירויות הסיבוב עקב קיטוב מעגלי שיוצרת הנגרמת על ידי שבירה כפולה beamsplitter (4.2), דבק של חלקיקים במשטח זכוכית עקב דחיה הקולומבית לא מספיקות (4.3), סטייה האות autocorrelation אופיינית (4.4).

Protocol

1. באופן מעגלי מקוטב מלקחיים אופטיים עבור סיבוב ננו-חלקיק

  1. לבנות את הכיוונון סביב מיקרוסקופ הפוכה מתאימה ולהשתמש לייזר אדום באורך הגל גלוי (660 ננומטר). שרטוט של ההתקנה ניסיוני מוצגת באיור2. הקפד לבחור לייזר עם פלט יציב כוח עד 500 mW (הפקת כוח על המטוס מדגם של 50 mW). גם להבטיח כי שאר הרכיבים לבצע היטב בכל אורך הגל של הלייזר השמנה.
  2. השתמש מטרה יבש עם מספרי הצמצם (NA) של 0.95 והגדלה X 40.
  3. תמיד ללבוש משקפי בטיחות, לשמור על רמת האבטחה לייזר טוב (במיוחד אם באמצעות לייזרים שאינו גלוי). מבצע יישור עוצמת הלייזר מינימלי. לתמצת את הנתיב לייזר כל לבטיחות בשני וכדי למנוע להיסחף תרמי ואבק בנתיב האור.
    הערה: בהתאם למצב קיטוב של הפלט של הלייזר, מלקחיים אופטיים יפיקו הצבת מקטב ליניארי כרכיב אופטי הראשונית. אם קיטוב לייזר כבר ליניארי, רכיב זה יכול להיות מושמט.
  4. השתמש זוג עדשות חיובי בתצורת טלסקופ Keplerian (עדשות בחלק התחתון של איור 2) כדי להרחיב את קרן הלייזר כך הקוטר קרן הוא קצת יותר הצמצם האחורי של המטרה ההשמנה גדולה.
    הערה: זה מאפשר להשתמש של NA כל המטרה, יהיה לייצר מוקד עקיפה מוגבלת השמנה11, והתוצאה קשיחות השמנה אופטימלית.
  5. ודא הלייזר השמנה היא ממוקדת כראוי לאחר מרחיב הקורה. ניתן לבצע זאת על-ידי כך גודל הקרן הוא קרוב ל ללא שינוי בעת הפצת המטרה (או על-ידי שימוש interferometer חיתוך).
  6. השתמש שתי מראות (M1 ו- M2 באיור2), רכוב על המראה קנטית טעינות (וגם אם יש צורך, שלב התרגום), לכוון את קרן הלייזר לתוך הגדרת מיקרוסקופ.
    הערה 1: להשאיר מספיק מקום בין לייזר מראות מיקרוסקופ כדי שניתן יהיה להוסיף אלמנטים אופטיים נוספים כגון waveplates ו- beamsplitters.
    הערה 2: ודא כי הלייזר מסוננת תמיד את העינים או כל אור נגיש אחר יציאה המיקרוסקופ.
  7. להשתמש beamsplitter (חצי חלקי תמסורת/השתקפות משמש כאן, אבל ודיקרואיק זוהר יכול גם עובד טוב) בתוך מיקרוסקופ לייזר כמה אור לתוך המטרה, מבלי לאבד את יכולת הדמיה ומדידה בכיוונון מיקרוסקופ.
  8. כוללים מצלמה (ראה איור 2) בכיוונון עבור הייזנרייך עוקבות, נתונים הקלטה. אם מערכת ללא העינים, זה חיוני עבור כל יישור.
  9. להתמקד הלייזר זכוכית או מראה. אם הלייזר מיושר, מזין את המטרה בזווית הנכונה של הדפוס עוצמת לייזר הוא סימטרי בצורה רדיאלית בעת שינוי המוקד מעל ומתחת מוקד.
  10. לכוונן את הזוויות של המראות לייזר (M1 ו- M2 באיור2) כדי להשיג יישור אופטימלי לייזר (כמתואר ב- 1.9).
  11. Polarize באופן מעגלי אור הלייזר.
    1. בדרך האור אל המטרה, לעבור הלייזר דרך צלחת רבע-גל (QWP; λ/4 באיור2) מונחה עם צירו מהר-45 ° עד קיטוב לינארי לייזר אור להמיר אור מקוטב לינארית אור מקוטב באופן מעגלי- המטוס מדגם.
    2. כיוונון של 360°-rotatable מקטב ליניארי מד כוח מול המטרה.
    3. בדוק קיטוב על ידי סיבוב של מקטב ליניארי, וציין את כוח מינימלי ומקסימלי, המקביל לציר ראשיות ומשניות או האליפסה קיטוב.
      הערה: היחס צריך להיות גבוה יותר מאשר 0.9 לביצועים מיטביים סיבוב. אם זה לא הושגה, ראה שלב 4.2 לפתרון.
  12. למדוד את עוצמת הלייזר על המטוס מדגם.
    1. השתמש של מד הכוח האופטי כדי לחקור את עוצמת הלייזר על המטוס מדגם. לטפל כדי לאסוף את כל האור עברו המטרה עבור מודד הנכון של הכוח השמנה.
    2. לבצע סריקה לינארית של פלט לייזר כוחות ולהקליט את הכוחות המתאימים על המטוס מדגם המרה לאחר מכן כוח לדחיסות במלכודת.
  13. להגדיר מערכת שדה אפל (DF) בקוהלר תאורה משתמשים בשמן שקוע DF מעבה כדי לאפשר ויזואליזציה של חלקיקים ואירועים השמנה. זה יאפשר למדידות הדימות והן ספקטרוסקופיות של חלקיקים לכוד.

2. אינסטרומנטציה עבור מדידות של הסיבוב, דינמיקה סיבובית בראונית ומאפיינים ספקטרוסקופיות

  1. פוטון המתאם ספקטרוסקופיה באמצעות גלאי פיקסל יחיד.
    1. הכנס של beamsplitter (30R/70T) לתוך הנתיב אופטי כדי לחלץ אור backscattered ננו-חלקיק.
    2. להתחבר פוטודיודה סי מהר פיקסל בודד-כרטיס רכישה נתונים כדי לאפשר הקלטה של אותות.
      הערה: חשוב שיהיה פוטודיודה/DAQ המסוגלת מדידה התדרים הסיבוב הצפוי (כמה עשרות kHz).
    3. למקד את האור על גבי בד אוסף קבוע של xy-תרגום הר. הכנס מקטב ליניארי לפני סיבים אוסף.
    4. אוסף סיבים ליישור, כמה אור גלוי לקצה היציאה של סיבים כדי להאיר את המצע. פעולה זו מאפשרת הדמיה וניתוח של האזור אוסף של הסיבים.
    5. להתאים את מיקום סיבים באמצעות של xy-תרגום הר, כך האזור האוסף שלה עולה בקנה אחד עם העמדה של המלכודת אופטי. חבר את הקצה יציאה של סיבי סי-הגלאי וללטש את המיקום של סיבים כדי למקסם את הגב שנאספו האות מפוזר.
  2. כיוונון ספקטרוסקופיה שדה אפל.
    1. יש לזכור כי טיפול צריך להילקח בבחירת כל רכיבים אופטיים בנתיב בין מדגם לבין ספקטרומטר, כדי לא לחסום את האור בטווח ספקטרלי של ריבית.
    2. קח זהירות כמו אור לייזר פזורים ו/או משתקף ישירה שעלולים לגרום נזק החיישן ספקטרומטר. לחסום את אור הלייזר באמצעות המסננים המתאימים ו/או beamsplitters ודיקרואיק זוהר. תמיד לבצע יישור של ההתקנה עוצמת הלייזר מינימלי.
    3. הכנס beamsplitter/מראה הנתיב אופטיים לנתב מחדש אור ספקטרומטר (פרוטוקול זה, ספקטרומטר בשילוב מקום פנוי משמש). אחד המיקרוסקופים פלט יציאות יכול לשמש גם, אם מתאים.
    4. השתמש במסננים חריץ כדי להסיר את אור הלייזר השמנה אינטנסיבי (מסננים של סכום OD12-אורך הגל של הלייזר שהיו נחוצות עבור דף חסימה מספיק במקרה שלנו), אשר מקרה אחר מטשטש את התגובה ספקטרלי של ננו-חלקיק של עניין.
    5. להתאים את מיקום מלקחיים אופטיים על ידי המנחה המראות (M1 ו- M2 באיור2) אז עולה בקנה אחד עם העמדה של הסדק ספקטרומטר.
      הערה 1: שינויים במצב של המלכודת אופטי ידרוש ההתכנסות של מערכת המדידה המתאם פוטון (הוראות 2.1.4-2.1.5).
      הערה 2: במיקום החדש של מלקחיים אופטיים, הוראות 1.9-1.10 שצריך לחזור עליהם להגיע מלכודת אופטי מיושר היטב.

3. ניתוח ניסיוני

  1. הכנה של חלקיקים בניסויים.
    1. לדלל את החלקיקים במים-DI. הריכוז המתאים של nanorods צריך להיות בטווח בין 0.1-0.01 pM. Sonicate את הפתרון מדולל ב הניקוי באמבט אולטרא למשך 2 דקות לשבור אגרגטים אפשרי אחד מהשני homogenize פתרון.
    2. לכוון את הריכוז של nanorods בהדילול כדי למנוע השמנה של חלקיקים מרובים. ככל הניסוי שיבוצעו, נמוך יותר ריכוז נדרש כדי להפחית את הסיכון של השמנה חלקיקים או מציג מרובים.
  2. הכנת דגימת תאים.
    1. רחץ שקופית מיקרוסקופ וכוס כיסוי (1.5 מס) ב אצטון ובעקבות כך אלכוהול איזופרופיל תחת sonication במשך חמש דקות, בהתאמה.
      הערה: ודא כי טעינת משטח של השקופית זכוכית במהלך הניסוי יש את הקוטביות אותו כמו colloidal חלקיקי. חלקיקים מיוצב על ידי ברומיד hexadecyltrimethylammonium חומרים פעילי שטח (CTAB) יחול באופן חיובי.
    2. במקום קלטת מרווח 100 מיקרומטר טוב על השקופית זכוכית.
    3. לפזר 2 µL של הפתרון מדולל nanoparticle בשקופית מיקרוסקופ בתוך µL היטב ו-2 על הזכוכית המכסה. פתרון על שני המשטחים מאפשרת אסיפה יותר לשליטה של התא הדגימה.
    4. לחבר את שני חלקי התא הדגימה תוך הימנעות ויוצרים בועות אוויר בתוך החדר.
    5. מקם את התא על הבמה מיקרוסקופ ומניחים טיפת שמן מתאימים-אינדקס (טבילה) על מדגם של טיפה אחת על מעבה. טיפות כל בועות להימנע צד בשמן זה מחליקי אור ומפחית את הניגוד בין ההארה DF.
  3. ביצוע ניסוי.
    1. אתר חלקיק דרך התבוננות במערכת דימות DF. Nanorod בודד בדרך כלל ניתן לזהות דרך התבוננות של תנועה בראונית (פרועה יותר מאשר אגרגטים), צבע (תואם התהודה LSPR החזק ביותר).
    2. התחל/חסימת הלייזר השמנה.
    3. דרך סדרה של התנועה הבמה והתיקונים מיקוד, לדחוף את החלקיקים שבחרת באמצעות קרינה הלחץ בכיוון התפשטות של הלייזר לכיוון הממשק מי זכוכית. על הממשק, z-תנועה מוגבלת על ידי איזון בין לחץ קרינה ודחייה הקולומבית בין CTAB מולקולות על פני nanoparticle השטח הטעון חיובית. Xy-תנודות נכלאים כוחות מעבר צבע מלקחיים אופטיים.
    4. דרך המוקד קטן תיקונים, להגדיל את מהירות יציבות או סיבוב השמנה, נאמד מול תורתו מהנתונים autocorrelation (כפי שמתואר להלן בהדרכה 3.4).
    5. בשלב זה, להקליט דינמיקה סיבובית והן ספקטרוסקופיות מאפייני nanorod לכוד. עיין בהוראות 3.4 ו- 3.5 להלן כיצד לחקור אלה. ניתן לבצע זאת במשך תקופות זמן, עד מספר שעות אם יש צורך.
  4. מדידות דינמיקה סיבובית.
    1. ודא כי יש אזור אוסף של סיבים גדול מספיק כדי תמיד להקיף את התמונה של החלקיק translational בתנועה.
    2. איסוף עוצמת האות תנודה עם photodetector Si בזמן תדירות ואוסף החקרנית המתאים. לבחור 65536 Hz 1 s רכישת זמן להתחיל עם ולהתאים במידת הצורך.
      הערה: חיטוט תדירות צריך להיות לפחות שני (בצורה אופטימלית עשר) פעמים גדול יותר תדירות הסיבוב מוכפל מידת לזיהוי סימטריה סיבובית (N, ראה להלן). אוסף זמן צריך להיות ארוך מספיק כדי להיות מסוגל להשיג תדרים נמוך באופן משמעותי תדירות הסיבוב.
    3. לאחר שיש שנאסף קבוצה של נתוני עוצמת התנודה ננו-חלקיק מסתובב, לחשב את autocorrelation של עוצמת התנודות. פעולה זו מתבצעת על-ידי חישוב המתאם של האות עם השהיית זמן עותק של עצמו במשך כל זמן השהיה τ (i.e.,C(τ) = {אני(τ) · אני(0)}).
    4. לבצע התאמה לפונקציה autocorrelation תאורטית
      Equation 1
      איפה אני0 העוצמה הממוצעת, אני1 הוא משרעת של עוצמת התנודות ו- N הוא מידת לזיהוי סימטריה סיבובית (עבור חלקיקים דמויי רוד N = 2)2,3.
    5. מ המזרק לחלץ סיבוב בתדר fלהירקב , ריקבון הפעם autocorrelation אות τ0 (הקשורים דינמיקה סיבובית תנועה בראונית).
  5. מדידות ספקטרוסקופיות.
    1. שיא ספקטרום אור לבן (אנילבן(λ)) על ידי איסוף אור תאורה. זה יכול להיעשות על ידי פיזור אוכלוסין פיזור חרוזי פוליסטירן על משטח ואיסוף תגובתם פיזור אחיד.
    2. שיא קשת רקע (אניbkg(λ)) על ידי איסוף האור תועה במקום השמנה כאשר חלקיק לא נלכד.
      הערה 1: יש לבצע פעולה זו עבור כל אחת מהמידות בודדים, מאז מאפייני הרקע יכול להשתנות באופן משמעותי בין תאים שונים דוגמת ומיקומים אפילו בתוך מדגם.
      הערה 2: הקלטה ספקטרה הרקע צריך להיעשות עבור אותו הכוח לייזר המשמשים להשמנה אופטי. זה מאפשר לנו להסיר כל אוטומטי-קרינה פלואורסצנטית אפשרי של השקופית זכוכית, נרגש על ידי עוצמות לייזר גבוהה בפוקוס.
    3. להקליט קשת כהה (אניכהה(λ)), בעת חסימת כל האור מגיע הגלאי. לאחר מכן, להקליט קשת raw של לכוד ננו-חלקיק (אניraw(λ)).
    4. גישה הספקטרום פיזור nanoparticle בפועל על-ידי חישוב
      Equation 2
    5. כדי לחלץ מידע אודות המיקומים שיא LSPR, להתאים את הספקטרום פיזור DF בקנה מידה אנרגיה עם פונקציית התאמה דו-Lorentzian כולל מונח תיקון ליניארי מעברים interband בזהב. הפונקציה דגם קורא:
      Equation 3
      איפה E האנרגיה, אניB עוצמה בסיסית, k השיפוע של התיקון ליניארי, אניאני עוצמת maxima, Γאני לכל רוחב חצי maxima (FWHM), Ei 0, מיקומי שיא שתי הפסגות Lorentzian.

4. פתרון בעיות פתרון בעיות נפוצות

  1. בעיות הקשורות למאפיינים nanorod זהב.
    1. יציבות השמנה המסכן.
      1. ודא כי התהודה הראשי (בדרך כלל האורך תהודה במקרה של nanorods) הוא מצד הגל הכחול של אורך הגל של הלייזר השמנה. אם לא, הכוח הדרגה תהפוך דוחה במקום אטרקטיבי37.
      2. כמו הגודל של nanorod יורדת, התנועה של תנודות בראונית בעליות, ו באותו זמן הכוח המייצב של סטוקס גרירה פוחתת. מבטיח nanorods יהיו גדולים מספיק בשביל xy-כוח מעבר צבע כדי להתגבר על אלה לערער יציבות כוחות.
    2. תכונות ספקטרליות חופפים או רחבה.
      1. מוטות צריך להיות יחס גובה-רוחב גדול מספיק עבור LSPR פיקס יופרדו מספיק כדי להיפתר בנפרד (ראה איור 1b).
        הערה: אורך הגל של הלייזר מציב גבול עליון עבור חיזקו הצורה, מאז redshifts LSPR האורך על מוטות ארוכים יותר.
      2. חלקיקים רצוי להיות קטן מספיק כדי לתמוך מצבי LSPR סדר גבוהה יותר של המשטר גלוי, מאז זה מסבך את הניתוח. ננו-חלקיק הבחירה היא איזון בין שיקול זה הנושא יציבות השמנה בהדרכה 4.1.1.2.
  2. קיטוב מעגלי לקוי של השמנה לייזר.
    הערה: כדי להשיג את הביצועים המיטביים של סיבוב ננו-חלקיק לכוד, אור הלייזר להגיע למטוס הדגימה צריכה להיות באופן מעגלי מקוטב. Beamsplitters ורכיבים אופטיים אחרים יכול להיות קיטוב תלויים, אשר עשוי להפוך את זה אפשרי להשיג קיטוב מעגלי מושלם באמצעות בלבד של QWP.
    1. הכנס צלחת חצי-גל (HWP; λ/2 באיור2) לאחר QWP בדרך, כדי לפצות על שבירה כפולה beamsplitter.
    2. להגדיר את מקטב ליניארי ואת תצורת מד צריכת חשמל ולבצע ניתוח של מצב קיטוב של הלייזר (כמו הוראות 1.11.2-1.11.3).
    3. לכל תפקיד במרווחים של חמש דרגות QWP, לסובב את HWP דרך מגוון זוויתי כולו (90 מעלות) בשלבים של חמש מעלות ולמדוד את היחס כוח לכל תפקיד. שואפים למצוא את הזוויות של QWP ו- HWP זה להגדיל את היחס בין כוח מינימלי ומקסימלי.
      הערה: מניסיוננו, היחס המרבי בין המעצמות המזערי והמרבי היה 0.75 ללא 0.98 עם התיקון HWP.
  3. חלקיקים נדבקות ממשק-לייזר כוח לקוי להגבלת החלקיקים xy-המטוס.
    1. לכוון את הריכוז של ייצוב חומרים פעילי שטח, דרך חלקיק שוטף בהליך, פיזור מחדש העוקבים של nanorods ב ריכוז מבוקר של CTAB.
      1. Centrifuge הפתרון מניות של חלקיקים עד חלקיקי המשקעים (~ 5 דקות ב 600 גרם).
      2. הסר את הנוזל ההשעיה.
      3. לפזר מחדש במים. זה מדלל את התוכן CTAB של הפתרון מניות.
      4. חזור על שלבים 4.3.1.1. 4.3.1.2. . עוד פעם אחת.
        הערה: מאז CTAB משמש כסוכן מייצב קולואיד, להימנע צנטריפוגה מופרז זמן ומהירות כשניסו להצליח כביסה צעדים מאז הסיכון של צבירת עולה ככל CTAB שטף.
      5. רוב פיתחה CTAB בפתרון colloidal המקורי יוסר עכשיו ולא חדש, ובכן מבוקרת, ריכוז של CTAB יכול להיות מוצג בפני קולואיד. מהניסיון שלנו, פיזור הפתרון מלאי מים עם 20 מיקרומטר של CTAB, דילול DI-מים הבאים כדי בתוצאות ריכוז פתרון נסיוני כיסוי השטח שמייצר מספיק דחיה הקולומבית.
      6. כוונון עדין אפשרי של ריכוז CTAB ייתכן שיש צורך ליצור חלקיקים המתאים/משטח דחיה עבור אצוות מסוים של חלקיקים בשימוש. לחזר את ההליך הנ ל, לשנות מעט את הריכוז CTAB למצוא ראוי.
    2. משטח זכוכית שטיפה למשטח מטען שלילי.
      הערה: הליך זה כביסה מייצרת משטח טעונים שלילית מצופה מולקולות CTAB חינם בפתרון ניסיוני, שהופך אותו electrostatically דוחה עבור החלקיק וחיובי במהלך השמנה 2D.
      1. קח שקופית מיקרוסקופ ולנקות את זה תערובת של מים ו- 2% wt של סבון בסיסי מחומם ל 80 מעלות צלזיוס במשך כ- 10 דקות עד פני השטח הידרופילית בעליל.
        הערה: להימנע שטיפה שקופיות זכוכית מדי זמן או בחומרה, מאז זה יכול להפוך את משטח זכוכית נקבובי, לייצר מספר רב של חלקיקים זיהום.
  4. בעיות עם פוטון autocorrelation ספקטרוסקופיה.
    1. משרעת נמוכה של עוצמת תנודות או אות רועש.
      1. הוספת מסנן bandpass (מסנן BP באיור2) לפני סיבים האוסף, אשר מעביר את אור לייזר ואור כהה-שדה תאורה רחובות.
        הערה: באופן עקרוני, המדידה עובד בעת איסוף כל האור גם כן. עם זאת, תאורה אור לבן unpolarized DF ביעילות מרגש מתוך מצבי המטוס, וזאת מאז nanorod מסתובב על צירו קצרה במטוס נורמלי לציר האופטי, מחוץ למטוס רוחבי LSPR. מצב זה אינו נושא כל חיזקו צורה במהלך הסיבוב ומפחית את איסוף אור ממנו רק את האות רעש יחס המדידה.
    2. דעיכה נוספים בפונקצית autocorrelation.
      1. ודא כי הגודל הליבה של סיבי אוסף הוא גדול מספיק כדי לכלול את התמונה של ננו-חלקיק במהלך כל שלה טיולים עקב translational תנועה בראונית.
      2. אם בד בגודל קטן מדי הליבה, להחליף אותו עם אחד גדול יותר.
      3. בדוק את יישור של סיבים חדשים, כמו הוראות 2.1.4-2.1.5.

Representative Results

סיבוב של תנועה בראונית המסתובבת של nanorod זהב זה כראוי לכודים את הפינצטה לייזר מקוטב באופן מעגלי פתור ע י הקלטת פיזור אור בעוצמה תנודות (איור 3a) באמצעות גלאי פיקסל יחיד. הספקטרום autocorrelation של האות הזה מכיל רכיב מתנדנדות, בדומה לזו המוצגת באיור 3b. אשר יכול להתאים לכל פונקציה autocorrelation תיאורטיים. ההתאמה מאפשר חילוץ של תדירות הסיבוב ואת הזמן ריקבון autocorrelation, אשר קשורה תנודות בראונית המסתובבת, nanorod.

כאמור בפרוטוקול (הוראת 4.4.2), זה חיוני להשתמש גרעין סיב עבה מספיק כדי לאסוף את אור הלייזר backscattered על פוטון המתאם ספקטרוסקופיה. אם זה לא המקרה, מונח דעיכה נוספים הקשורים תרגום חלקיקים בתוך ומחוץ האחסון בדיקה להיות נוכח בפונקציה המתאם, ראה איור 4. דרך ניתוח זהיר, זה יכול לספק מידע נוסף אודות המערכת; עם זאת, זה מסבך הניתוח של הדינמיקות בראונית המסתובבת הכלול הנתונים.

כדי לקבל ספקטרום פיזור נכון של DF חלקיקים לכוד, כמתואר בסעיף 3.5, הנתונים הגולמיים ספקטרלי צריך להיות מכויל. פעולה זו מתבצעת ע י הקלטת את הספקטרום מנורה של תאורה, כמו גם קשת רקע (איור 5a). בעת התמקדות אור לייזר אינטנסיבי על משטח זכוכית, כגון המצע שמולו nanorods לכודים, כמה קרינה פלואורסצנטית יכול להיווצר (ראה את התרומה ספקטרלי אדומה בספקטרום רקע של איור 5a). זיהום קרינה פלואורסצנטית הזה יכול להיות מופחת על-ידי שימוש fused סיליקה סובסטרטים. עם זאת, בכל מקרה מומלץ להקליט קשת רקע עם מלקחיים אופטיים ריק-עוצמת הלייזר הנכון. קשת פיזור נרשם ומתי כל הרכיבים ספקטרלי שאינן קשורות לפיזור nanoparticle בפועל קיבלו פיצוי על הספקטרום יכול להיות מצויד בקנה מידה אנרגיה עם פונקציית התאמה דו-Lorentzian כדי לחלץ מידע הקשור LSPR הפסגה העמדות (איור 5b).

Figure 1
איור 1: תמונות SEM, אנסמבל ספקטרה הכחדה עבור אצוות nanoparticle נציג שתי.) סרגל קנה מידה הוא 200 ננומטר. b) הכחול/אדום הגובלת תמונות SEM) מתאימות את הקשת אדום/כחול, בהתאמה. פסגות הספקטרלי הקשורים את LSPRs רוחביים האורך והרוחב הם ניתן להבחנה ברורה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: איור סכמטי של מלקחיים אופטיים ההתקנה למדידות סיבוב nanoparticle. אור לייזר ממוקדת, מורחבת דרך טלסקופ Keplerian, לאחר מכן מודרכת המטרה בעזרת שתי מראות מטלטלין (M1, M2), של beamsplitter (BS). Waveplates שני בנתיב לייזר למטב את קיטוב מעגלי של מלקחיים אופטיים (λ/2, λ/4). אור לייזר backscattered ניתן לאסוף לאחר מקטב ליניארי עבור פוטון המתאם ספקטרוסקופיה ומדידות דינמיקה סיבובית. לאחר הסרת אור הלייזר, אור לבן פזורים מונחה ספקטרומטר או מצלמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: נציג הנתונים בעוצמה, autocorrelation עם עקומה מתאימה לכוד על nanorod.) עוצמת תנודות שהוקלט על ידי גלאי פיקסל אחד לאחר מקטב ליניארי 1s, חלקת מוגדלת ב התנודות. b) נתונים Autocorrelated של עוצמת התנודה עבור זהב מסתובבת nanorod (כחול נקודות), אסף אור לייזר backscattered. הנתונים מראים של תנודה זה נרקב לאחר מספר תקופות. תנודה קשורה תדירות הסיבוב nanorod, ואילו הדעיכה הוא חיישן תנועה בראונית המסתובבת. A מתאימים לפונקציה autocorrelation תיאורטיים מתבצע (הקו האדום) כדי לחלץ תדר הסיבוב של f = 24285 ± 45 הרץ ואת מתאם ריקבון זמן τ0 = 40.9 ± 1.06 µs. אי הוודאויות0 f וτמייצגים 95% מרווחי הביטחון של התאים, אשר יש מקדם הדטרמינציה (R2) של 0.9877. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: בעיה עם אמצעי בדיקה קטנה מדי מדידות ספקטרוסקופיה המתאם פוטון.) Autocorrelation נתונים עבור nanorod זהב, מסתובב נאסף באמצעות עבה (נתונים מיקרומטר, הכחול 400), דק (62.5 מיקרומטר, נתונים אדום) סיבים. אוסף באמצעות בד עבה מבטיחה כי nanorod תמיד מוגבל בתוך האחסון בדיקה כי הפונקציה autocorrelation מודד דינמיקה סיבובית בלבד. מונח נוסף דעיכה עקב תנועה בראונית translational קיים כאשר אמצעי האחסון בדיקה אינה מספיקה. ב b) ו- c), איורים סכמטי של אפקט ותמונות של האזור אוסף בחזרה מואר מוצגים. גודל ברים הם 2 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: שדה אפל למופת פיזור ספקטרה הקליטה עבור nanorod זהב שטיחות לכודים 660 ננומטר לייזר אור. באזור ספקטרלי 630-670 nm (1.85-1.97 eV) תסולף עקב מסננים חריץ צריך לחסום את אור הלייזר השמנה. ) ספקטרה הפיזור גולמיים (כחול כהה) הצגת תכונות אינן הטמון הפיזור של החלקיק צריך להיות מכויל עבור. אלה כוללים את הספקטרום רקע (אדום), המכיל autofluorescence נרגש על ידי אור לייזר מאוד ממוקדת, ואת הקשת עירור אור לבן (תפוז, נרשמה ללא מסנן חריץ). לאחר כיול, הקשת פיזור המתוקן (תכלת) מציג שתי הפסגות LSPR ברורים כצפוי. החצים מצביעים על קנה המידה עבור כל הספקטרום. b) פיזור ספקטרום עבור nanorod לכוד (כחול נקודות) יחד עם התאמה לפונקציה מודל דו-Lorentzian (אדום) עם מרכיביו (תכלת וכתום). באזור ספקטרלי מעוותת היא התעלמו ב ההתאמה של הנתונים ויש ההתאמה של R2 של 0.9975. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

הגדרת השמנה אופטי שמתואר פרוטוקול זה בנוי סביב מיקרוסקופ הפוכה מסחרי ומשתמש אור לייזר אדום. עם זאת, טכניקות המתוארים הם מגוונים, ניתן להשתמש כדי לבנות מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי סביב מיקרוסקופים הכי מסחרי או מתוצרת בית, שניהם זקופים, הפוכה, עם רק קלה שינויים. ניתן לבחור את אורך הגל של הלייזר השמנה בתוך הספקטרום ניר רחב גלוי, כל עוד שארית רכיבים אופטיים וגלאי מתפקדים ובאורך הגל הספציפי הזה. יחד עם זאת, בעת בחירת אורך גל לייזר, בקרבת ספקטרלי מגנטיים של החלקיקים להיות מתומרן וגודל יש לקחת בחשבון כי זה ישפיע על השמנה אופטי כוחות ועל ביצועים סיבוב2,5, סדר הגודל של photothermal אפקטים1ו- יציבות השמנה26. בהצלחה בעבר עבדנו עם פינצטה מקוטב באופן מעגלי לייזר באמצעות לייזר אורכי הגל של 660, 785, 830 1064 ננומטר.

אחד המרכיבים החשובים ביותר של ההתקנה השמנה אופטי הוא המטרה מיקרוסקופ. המטרה של פרוטוקול זה היא מטרה יבש עם NA = 0.95. השימוש של מטרה יבש הוא השפעול הבנה פשוטה של ההתקנה; עם זאת, הדבר עלול להוביל סטיות אופטי עקב שבירה ממשקי תא הדגימה. במקרה הנוכחי, התוצאה היא נקודת המוקד מעט מוגדלת (~1.2 מיקרומטר) לעומת המגבלה עקיפה (~0.4 מיקרומטר), אך אפשרות זו אינה משנה באופן משמעותי את הביצועים הכללי או חוגה של הפלטפורמה. שבעיקרון מגוון רחב של מטרות מיקרוסקופ יכול להיות בשימוש, סיפק שלהם שידור טוב על הגל השמנה, תחזוקה טובה קיטוב, מספיק זמן ומרחק עבודה לבצע השמנה דרך מיקרוסקופ כיסוי slip שכבה של מים. במקרה של השמנה 2D, NA יכול להיות נמוך יחסית, אשר הופך את הניסוי כולו פשוט ומספק כלי הניקוי קיטוב מעגלי בפוקוס. עם זאת, הכוחות לייזר ייתכן שיהיה צורך יותר במקרה של מטרה נה גבוהה. מניסיוננו, הביצועים הטובים ביותר להשמנה, ספקטרוסקופיה סיבוב ושדה כהה מתקבל עם מטרות עם נה 0.7-0.95, אך ניתן להשתמש מטרות נה נמוך יותר, כמו גם גבוה יותר.

כדי להשיג פוטון טוב מידות המתאם לאופקית, גלאי מהר פיקסל בודד-נחוץ. בחרו גלאי עם רוחב פס לפחות שניים, רצוי עשר, פעמים גבוה יותר מאשר תדירות הסיבוב הצפוי מוכפל את צורת מקרה מנוון גורם ורגישות גבוהה הגל השמנה בשימוש. רסיברים צילום סי מוגבר, פוטון יחיד סופר APDs, PMTs שימשו עם הצלחה setups שונים במעבדות שלנו. ניתן לקבל פרטים נוספים, לדוגמה על מלכודת נוקשות, על ידי מדידת וניתוח הזחה translational חלקיקים באמצעות טכניקות ומבוססת כגון ניתוח ספקטרלי כוח5. מספר הפרסומים הקודמים מתארים וריאציות שונות של38,זו טכניקה39. DF ספקטרוסקופיה יכול להתבצע באמצעות מגוון רחב חינם-רווח או סיבים מצמידים ספקטרומטרים ואת הבחירה צריכה להתבסס על טווח הספקטרום, אורך גל, רזולוציה טמפורלית לצורך המחקר המתוכנן.

בעת ביצוע ניסוי השמנה, חלקיקים נוספים עשויים בטעות ייכנס למלכודת. זה ניתן להבחין באמצעות ניטור תדר הסיבוב אשר משתנים חריפה בשל ההפרעה. בדיקה ויזואלית על ידי מיקרוסקופ DF יכול לשמש כדי לוודא המצאות חלקיקים נוספים, ובמקרה ניתן להעביר את הבמה כדי למנוע הפרעה או הניסוי צריך להפעיל מחדש.

המערכת שתוארה לעיל היא דרך פשוטה ויעילה להבין כליאה 2D וסיבוב של חלקיקים מתכתיים. עם זאת, עבור יישומים מסוימים, החופש של תואר נוסף עבור מניפולציה שמגיע עם השמנה תלת-ממד חשוב, ולכן התצורה הנוכחית מגבלה. עם זאת, כליאה 3D וסיבוב ייתכן ניתנים להשגה על-ידי ניצול נגד הפצת לייזר פינצטה או תצורות השמנה אקזוטי יותר.

למרות ניתן למטב את הפרמטרים של חלקיקים ומערכת שנדונו כאן כדי להפחית photothermal חימום מתחת K ~ 154, העלייה בטמפרטורה המשויך plasmonic עירור של חלקיקי מתכת יכול להיות בעייתיים מסוימים יישומים. מסלול אפשרי לקראת הפחתת החום נוספת היא להשתמש חלקיקים מבודד גבוהה-אינדקס במקום חלקיקים plasmonic. חלקיקים כאלה תמיכה חזקה מסוג Mie פיזור מגנטיים אבל באותו זמן התערוכה מקדמי ספיגה פנימית נמוכה. לאחרונה היינו מסוגלים לייצר colloidal חלקיקי סי התהודה עשוי להוכיח שימושי40,41זה כבוד.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי את קנוט, אליס ולנברג קרן, המועצה למחקר השבדי האזור צ'אלמרס מראש וננו -טכנולוגיה.

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).
הקמה ותפעול של מערכת מנוע מונחה אור רוטרי Nanorod זהב
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