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Engineering

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

doi: 10.3791/57947 Published: June 30, 2018

Summary

金ナノロッドのプラズモンを液体の中に閉じ込めし、円偏光の光ピンセットによる kHz の周波数で回転できます。研究と科学のさまざまな分野のアプリケーションのための強力なシステムにつながるブラウン動力学解析と光分光のためのツールを紹介します。

Abstract

生成して回転とナノスケールでトルクを測定する可能性研究と生物と人工ナノモーターのアプリケーションに基本的な関心は、単一細胞解析へ新ルート、非平衡の研究を提供することが熱力学、及びナノスケール システムの機械的作動。ドライブ回転する安易な方法は、ピンセットで円偏光レーザー光を使用します。このアプローチを使用すると、金属ナノ粒子を水で前例のない回転周波数で回転効率の高い散乱駆動ロータリー モーターとして操作できます。

このプロトコルでは、我々 は建設とナノ粒子回転の円偏光の光ピンセットの操作概要し、ブラウン動力学と捕捉粒子のレイリー散乱を記録するために必要なインストルメンテーションを記述します。回転運動と散乱スペクトル、ナノ粒子および直近の環境の特性に独立した情報を提供します。実験プラットフォームは、粘度とナノロッドと分子コーティングの形態学的変化を追跡するためのローカル温度のナノメートル ゲージおよびトランスデューサーと光熱と熱力学的プロセスのプローブとして有用な証明されています。

Introduction

この記事で紹介した方法は、金ナノロッドの光駆動モータに影響を及ぼすナノスケール光熱効果を研究する私たちの前の作業1で使用されているレプリケートします。実験プラットフォームの亜種がいくつか出版物を関連付けた2,3,4,5,6,7,8で使用されています9

光ピンセットは広く物理学、生物学、工学1011,12,13,14 の小さい長さのスケールの位置、力および直線的運動量伝達の制御に使用します。.円偏光によって運ばれる角運動量は、それは継続的に閉じ込められたオブジェクト15にトルクを伝達するため追加モーション コントロールを使用できます。組み合わせることで光の線形および角運動量の伝達、それは単一セル16,17ナノスケールに薬物送達などの多様なアプリケーションの可能性と非侵襲的なロータリー ナノモーターを構築することは、手術18、およびアクティブな流体素子19、他の中で。

光駆動操作の対象として金属ナノ粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴 (LSPR) 大きい光横断、環境の変化や大規模なフィールドに高い感度を提供するの利点を活用 1 つ強化20,21,22,23。これはプラズモニクスと光マニピュレーション8,24,25,26,27間界面研究の富をもたらした。LSPR によって提供される強力な光と物質の相互作用は、円偏光レーザー ピンセット、水2でレコードの回転周波数で回転する金属ナノロッドを駆動可能なプラットフォームを設計することになりました。回転ナノロッドのブラウン運動を追跡するには、その環境と温度の詳細については、35に取得できます。同時分光分析は、分析のローカル温度の追加独立した情報チャネルと回転ナノロッド1の形態安定性を提供します。システムおよび構成の範囲は勉強、光ピンセット、フィールド15,28,29,30内の重要な洞察力を生成する回転運動を適用するために使用されています。,31,32します。 ただし、これらの研究のほとんどを扱っているオブジェクト直径数 μ m 単一ナノロッドは、ナノメートル サイズの政体にアクセス中です。さらに、時金ナノロッドは、ロータリー ナノモータ、トルクとして使用される効率的に移転主を介して散乱2,33これは捕捉粒子3,34,35の過熱のリスクを減少させます。

次の方法で効率的な光トラッピングと金属ナノ粒子の回転の可能なシステムの構築に必要な手順の概要を説明します。これらの研究において金ナノロッド高散乱断面積、放射圧が伝播方向に取り消さない限り勾配力よりも強いことが判明します。まだ 3 D で粒子を閉じ込めて、ガラス面からのクーロン斥力と伝搬方向のレーザー散乱力バランス力を駆使します。この 2 D トラップ構成標準の 3 D 光学ピンセットと比較すると、トラップ可能な粒子の幅が大きく広がるし、暗視野イメージングと分光と簡単に組み合わせることができます。

閉じ込められ回転金属ナノ粒子はその環境を操作し、この相互作用の詳細については、その動きとスペクトル特性に含まれています。円偏光光ピンセットを構築する方法を説明した後したがってもまとめました回転ダイナミクスを探るため、実験のセットアップでレイリー散乱スペクトルを測定するための計測器を統合する方法。結果は、物理学、化学、生物学におけるナノスケール回転現象の研究のため汎用性の高いプラットフォームです。

このプロトコルでは、研究者に適したコロイド金属ナノ粒子、できれば単一結晶金ナノロッドにアクセスがあることを前提としています。金ナノロッドは、専門にされた会社から購入または湿式化学方法を使用して家の中を合成できます。実験に用いたナノロッドがあなたがたに記載されている種を介した成長法によって作られたet al.201336。形態とナノ粒子の光学特性がよく特徴付けられる、たとえば光消光測定、走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して場合有利です。図 1は、代表ナノロッドの種類1のような測定から記録されたデータを表示します。

プロトコルの概要は以下のとおりです: 最初のセクションで円偏波に基づく光学ピンセットの構築について述べる。2 番目のセクションでその回転力学および散乱特性を記録することによってナノモータから情報を抽出する方法について述べる。ローテーションの頻度と捕捉粒子の回転ブラウン運動によって測定される光子相関分光法を用いた反射レーザー光高速単一ピクセル検出器3の直線偏光子で濾過します。理論的自己相関関数にデータを書き込むことによって回転周波数と回転ブラウン拡散の減衰時間は、抽出された2,3をすることができます。閉じ込められ回転ナノ粒子の光学特性は、粒子とその環境に関する補足情報を提供する暗視野分光法を用いた測定されます。3 番目のセクションでのトラッピングと金ナノロッドの回転実験手順をについて説明します。

ここまで説明されているプロトコルは、ナノ粒子の回転の機能偏光ピンセット システムへの簡単なパスです。しかし、時々 問題が発生する追加の注意を要求します。4 番目のセクションでは、我々 は発生した一般的な問題のいくつかとそれらに対処する方法を概説します。これらの貧しいトラップ安定性 (4.1) につながるナノ粒子の光学特性に関連する問題があります、最適な円偏光ビームスプリッター複屈折 (4.2) によって引き起こされるため回転周波数を低ガラス面にナノ粒子の付着不十分なクーロン斥力 (4.3) と特徴的な自己相関信号 (4.4) からの偏差。

Protocol

1 ナノ粒子回転用ピンセットを円偏波

  1. 辺りの適当な倒立顕微鏡を構築し、可視赤色波長レーザーを使用 (660 nm)。実験装置の概略図を図 2に示します。安定した出力とレーザー パワー最大 500 を選択してください mW (約 50 のサンプル平面上における発電 mW)。またトラップ レーザー波長にもコンポーネントの残りの部分を実行するを確認します。
  2. 0.95 と 40 倍の倍率の開口数 (NA) と乾燥系対物レンズを使用します。
  3. 常に安全ゴーグルを着用し、(特に非可視光レーザーを使用して) 場合に良いレーザー セキュリティを維持します。最小レーザー パワーでの配置を実行します。両方の安全のため、温度ドリフトや光路にほこりを避けるために全体のレーザーの経路をカプセル化します。
    注: レーザーの出力の偏光状態に応じて光学ピンセットは初期の光学部品として線形偏光板を配置することから寄与できます。レーザーの偏光は、線形が既にある場合は、このコンポーネントが省略できます。
  4. ビーム径がトラップの目的の後ろの絞りよりも少し大きめになるようレーザー ビームを展開するには、ケプラー式望遠鏡の構成 (図 2の下部のレンズ) で肯定的なレンズのペアを使用します。
    注: これにより、対物レンズの全体の NA の使用し、回折限界フォーカス トラップの11、最適なトラップ剛性の結果が生成されます。
  5. ビーム拡大器後トラッピング レーザー正しく平行光ことを確認します。これ、目的 (またはせん断の干渉計を用いた) を伝搬するとき梁サイズをそのまま閉じてください。
  6. キネマティック ミラー マウントにマウントされている 2 つのミラー (M1 と M22) を使用 (および必要に応じて翻訳段階)、顕微鏡のセットアップにレーザ光線を指示します。
    (注 1) は、レーザー ミラー、ビームスプリッター、波長板など光学要素を追加することができる顕微鏡の間十分なスペースを維持します。
    注 2: レーザーが眼や顕微鏡を終了する他のアクセス可能な光から離れて常にフィルターされていることを確認します。
  7. ビームスプリッターを使用 (50/50 部分透過/反射はここでは、使用されるが、二色性もうまく) カップル レーザー顕微鏡のセットアップで画像処理、計測機能を失うことがなく、客観的に光を顕微鏡の中。
  8. カメラが含まれます (図 2参照) 以降の実験的観察と記録データのセットアップで。眼のないシステムを使用している場合、これは配置のため不可欠です。
  9. スライド ガラスやミラーにレーザー焦点を当てます。レーザーは、整列し、正しい角度で目的に入る、上と下の焦点ポイントのフォーカスを変更するとき、レーザー強度パターンが放射状に対称です。
  10. (1.9 で説明) の最適なレーザーの配置を取得するレーザー ミラー (M1 および2 m 2) の角度を微調整します。
  11. レーザー光を偏光円。
    1. 目的に光パスに円偏光を直線偏光に変換する光レーザーの偏光に 45 ° で高速自転と指向波長板 (QWP;図 2では λ/4) を介してレーザを渡すサンプル平面。
    2. 360 ° 回転可能な直線偏光子との目的の前の電源メーターを設定します。
    3. 偏波を確認するには、直線偏光子を回転し、メジャーとマイナーの軸または偏波楕円に相当する最大と最小の電力に注意します。
      注: 比率は最適な回転性能の 0.9 より高いする必要があります。これに達していない場合は、手順 4.2 ソリューションを参照してください。
  12. サンプル面にレーザー出力を測定します。
    1. 光パワーメータを使用して、サンプル面にレーザー パワーをプローブします。捕集力の正しい測定の目的を通過したすべての光を収集するために世話をします。
    2. 出力レーザーの線形スイープを実行し、トラップの電力密度に後続の変換のサンプル面に対応する力を記録します。
  13. DF コンデンサーの可視化粒子とイベントのトラップを有効にするを浸漬オイルを用いた照明ケーラーで暗視野 (DF) システムを設定します。これは引っ掛けられた粒子のイメージング分光測定用となります。

2. 計装回転、回転ブラウン動力学と分光学的性質の測定

  1. 光子相関分光法単一ピクセル検出器を用いたします。
    1. ナノ粒子からの後方散乱光を抽出するために、光路にビームスプリッター (30R/70T) を挿入します。
    2. 高速シングル ピクセル Si フォト ダイオードを信号の記録を有効にするデータ集録カードに接続します。
      注: 予想される回転の周波数 (数十 kHz) を測定することがフォト ダイオード/DAQ を持つことが重要です。
    3. Xyで固定コレクション繊維上に光の焦点を合わせる-翻訳マウント。コレクション繊維の前に直線偏光子を挿入します。
    4. コレクション繊維配向基板を照らす光の出口の端に可視光をカップルします。これにより可視化と繊維のコレクション領域の解析。
    5. Xyを用いたファイバーの位置を調整する-翻訳をマウント、光学トラップの位置と一致する、コレクションの領域。繊維の出口の端を Si 検出器に接続し、収集バックを最大化するファイバーの位置が微調整散乱信号。
  2. 暗視野分光セットアップ。
    1. 注意サンプル ・興味のスペクトル範囲内で光を遮断しないために、分光器の間のパスのすべての光学部品を選択する必要がある覚えておいてください。
    2. 直接散乱や反射レーザー光分光センサーを損傷する可能性があります注意してください。適切なフィルターとダイクロイック ビームスプリッターを使用してレーザー光をブロックします。常に最小レーザー パワーでセットアップの配置を実行します。
    3. 光を分光計にリダイレクトする光パスのビームスプリッター/ミラーを挿入 (このプロトコルで空き領域の結合分析計が使用)。顕微鏡の 1 つの出力ポートを使用できる適切な場合。
    4. ノッチ フィルターを使用すると、強烈なトラップ レーザー光 (レーザーの波長で OD12 私たちのケースで十分な閉塞に必要であった合計のフィルター) を他の場合興味のナノ粒子のスペクトル応答を隠すを削除できます。
    5. ガイディング ・ ミラー (M1 と M22) によって光ピンセットの位置を調整するそれは分光器のスリットの位置と一致するようにします。
      注 1: 光学トラップの位置の変化光子相関測定システム (指示 2.1.4-2.1.5) の再編が必要になります。
      (注 2) 光学ピンセットの新しい位置指示 1.9 1.10 のも合わせ光トラップに達するために繰り返される必要があります。

3 実験手順

  1. 実験のため粒子の調製
    1. ・ ディ ・水の粒子を希釈します。ナノロッドの適切な濃度が 0.1 0.01 間の範囲内にする必要があります午後。2 分離れて可能な骨材を破るし、ソリューションを均質に超音波クリーナー風呂で希釈した溶液を超音波照射します。
    2. 複数の粒子の捕捉を避けるために希釈ナノロッドの濃度を調整します。実行される長い実験濃度は低くトラップ複数の粒子や汚染のリスクを減らすために必要です。
  2. サンプル セルの準備。
    1. 顕微鏡のスライドとアセトンとその後 5 分間超音波処理下イソプロパノール カバー ガラス (1.5 号) をそれぞれ洗ってください。
      注: 実験中にスライド ガラスの表面の電荷がコロイド状ナノ粒子として同じ極性を持っていることを確認します。界面活性剤ヘキサデシルトリメチル アンモニウム臭化 (CTAB) によって安定化されたナノ粒子は正に帯電します。
    2. スライド ガラスにも 100 μ m スペーサー テープを配置します。
    3. カバー ガラスと 2 μ L 内顕微鏡スライド上の希薄ナノ粒子溶液 2 μ L を分散します。両方の表面のソリューション サンプル セルのより制御可能なアセンブリできます。
    4. チャンバー内の空気の泡の形成を回避しながら一緒にサンプル セルの 2 つの部分を接続します。
    5. 顕微鏡ステージ上にセルを配置し、コンデンサーのサンプルと一滴の上に屈折率整合 (浸漬) オイルの滴を配置します。各側避ける気泡が光を散乱し、DF 照明のコントラストを低下させるオイルの滴。
  3. 実験を実行します。
    1. DF イメージング システムの観察を通して粒子を探します。単一ナノロッドは通常そのブラウン運動 (骨材に比べてより不安定) と色 (最強の LSPR 共鳴に対応) の観察によって識別されます。
    2. 開始/解除トラップ レーザー。
    3. 舞台上の動きやフォーカス修正の一連、レーザーの伝搬方向に水のガラス インターフェイスに放射圧によって選ばれた粒子をプッシュします。界面、 z-動きは、放射圧とナノ粒子表面に CTAB 分子および正荷電の表面の間のクーロン斥力のバランスによって制限されます。Xy-変動は光ピンセットでグラデーションの力によって限られています。
    4. 小さなフォーカス修正を通じて (3.4 の命令で後述) として自己相関データから正確に測るトラップ安定性や回転の速度を最大化します。
    5. この時点で、回転力学およびトラップのナノロッドの分光特性を記録します。これらを検出する方法は 3.4 と 3.5 の下の指示を参照してください。これは、最大で数時間必要な場合、時間の長時間にわたって行うことができます。
  4. 回転ダイナミクス計測。
    1. 常にその並進運動中に粒子の画像を囲むのに十分な大きさの繊維からコレクションの領域を持っていることを確認します。
    2. 適切なプローブ周波数およびコレクションの時に Si 受光素子と発振信号を収集強度。手始めに 65536 Hz と取得時間: 1 秒を選択し、必要に応じて調整します。
      注: 頻度を調査する必要があります少なくとも 2 つ (および最適 10) 検出回転対称 (N、次に見なさい) の程度を掛けた回転数より大きな回。コレクションの時間はローテーションの頻度よりかなり低い周波数を取得することができるのに十分な長さであるべきです。
    3. 回転ナノ粒子から強度ゆらぎデータのセットを収集後強度ゆらぎの相関を計算します。これは各遅延時間τの自身の時間遅れのコピーと信号の相関を計算することによって行われます (i.e.,C(τ) = {(τ) ·(0)})。
    4. 理論的自己相関関数にフィットを実行します。
      Equation 1
      0が平均強度、1 は強度ゆらぎの振幅で、N は検出可能な回転対称性 (棒状粒子 N = 2)2,3度。
    5. フィットから (回転ブラウン運動ダイナミクスに関連する) 自己相関信号τ0の回転周波数f腐敗と崩壊時間を抽出します。
  5. 分光学的測定値。
    1. 照明光を集めると、白い光のスペクトル ((λ)) を記録します。これは、高密度均一に表面にポリスチレンのビードを散乱と散乱応答を収集を分散させることによって行うことができます。
    2. 粒子がトラップされないときトラップ スポットで迷光を集めることによってバック グラウンド スペクトル (bkg(λ)) を記録します。
      注 1: 別のサンプル細胞およびサンプル内位置間背景のプロパティで大きく異なりますので、個々 の計測値の行うこの必要があります。
      注 2: バック グラウンド スペクトルの記録は、同じレーザー出力の光トラップの使用としての行ってください。これはスライド フォーカス高レーザー光強度によって励起されたガラスから任意の可能な自動蛍光を削除することができます。
    3. とき (暗い(λ))、ダーク スペクトルを記録器に来るすべての光を遮断します。((λ)) 引っ掛けられた粒子の生スペクトルを記録します。
    4. 実際ナノ粒子散乱スペクトルを計算することによってアクセスします。
      Equation 2
    5. LSPR ピーク位置に関する情報を抽出するには、金のバンド間遷移の線形補正項を含む bi ローレンツピークプロファイル フィット関数とエネルギー スケールで DF 散乱スペクトルを適合します。モデル関数を読み取ります。
      Equation 3
      Eはエネルギー、Bは基準強度、 k線形補正の斜面、が Γ半分のマキシマ (半値幅) とE0、iで全幅強度マキシマ二つのローレンツ峰のピーク位置。

4. トラブルシューティングと一般的な問題の解決策

  1. 金ナノロッドのプロパティに関連する問題。
    1. 貧しい捕捉安定性。
      1. 主な共鳴 (ナノロッドの場合通常縦共鳴) がトラップ レーザー波長の青色波長側にあることを確認します。されていない場合は、グラデーションの力に反発魅力的な37の代わりになります。
      2. ナノロッドのサイズが減少すると、ブラウンの変動の増加と同時に動き働くストークス抗力から安定力が低下します。ナノロッドがxyに十分な大きさを確保-力が不安定になるこれらを克服するために勾配力。
    2. 重複または広いスペクトルの特徴。
      1. 棒 LSPR のピークが十分を分離して個別に解決するための十分な大きさ縦横比を持っている必要があります (図 1b参照)。
        メモ: レーザ波長は長い棒の縦 LSPR 赤方偏移以来形状異方性の上限を置きます。
      2. ナノ粒子はこれは解析が複雑になりますので、表示領域における高次 LSPR モードをサポートしないように十分に小さいが望ましい。ナノ粒子の選択は、この考察と 4.1.1.2 の命令でトラップの安定性の問題との間のバランスです。
  2. トラップ レーザーの不十分な円偏光。
    注: 閉じ込められたナノ粒子の回転の最適なパフォーマンスを実現するには、試料面に到達するレーザー光がする円偏波。ビームスプリッターと他の光学部品は、偏光依存性、のみ QWP を使用して完全な円偏波を取得することは不可能であることをすることができます。
    1. ビームスプリッターの複屈折を補うために、パスに QWP 後半波長板 (HWP;図 2では λ/2) を挿入します。
    2. 直線偏光子とメーターの電源構成を設定し、(指示 1.11.2-1.11.3) のようにレーザーの偏光状態の解析を行います。
    3. 各位置は、QWP の 5 度の単位で、5 度の手順で全角度範囲 (90 °) において HWP を回転させるし、各位置のための電力比を測定します。最大値と最小電力比を最大化する QWP および HWP の角度を見つけるために努力します。
      注: 我々 の経験で最大と最小の力の最大比率だったなし 0.75 と HWP 補正 0.98。
  3. インターフェイスに付着粒子レーザー xyで粒子を制限する不十分な力の平面。
    1. 安定化制御 CTAB 濃度の洗浄手順とナノロッドの後続の再分散粒子による界面活性剤の濃度を調整します。
      1. ナノ粒子の原液を遠心分離機、粒子堆積物 (600 g 〜 5 分) まで。
      2. 懸濁液を削除します。
      3. 水に再分散します。これは、希釈原液の CTAB コンテンツです。
      4. 4.3.1.1 の手順を繰り返します。4.3.1.2。もう一度。
        注: CTAB はコロイドの安定化剤として機能するので、過剰なの遠心分離の時間と集計のリスク増加、CTAB で流されているので洗浄のステップが成功のスピードを避けてください。
      5. 元のコロイド溶液における CTAB 界面活性剤のほとんどが削除されますので、コロイド状に CTAB の新しい、よく制御された濃度を導入できます。私たちの経験から十分なクーロン斥力を生成する表面被覆率実験ソリューション濃度結果に CTAB と後続の DI 水希釈液 20 μ m の水に原液を分散します。
      6. CTAB 濃度の可能な微調整は、ナノ粒子の使用の特定のバッチのための適切な粒子/表面反発を作成に必要な場合があります。上記の手順を反復処理し、適切な 1 つを見つけるに CTAB 濃度が微妙に変わります。
    2. ガラス面の負電荷表面に洗浄します。
      注: この洗濯手順 2 D トラップ中に正と粒子の静電反発に作り、実験用ソリューションで無料の CTAB 分子で被覆が負荷電表面を生成します。
      1. 顕微鏡スライドを取るし、水の混合物と表面が目に見えて親水性になるまで約 10 分の 80 ° C に加熱する基本的な洗剤の 2 wt % できれい。
        注: は、多孔質ガラス表面を作るとこ汚染粒子の多数を作り出すので、あまりにも長いまたは厳しく、スライド ガラスの洗浄を避けてください。
  4. 光子相関分光法の問題。
    1. 強度振動やノイズの多い信号の振幅が小さい。
      1. コレクション ファイバー、レーザー光とブロック暗視野照明光を通る前にバンドパス フィルター (図 2の BP フィルター) を挿入します。
        注: 原則として、測定作品同様すべての光を集めるとき。ただし、偏光されていない白い光 DF を平面モードから効率的に励起し、ナノロッド光軸に垂直な平面で、その短い軸を中心に回転、これは垂直な方向のうち LSPR。このモードは回転中に任意の形状異方性を運ばないし、対雑音比測定の信号を減らすそれから光を集めるだけ。
    2. 自己相関関数の減衰を追加。
      1. コレクション光ファイバーのコアのサイズはすべて並進ブラウン運動のため、ツアーの中にナノ粒子のイメージを格納するのに十分な大きさであることを確認します。
      2. サイズが小さすぎてコアのファイバーを使用している場合、大きな 1 つを置き換えます。
      3. 手順 2.1.4-2.1.5 のように、新しい繊維の配置を確認します。

Representative Results

回転と円偏光レーザー ピンセットで捕捉されて正しく金ナノロッドの回転ブラウン運動は、シングル ピクセル検出器を用いた光散乱強度変動 (図 3 a) を記録することによって検出できます。この信号の自己相関スペクトルには、振動のコンポーネントには、図 3bに示すようが含まれています。これは、理論的な自己相関関数に合うことができます。継ぎ手は、ローテーションの頻度とナノロッドの回転ブラウン変動に関連している自己相関の減衰時間を抽出できます。

プロトコル (4.4.2 命令) で述べたように、光子相関分光法の反射レーザー光を収集するために十分に太い光ファイバーのコアの使用が不可欠です。場合はない場合は、プローブ ボリュームのうち粒子翻訳に関連する追加の崩壊という用語は相関関数に存在する、図 4を参照してください。これはシステムの詳細についてを提供できるを通じて慎重な分析ただし、データに含まれる回転ブラウン動力学の解析が複雑になります。

セクション 3.5 で説明されているように閉じ込められたナノ粒子から正しい DF 散乱スペクトルを取得、生のスペクトル データを校正する必要があります。これは、バック グラウンド スペクトル (図 5 a) と同様、照明ランプのスペクトルを記録することによって行われます。高強度レーザー光に対して、ナノロッドが閉じ込められて、基板などのガラス面に着目したときいくつかの蛍光が発生する可能性が (図 5 aのバック グラウンド スペクトルの赤いスペクトルの貢献を参照してください)。この蛍光汚染は、溶融石英基板を用いた削減できます。しかし、とにかく強くお勧め正しいレーザー パワーで空の光学ピンセットでバック グラウンド スペクトルを記録します。とき散乱スペクトルが記録され、スペクトルは、情報を抽出する bi ローレンツピークプロファイル フィット関数とエネルギー スケールで合うことができるため、実際のナノ粒子散乱に関連していないすべてのスペクトル成分を補償されている関連、LSPR ピーク位置 (図 5 b)。

Figure 1
図 1: SEM 像とアンサンブル絶滅スペクトルの 2 つのバッチから代表的なナノ粒子、)スケール バーは、200 nm。b)レッド/隣接の SEM イメージ、) それぞれ赤/青のスペクトルに対応します。横と縦の LSPRs に関連するスペクトルのピークが明確に区別できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2: ナノ粒子の回転の測定のための光ピンセット セットアップの模式図.レーザー光は平行しケプラー式望遠鏡で拡大し、その後 (M1, M2) 2 つの可動式ミラーを使用して客観的かつビームスプリッター (BS) に誘導。レーザーの経路に 2 波長板は、光学ピンセット (λ/4、λ/2) の円偏光を最適化します。後方散乱のレーザー光は、直線偏光子光子相関分光法と回転ダイナミクス計測後収集できます。レーザー光を取り出したら、散乱白色光が分光計やカメラに導かれます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3: カーブを持つ代表的な強度と相関データに適した閉じ込められ回転ナノロッド、) 。1 と変動の拡大のプロットの直線偏光子後単一ピクセル検出器によって記録された強度が変動します。b)反射レーザー光から収集された回転金ナノロッド (ブルー ポイント) の強度ゆらぎの Autocorrelated データ。データは、いくつかの期間の後崩壊の振動を示しています。振動減衰は回転ブラウン運動のために対し、ナノロッドの回転周波数に関連しています。A 理論的な自己相関関数にフィットを実行fの回転周波数を抽出する (赤い線) = 24285 ± 45 Hz と相関減衰時間τ0 = 40.9 ± 1.06 μ s。Fτ0の不確実性は、フィット、0.9877 の定量 (R2) の係数の 95% 信頼区間を表しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: の光子相関分光測定あまりにも小さなプローブ ボリュームの問題、) 。回転金ナノロッドの自己相関データ収集厚 (400 μ m、青いデータ) と、薄い (62.5 μ m、赤のデータ) を使用して光ファイバー。太い繊維を使用して、コレクションを保証、ナノロッドがプローブ ボリューム内で常に限られていることおよび自己相関関数が回転力学のみを測定します。並進ブラウン運動のため追加崩壊用語は、プローブ ボリュームが十分でない場合です。B)c)、効果の模式図と裏面照射型のコレクション領域の画像を表示します。スケール バーは、2 μ m.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 5
図 5: 660 nm のレーザー光により光捕捉された金ナノロッドの模範的な暗視野散乱スペクトル記録します。630 670 nm (1.85 1.97 eV) がトラップ レーザー光を遮断するために必要なノッチ フィルターにより歪んでスペクトルの地域。、)生散乱スペクトル (紺) 粒子の散乱に固有ではないのためにキャリブレーションする必要がありますの機能を表示します。高集束レーザー光によって励起された蛍光を含むバック グラウンド スペクトル (赤)、および白の光励起スペクトルが含まれます (オレンジ、ノッチ フィルターなしで記録された)。キャリブレーション後修正された散乱スペクトル (ライトブルー) は期待どおりに 2 つの異なる LSPR ピークを示しています。矢印は、各スペクトルのスケールを示します。b) (ライトブルー、オレンジ) 成分 (赤) bi ローレンツピークプロファイル モデル関数に合わせると共に閉じ込められたナノロッド (ブルー ポイント) の散乱スペクトル。データのフィッティングで歪んだスペクトル領域を無視して、フィットが 0.9975 のR2 .この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Discussion

このプロトコルで記述されている光学トラップのセットアップは商業倒立顕微鏡周辺や赤色レーザー光を使用しています。ただし、記載されている技術は多目的で、最も商業的または自作顕微鏡、両方直立周り円偏光ピンセットを構築し、反転とのわずかな変化に使用することができます。光学部品および検出器の残りの部分は、この特定の波長で機能する限り、ワイド表示-近赤外スペクトル内トラップ レーザー波長を選択できます。それにもかかわらず、レーザーの波長を選択すると、サイズと操作される粒子の共鳴スペクトル近く考慮すべき光捕捉力と回転性能25に影響があるので光熱効果1、およびトラッピング安定性26の大きさ。我々 は以前正常に 660, 785, 830、1064 nm のレーザー光の波長を用いた円偏波レーザー ピンセットで働いています。

光学トラップのセットアップの最も重要なコンポーネントの 1 つは、対物レンズです。このプロトコルの目的は NA と乾燥系対物レンズ = 0.95。乾燥系対物レンズの使用は実験的、セットアップの簡単な実現しかし、それは、サンプル細胞インターフェイスの屈折による収差に します。今回のケースでは、結果は回折限界 (~0.4 μ m) と比較してわずかに拡大フォーカス スポット (~1.2 μ m) が、これはプラットフォームの一般的なまたはロータリー パフォーマンス大幅変わりません。プリンシパル、顕微鏡対物レンズの広い範囲を使用、トラッピング波長、良い偏光メンテナンスおよび顕微鏡カバー スリップと水の層を介してトラップを実行するのに十分な長さの作動距離で良好な伝送を持って提供することができます。2 D トラップの場合 NA でき比較的低が実験全体が簡単になりますフォーカスで円偏波クリーナーを提供します。ただし、高いレーザー高 NA 対物の場合よりも必要があります。我々 の経験では、トラッピング、最高のパフォーマンスで回転と暗視野の分光は、NA 0.7-0.95 の目的で取得されますが高いと同様に低 NA の目標を使用することが可能です。

回転運動の相関測定良い光子を取得、高速単一ピクセル検出器が必要です。少なくとも 2 つの帯域幅を検出器の選択、シェープファクター縮退とトラッピング波長に高い感度を乗じた予想回転数以上できれば 10 回使用します。増幅された Si 受光素子、単一光子計数 Apd、および光電子増倍管は、当社の研究所で異なる設定で成功を収めて使用されています。計測・粒子の並進変位パワー スペクトル解析5など十分に確立された技術を使用して分析し、たとえばトラップ剛性上の追加情報を取得できます。以前の出版物の数は、この技術38,39の異なる亜種をについて説明します。DF 分光法は、様々 なフリー スペースを使用して実行できますまたはファイバー結合分光と選択計画の研究に必要な時間分解能の波長とスペクトルの範囲に基づく必要があります。

トラップ実験を実行すると、追加のパーティクルは誤ってトラップを入力可能性があります。これは、障害により強く変動回転周波数を監視することで検出できます。DF 顕微鏡による目視検査が追加の粒子の存在を確認する使用できます、その場合さらに妨害を避けるために舞台を移動できるまたは実験は、再起動する必要があります。

上記システムは、2 D の閉じ込めと金属ナノ粒子の回転を実現するためにシンプルかつ効率的な方法です。ただし、一部のアプリケーション、3 D トラップに付属している操作のための余分な自由度が重要ですは、現在の構成制限。ただし、3次元閉じ込めと回転可能性があります達成可能なレーザー ピンセットやエキゾチックなトラップ構成を反映するカウンターを用いた。

粒子とシステムのパラメーターは、ここで説明は、4~ 15 K の下に暖房光熱を減らすように最適化することができます。、温度上昇の金属ナノ粒子のプラズモン励起に関連付けられている特定の問題が発生することができます。アプリケーション。さらに熱を低減可能なルートは、プラズモニック粒子ではなく高指数誘電体ナノ粒子を使用することです。このような粒子は強い三重型散乱光の共振をサポートが、同時に低固有の吸収係数を示します。我々 は最近この点40,41に有用証明するかもしれないコロイド状共振 Si のナノ粒子を製造することができた。

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作品は、クヌートとアリス バレンベリー財団、スウェーデン研究評議会、事前ナノサイエンスとナノテクノロジーのチャルマーズ エリアによって支えられました。

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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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).
金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用
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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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