Waiting
Login processing...

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

Engineering

Bygging og drift av en lys-drevet gull Nanorod roterende systemet

Published: June 30, 2018 doi: 10.3791/57947
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Physics, Chalmers University of Technology

Summary

Plasmonic gull nanorods kan være fanget i væsker og rotert i kHz frekvenser med sirkulært polarisert optisk pinsett. Innføre verktøy for Brownian dynamics analyse og lys scatteringspectroscopy fører til et kraftig system for forskning og anvendelse i flere felt av vitenskap.

Abstract

Muligheten til å generere og måle rotasjon og dreiemoment på nanoskala er av grunnleggende interesse for studier og anvendelse av biologiske og kunstig nanomotors og gir nye ruter mot enkelt celle analyse, studier av ikke-likevekt termodynamikk og mekanisk aktivering av nanoskala systemer. En lettvint måte å drive rotasjonen er å bruke fokusert sirkulært polarisert laserlys i optisk pinsett. Bruker denne tilnærmingen, kan metallisk nanopartikler brukes som svært effektiv spredning-drevet roterende motorer spinning på enestående rotasjon frekvenser i vann.

Denne protokollen, vi skissere bygging og drift av sirkulært polarisert optisk pinsett for hydrogenion rotasjon og beskrive instrumentering nødvendig for registrering Brownian dynamikk og Rayleigh-spredning av fanget partikkel. Roterende bevegelse og til spredning spectra gir uavhengig informasjon om egenskapene til hydrogenion og sitt nærmiljø. Eksperimentell plattformen har vist seg nyttig som en nanoscopic måler viskositet og lokale temperatur, for å spore morfologiske endringer i nanorods og molekylære belegg, og som svinger og sonde photothermal og termodynamisk prosesser.

Introduction

Metodene i denne artikkelen replikerer brukes i vår forrige arbeid1 å studere nanoskala photothermal effekter påvirke lys-drevet gull nanorod roterende motorer. Varianter av eksperimentelle plattformen har blitt brukt i flere beslektede publikasjoner2,3,4,5,6,7,8, 9.

Optisk pinsett brukes for å kontrollere posisjon, kraft og lineær momentum overføring på små lengde skalaer i fysikk, biologi og engineering10,11,12,13,14 . Angular momentum båret av sirkulært polarisert lys kan brukes til flere bevegelseskontroll fordi det har kontinuerlig overføre dreiemoment til fanget objekter15. Ved å kombinere optisk lineær og angular momentum transport, er det da mulig å konstruere ikke-invasiv roterende nanomotors med potensial for forskjellige programmer, for eksempel narkotika-leveranser i enkeltceller16,17, nanoskala kirurgi18og aktive nanofluidics19, blant andre.

Ved hjelp av metalliske nanopartikler som gjenstand for lys drevet manipulasjon, kan en utnytte fordelene med lokaliserte overflaten plasmon resonanser (LSPR'S), som gir store optisk tverrsnitt, høy følsomhet miljøendringer og stort felt forbedringer20,21,22,23. Dette har ført til en rekke studier ved grensen mellom plasmonics og optisk manipulasjon,8,,24,,25,,26,,27. Sterkt lys-saken samspillet av LSPR har gitt oss til å utforme en plattform der sirkulært polarisert laser pinsett er i stand til å kjøre gull nanorods å spinne på posten rotasjon frekvenser i vann2. Ved å spore den Brownsk bevegelsen av en roterende nanorod, kan detaljert informasjon om miljøet og temperatur fås3,5. Samtidige spectroscopic analysen gir en uavhengig tilleggsinformasjon kanal analyse lokale temperaturen og morfologiske stabiliteten av roterende nanorod1. En rekke systemer og konfigurasjoner har blitt brukt for å studere og bruke roterende bevegelse i optisk pinsetter, genererer viktig innsikt i feltet15,28,29,30 , 31 , 32. men de fleste av disse studiene har håndtert objekter flere mikrometer i diameter mens et enkelt nanorod gir tilgang til nanometer størrelse regimet. Videre, når gold nanorods brukes som den roterende nanomotor, dreiemoment effektivt overføres hovedsakelig via spredning2,33. Dette reduserer risiko for overoppheting fanget partikkel3,34,35.

I følgende metoden skissere vi trinnene som kreves for å bygge et system effektiv optisk overlapping og rotasjon av metall nanopartikler. Gull nanorods vurderes i disse studiene har høy spredning tverrsnitt, og strålingstrykket viser seg for å være sterkere enn motvirke gradient kraft i retning forplantning. Hvis du vil likevel begrense partikler i 3D, benytter vi kraftbalansen mellom Coulomb frastøting fra en glassoverflate og laser spredning kraften i retning forplantning. Denne 2D-fangst konfigurasjonen utvider utvalget av oppfangbar partikler, sammenlignet med standard 3D optisk pinsetter, og det kan lett kombineres med mørk-feltet optisk tenkelig og spektroskopi.

En fanget og roterende metall hydrogenion samhandler med omgivelsene, og detaljert informasjon om denne samhandlingen finnes i bevegelse og spektrale egenskapene. Etter beskriver hvordan sirkulært polarisert optisk pinsett, skissere vi derfor også hvordan integrere instrumentering for undersøkelser roterende dynamics og måle Rayleigh-spredning spectra i eksperimentell oppsettet. Resultatet er en allsidig plattform for studier av nanoskala rotasjon fenomener i fysikk, kjemi og biologi.

Denne protokollen antar at forskeren har tilgang til passende kolloidalt metall nanopartikler, fortrinnsvis enkelt krystallinsk gull nanorods. Gull nanorods kan være kjøpt fra spesialiserte eller syntetisert i huset med våt-kjemi metoder. Nanorods brukes i vårt forsøk ble gjort av frø-mediert vekst metoden beskrevet i dere et al. 201336. Det er en fordel hvis morfologi og optiske egenskaper av nanopartikler blir godt preget, for eksempel bruke skanning elektronmikroskop (SEM) og optiske utryddelse målinger. Figur 1 viser data registrert fra slike målinger for representant nanorod typer1.

En disposisjon av protokollen er som følger: I den første delen, vi beskrive byggingen av optisk pinsett basert på sirkulær polarisering. I den andre delen beskriver vi hvordan å trekke ut informasjon fra nanomotor ved sin roterende dynamikk og spredning egenskaper. Rotasjon hyppigheten og roterende Brownsk bevegelse av fanget partikkel måles med Foton korrelasjon spektroskopi prosjektering backscattered laserlys filtrert gjennom en lineær polarisatoren på en rask én piksel detektor3. Ved å tilpasse dataene til en teoretisk autokorrelasjon funksjon, kan både rotasjon frekvensen og nedbrytning tiden på roterende Brownian spredningen være utdraget2,3. Den optiske egenskapene av det fanget og roterende hydrogenion måles med mørke felt spektroskopi, som gir utfyllende informasjon om partikkel og omgivelsene. I den tredje delen beskriver vi den eksperimentelle prosedyren for overlapping og rotasjon av gull nanorods.

Protokollen beskrevet hittil er en enkel bane til en fungerende sirkulært polarisert optisk pinsett system for hydrogenion rotasjon. Men oppstå noen ganger problemer som krever ekstra oppmerksomhet. I den fjerde delen skissere vi noen av de vanlige problemene som vi har støtt og løse dem. Dette omfatter problemer knyttet til hydrogenion optiske egenskaper fører til dårlig felle stabilitet (4.1), lav rotasjon frekvenser grunn suboptimal sirkulær polarisering forårsaket av beamsplitter birefringence (4.2), stikker av nanopartikler på glassplaten utilstrekkelig Coulomb frastøting (4.3) og avvik fra det karakteristiske autokorrelasjon signalet (4.4).

Protocol

1. sirkulært polarisert optisk pinsett for hydrogenion rotasjon

  1. Konstruere oppsettet rundt egnet invertert mikroskop og bruk en synlig rød-bølgelengde laser (660 nm). En skjematisk av eksperimentelle vises i figur 2. Sørg for å velge en laser med en stabil produksjon makt opp til 500 mW (produsere en strøm på prøven flyet av rundt 50 mW). Kontroller også at resten av komponentene prestere bra på overlapping laser bølgelengde.
  2. Bruk en tørr målet med en numerisk blenderåpning (NA) på 0,95 og 40 X forstørrelse.
  3. Alltid bruke vernebriller og opprettholde god laser sikkerhet (spesielt hvis bruker usynlige lasere). Utføre justering på minimum laser makt. Innkapsle hele laser banen for både sikkerhet og å unngå termisk drift og støv i lys banen.
    Merk: Avhengig av polarisering staten av produksjonen fra laseren, optisk pinsett kan ha nytte av å plassere en lineær polarisatoren som første optisk komponenten. Hvis polarisering av laser allerede er lineære, kan denne komponenten utelates.
  4. Bruk et par positiv linser i en Keplerian teleskop konfigurasjon (linser nederst på figur 2) å utvide laserstrålen slik at strålen diameter er litt større enn tilbake blenderåpning for overtrykk målsettingen.
    Merk: Dette gjør bruk av hele NA for målsettingen og vil produsere Diffraksjon begrenset fokus i fellen11, noe som resulterer i optimal overlapping stivhet.
  5. Kontroller at overtrykk laser er riktig collimated etter strålen expander. Dette kan gjøres ved å kontrollere strålen størrelsen er lukke til uendret ved overføring til målet (eller ved hjelp av en klippe interferometer).
  6. Bruk to speil (M1 og M2 i figur 2), montert på Kinematisk speil monterer (og om nødvendig, en oversettelse scene), direkte laserstrålen til mikroskopet oppsettet.
    Merk 1: Holde plass mellom laser speil og mikroskop for å legge til ekstra optiske elementer som waveplates og beamsplitters.
    Merknad 2: Kontroller at laser alltid er filtrert fra okulær eller noe annet tilgjengelig lys ut mikroskopet.
  7. Bruke en beamsplitter (50/50 delvis overføring/refleksjon er brukt her, men en dichroic kan også fungerer bra) i mikroskopet par laserlys til målsettingen, uten å miste bildebehandling og måling evne i mikroskopet oppsettet.
  8. Inkludere en kameraet (se figur 2) i oppsettet for påfølgende eksperimentelle observasjon og registrering av data. Hvis et system uten en okulær brukes, er avgjørende for noen justering.
  9. Fokusere laseren på et glass lysbilde eller et speil. Hvis laseren justeres og skriver inn målet i riktig vinkel, er laser intensitet mønsteret radiellt symmetrisk når du endrer fokus over og under fokuspunkt.
  10. Finjustere vinkler av laser speil (M1 og M2 i figur 2) for å få optimal laser justering (som beskrevet i 1,9).
  11. Sirkulært polarize laserlys.
    1. På lys banen til målet, passere laser gjennom en kvart-bølge plate (QWP, λ/4 i figur 2) orientert med sin raske akse på 45 ° til lineær polarisering av laser lys konvertere lineært polarisert lys til sirkulært polarisert lys i eksempel flyet.
    2. Definere en 360°-Roterbar lineær polarisatoren og en makt meter foran målet.
    3. Sjekk polarisering av roterende lineær polarisatoren og merke maksimum og minimum kraften, tilsvarer den overordnede og underordnede aksen eller polarisering ellipsen.
      Merk: Forholdet bør være høyere enn 0.9 for optimal rundløp ytelse. Hvis dette ikke nås, se trinn 4.2 for en løsning.
  12. Måle laser makt på prøven flyet.
    1. Bruk en optisk strømmåleren for å undersøke laser makt på prøven flyet. Ta vare for å samle alle lys gjennom målet for en riktig måle overlapping strøm.
    2. Utfør en lineær kurve på laser virkningsgrad og Registrer tilsvarende krefter på prøven flyet for påfølgende konvertering til tetthet i fellen.
  13. Sette opp en mørke felt (DF) system i Köhler nedsenket belysning med en olje DF kondensatoren for å aktivere visualisering av partikler og overlapping hendelser. Dette vil tillate både tenkelig og spektroskopiske målinger av det fanget nanopartikler.

2. instrumentering for målinger av rotasjon, roterende Brownian Dynamics og spektroskopiske egenskaper

  1. Foton korrelasjon spektroskopi bruker en enkelt piksel detektor.
    1. Sett inn en beamsplitter (30R/70T) i den optiske banen for å trekke ut backscattered lys fra hydrogenion.
    2. Koble en rask én piksel Si photodiode til et datakort oppkjøpet å aktivere opptak av signaler.
      Merk: Det er viktig å ha en photodiode/DAQ som kan måle roterende frekvensene forventet (flere titalls kHz).
    3. Fokusere lys på en samling fiber fast i en xy-oversettelse mount. Sett inn en lineær polarisatoren før samling fiber.
    4. For samling fiber justering, par synlig lys på exit slutten av fiber å belyse underlaget. Dette gir visualisering og analyse av regionen samling av fiber.
    5. Juster plasseringen av fiber bruke xy-oversettelse montere, slik at samlingen regionen sammenfaller med plasseringen av optisk fellen. Koble Avslutt slutten av fiber til Si-detektoren og finjustere plasseringen av fiber å maksimere samlet bak spredte signal.
  2. Mørke felt spektroskopi oppsett.
    1. Huske på at omsorg må tas å velge alle optisk komponenter i banen mellom samplingsfrekvens og spektrometer, for ikke å blokkere lys innen spectral interesse.
    2. Ta forsiktighet som direkte spredt og/eller reflektert laserlys kan skade spectrometer sensoren. Blokkere laserlys bruker riktig filtre og/eller dichroic beamsplitters. Alltid utføre justering av oppsettet på den minste laser makten.
    3. Sette inn en beamsplitter/speil i den optiske banen omadressere lys til spectrometer (i denne protokollen, en ledig plass kombinert spectrometer brukes). En av mikroskop utgang portene kan også brukes, hvis egnet.
    4. Bruk smalbåndfiltre for å fjerne intens overlapping laserlys (filterene av OD12 på laser bølgelengden var nødvendig for tilstrekkelig blokkering i vårt tilfelle), som i andre tilfelle vil skjule spectral svar hydrogenion rundt.
    5. Juster plasseringen av optisk pinsett av styrende speil (M1 og M2 i figur 2) så det faller sammen med plasseringen av slit spectrometer.
      Merk 1: Endringer i plasseringen av optisk fellen krever omstillingen av Foton korrelasjon målesystemet (instruksjoner 2.1.4-2.1.5).
      Merknad 2: På den nye plasseringen av optisk pinsett, instruksjoner 1,9-1.10 må gjentas til en godt justert optisk felle.

3. eksperimentelle prosedyren

  1. Forberedelse av partikler for eksperimenter.
    1. Fortynne partikler i DI-vann. En passende konsentrasjonen av nanorods bør være mellom 0,1-0.01 pM. Sonicate utvannet løsningen i ultralydbad med renere i 2 minutter å bryte fra hverandre mulig aggregater og homogenize løsning.
    2. Tune konsentrasjonen av nanorods i fortynning for å unngå overtrykk av flere partikler. Jo lenger eksperimentet som skal utføres, lavere konsentrasjon nødvendig for å redusere risikoen for overlapping flere partikler eller forurensing.
  2. Forberedelse for eksempel celle.
    1. Vask en microscope skyve og et cover glass (nr 1.5) i aceton og senere isopropanol under sonication i fem minutter, henholdsvis.
      Merk: Kontroller at overflaten ansvaret for objektglass under eksperimentet har samme polariteten som kolloidalt nanopartikler. Nanopartikler stabilisert av surfactant hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) er positivt ladet.
    2. Plass en 100 µm spacer tape på av objektglass.
    3. Spre 2 µL av utvannet hydrogenion løsningen på mikroskopet lysbildet i den godt og 2 µL på dekket glasset. Løsning på både flater gir en mer controllable samling for eksempel cellen.
    4. Koble de to delene av prøven cellen sammen samtidig unngå danner eventuelle luftbobler inne i kammeret.
    5. Plasser cellen på mikroskopet scenen og Plasser en dråpe indeks-matchet () neddyppingsolje på toppen av prøven og en dråpe på kondensatoren. DROPS på hver side unngå bobler i olje som sprer lyset og reduserer kontrasten i DF belysning.
  3. Utføre et eksperiment.
    1. Finn en partikkel gjennom observasjon i tenkelig DF-systemet. Et enkelt nanorod kan vanligvis identifiseres gjennom observasjon Brownsk bevegelse (mer ujevn enn aggregater) og farger (tilsvarende den sterkeste LSPR resonansen).
    2. Start/oppheve overlapping laser.
    3. Gjennom en serie av scenen bevegelse og fokus rettelser, presse valgte partikkel via strålingstrykket i av laser forplantning retning mot vann-glass grensesnittet. På grensesnittet, z-bevegelse er begrenset av en balanse mellom stråling trykk og Coulomb frastøting mellom CTAB molekyler på hydrogenion overflaten og positivt ladede overflaten. Xy-svingninger er begrenset av gradient styrker i optisk pinsett.
    4. Gjennom små fokus rettelser, maksimere overlapping stabilitet eller rotasjonen hastighet, gauged fra autokorrelasjon data (som beskrevet nedenfor i instruksjon 3.4).
    5. På dette punktet, registrere både roterende dynamics og spektroskopiske egenskapene til det fanget nanorod. Se instruksjoner 3.4 og 3.5 nedenfor om hvordan å undersøke dette. Dette kan gjøres over lengre perioder, opptil flere timer om nødvendig.
  4. Roterende dynamics målinger.
    1. Kontroller at du har en samling region fra fiber som er stor nok til å ta alltid bildet av partikkel under sin translasjonsforskning bevegelse.
    2. Samle intensitet oscillation signal med Si photodetector på en passende prøvende frekvens og samling tid. Velg 65536 Hz og 1 s oppkjøpet tid å starte med, og Juster om nødvendig.
      Merk: Sondering frekvens bør være minst to (og optimalt ti) ganger større enn rotasjon frekvensen multiplisert med graden av synlig rotational symmetri (N, se nedenfor). Samling tid skal være lang nok til å kunne få frekvenser betydelig lavere enn rotasjon frekvensen.
    3. Etter å ha samlet et sett med intensitet svingninger data fra en roterende hydrogenion, beregne autokorrelasjon intensitet svingninger. Dette gjøres ved å beregne korrelasjon av signalet med en forsinket kopi av seg selv for hver forsinkelse tid τ (i.e.,C(τ) = {jeg(τ) · Jeg(0)}).
    4. Utføre en plass til funksjonen teoretisk autokorrelasjon
      Equation 1
      N er graden av synlig rotational symmetri (for rod-like partikler N = 2)2,3hvor jeg0 er den gjennomsnittlige intensitet, jeg1 er amplituden til intensitet svingninger.
    5. Fra passer, ekstra rotasjon frekvens fråte og nedbrytning tiden av autokorrelasjon signal τ0 (relatert til roterende Brownsk bevegelse dynamics).
  5. Spektroskopiske målinger.
    1. Registrere en hvit lys spektrum (jeghvit(λ)) ved å samle lys lys. Dette kan gjøres ved tett spre jevnt spredning polystyren perler på en overflate og samle sin spredning respons.
    2. Registrere en bakgrunn spektrum (jegbkg(λ)) ved å samle spredt lyset i stedet overtrykk når en partikkel ikke er fanget.
      Merk 1: Dette bør gjøres for hver individuelle måling siden Bakgrunnsegenskaper kan variere betydelig mellom forskjellige utvalg celler og selv områder innenfor en prøve.
      Merknad 2: Opptak bakgrunn spectra bør gjøres for samme laser makt som brukes for optisk overlapping. Dette gjør det mulig å fjerne alle mulig auto-fluorescens fra av objektglass, opphisset av høy laser intensiteten i fokus.
    3. Registrere en mørke spektrum (jegmørk(λ)), når blokkerer alle lyset kommer til detektoren. Deretter Registrer en rå spekteret av en fanget hydrogenion (jegrå(λ)).
    4. Tilgang til faktiske hydrogenion spredning spekteret ved beregning
      Equation 2
    5. For å trekke ut informasjon om LSPR peak stillingene, passe DF spredning spekteret energi skala med bi-Lorentzian montering funksjon inkludert en lineær korreksjon sikt for interband overganger i gull. Funksjonen modellen lyder:
      Equation 3
      hvor E er energi, jegB er en planlagt intensitet, k stigningstallet for den lineære korreksjonen, jeggjørjeg er intensitet maxima, Γjeg full bredde på halv maxima (FWHM) og E0, jeg toppen plasseringen av de to Lorentzian toppene.

4. feilsøking og løsning å vanlig problemer

  1. Problemer knyttet til gull nanorod egenskaper.
    1. Dårlig overlapping stabilitet.
      1. Kontroller at den viktigste resonansen (vanligvis langsgående resonans i nanorods) er på blå bølgelengde side av overtrykk laser bølgelengde. Hvis ikke, gradient kraft blir frastøtende i stedet for attraktive37.
      2. Som en nanorod størrelse reduseres, bevegelse fra Brownian svingninger øker, og samtidig stabilisere kraften fra Stokes dra avtar. Sikre nanorods er stort nok til xy-gradient styrke til å overvinne disse destabiliserende styrker.
    2. Overlappende eller bred spectral funksjoner.
      1. Stenger må ha en stor nok størrelsesforholdet for LSPR topper skilles tilstrekkelig løses på individuelt (se figur 1b).
        Merk: Laser bølgelengden setter en øvre grense for figuren anisotropy, siden den langsgående LSPR redshifts for lengre stenger.
      2. Nanopartikler skal fortrinnsvis små nok til å ikke støtte høyere orden LSPR moduser i synlig regimet, siden dette kompliserer analysen. Hydrogenion utvalg er en balanse mellom denne vurderingen og overlapping stabilitet problemet i instruksjon 4.1.1.2.
  2. Utilstrekkelig sirkulær polarisering av overtrykk laser.
    Merk: For å oppnå den optimale ytelsen rotasjon av det fanget hydrogenion, laserlys nå prøven flyet bør være sirkulært polarisert. Beamsplitters og andre optisk komponenter kan være polarisering avhengige, som kan gjøre det umulig å oppnå perfekt sirkulær polarisering bruker bare en QWP.
    1. Sette inn en halv-bølge plate (HWP, λ/2 i figur 2) etter QWP i banen for å kompensere for beamsplitter birefringence.
    2. Angi lineær polarisatoren og makt meter konfigurasjonen og utføre en analyse av laser polarisering staten (som i instruksjonene 1.11.2-1.11.3).
    3. For hver posisjon i intervaller på fem grader av QWP, rotere HWP gjennom sin hele kantede området (90°) i trinn på fem grader og måle strøm ratio for hver posisjon. Forsøker å finne vinkler av QWP og HWP som maksimerer forholdet mellom maksimum og minimum strøm.
      Merk: I vår erfaring, maksimal forholdet mellom maksimum og minimum krefter var 0,75 uten og 0,98 med HWP korreksjon.
  3. Partikler stikker til grensesnittet på laser makt utilstrekkelig begrense partikler i xy-fly.
    1. Tune konsentrasjonen av stabilisere surfactant, gjennom en partikkel vaske prosedyren og påfølgende re spredning av nanorods i en kontrollert konsentrasjon av CTAB.
      1. Sentrifuge lager løsning av nanopartikler til partikler sedimentet (~ 5 min 600 g).
      2. Fjern suspensjon væsken.
      3. Nytt spre i vann. Dette dilutes CTAB innholdet av lager løsningen.
      4. Gjenta 4.3.1.1. og 4.3.1.2. igjen.
        Merk: Siden CTAB fungerer som kolloid stabiliserende agent, unngå overdreven sentrifugering tid og fart i etterfølgende vask trinnene siden risikoen for aggregering øker som CTAB er vasket bort.
      5. De fleste av CTAB tensider i den opprinnelige colloidal løsningen nå er fjernet og en ny, godt styrt, konsentrasjon av CTAB kan bli introdusert til kolloid. Fra vår erfaring, spre lager løsningen i vann med 20 µM CTAB og påfølgende DI-vann fortynning til eksperimentelle løsning konsentrasjonen resulterer i en dekning som produserer tilstrekkelig Coulomb frastøting.
      6. Mulig finjustering av CTAB konsentrasjonen kan være nødvendig å opprette riktige partikkel/overflaten frastøting for det detalj baksten av nanopartikler brukes. Gå det over fremgangsmåten, og litt endre CTAB konsentrasjon for å finne en riktig.
    2. Glassoverflaten vaske negativt kostnad overflaten.
      Merk: Denne vask prosedyren gir en negativt ladde overflate som vil være belagt med gratis CTAB molekyler i eksperimentell løsningen gjør det positive og elektrostatisk frastøtende for partikkel under 2D overlapping.
      1. Ta en microscope skyve og rengjør det i en blanding av vann og 2 wt % av grunnleggende vaskemiddel oppvarmet til 80 ° C i ca 10 minutter til overflaten er synlig hydrofile.
        Merk: Unngå vaske glass lysbilder for lang eller hardt, siden dette kan gjøre glassoverflaten porøse og produserer en rekke forurensning partikler.
  4. Problemer med Foton autokorrelasjon spektroskopi.
    1. Lav amplituden av intensitet svingninger eller støyende signal.
      1. Sette inn et båndpassfilter (BP filter i figur 2) før samling fiber, som sender laserlys og blokker mørke felt belysning lys.
        Merk: I prinsippet måling fungerer når alle lett også. Men unpolarized hvitt lys DF belysning effektivt interesserer av fly moduser, og siden en nanorod roterer om sin korte akse i et skjæringsplanet til den optiske aksen, dette er ute av flyet tverrgående LSPR. Denne modusen bærer ikke noen form anisotropy under rotasjon og samle lys fra den bare reduserer signal / støyforhold målingen.
    2. Ekstra forfall i autokorrelasjon funksjon.
      1. Kontroller at kjernen samling fiber er stort nok til bildet av hydrogenion under hele sin utflukter på grunn av translasjonsforskning Brownsk bevegelse.
      2. Hvis en fiber for liten kjernen størrelse brukes, kan du erstatte den med en større.
      3. Kontroller justeringen av nye fiber, som i instruksjonene for 2.1.4-2.1.5.

Representative Results

Rotasjon og roterende Brownsk bevegelse av en gull nanorod som er riktig fanget i sirkulært polarisert laser pinsett kan bli undersøkt ved lysspredning intensitet svingninger (figur 3a) bruker en enkelt piksel detektor. En autokorrelasjon spekteret av signalet inneholder en oscillasjon komponent, ligner på den som vises i figur 3b. som kan passe til en teoretisk autokorrelasjon funksjon. Montering tillater utvinning av rotasjon hyppigheten og autokorrelasjon nedbrytning tiden, som er relatert til roterende Brownian svingninger, nanorod.

Som nevnt i protokollen (instruksjon 4.4.2), er det viktig å bruke en tilstrekkelig tykke fiber kjerne for å samle backscattered laserlys for Foton korrelasjon spektroskopi. Hvis dette ikke er tilfelle, vil en ekstra forfall sikt knyttet til partikkel oversettelse av sonden volumet i funksjonen korrelasjon, se Figur 4. Gjennom forsiktig analyse, kan dette gi mer informasjon om systemet; men kompliserer det analyse av roterende Brownian dynamikken i dataene.

For å få riktig DF spredning spectra fra fanget nanopartikler, som beskrevet i Seksjon 3.5, må spectral rådata kalibreres. Dette gjøres ved å registrere belysning lampen spekteret som en bakgrunn spektrum (figur 5a). Når du fokuserer intens laserlys på en glassoverflate som underlaget som nanorods er fanget, noen fluorescens kan genereres (se røde spectral bidrag i bakgrunnen spekteret av figur 5a). Denne fluorescens forurensning kan reduseres ved hjelp av smeltet silica underlag. Men uansett anbefales å registrere en bakgrunn spektrum med Tom optisk pinsett på riktig laser makt. Når en spredning spektrum registreres og alle spectral komponenter ikke relatert til faktiske hydrogenion spredning har blitt byttet ut, spekteret kan monteres i energi skala med bi-Lorentzian montering funksjon trekke ut informasjon relatert til den LSPR toppen posisjoner (figur 5b).

Figure 1
Figur 1: SEM bilder og ensemble utryddelse spectra for to representant hydrogenion batcher. en) Skala bar er 200 nm. b) blå/rød grenser SEM bilder i en) tilsvarer rød/blå spekteret, henholdsvis. Spectral toppene knyttet til transverse og langsgående LSPRs er klart kan skilles. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: skjematisk illustrasjon av optisk pinsett oppsett for hydrogenion rotasjon målinger. Laserlys er collimated og utvidet gjennom Keplerian teleskop, og deretter ledet til målet ved hjelp av to bevegelige speil (M1, M2) og en beamsplitter (BS). To waveplates i laser banen optimalisere sirkulær polarisering av optisk pinsett (λ/2, λ/4). Backscattered laserlys kan samles etter en lineær polarisatoren for Foton korrelasjon spektroskopi og roterende dynamics målinger. Etter fjerner laserlys, er spredte hvitt lys guidet til et spektrometer eller et kamera. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: representant intensitet og autokorrelasjon data med kurve passer for en fanget og roterende nanorod. en) Intensitet svingninger registrert av enkelt piksel detektoren etter en lineær polarisatoren 1s og en zoomet i tomt svingninger. b) Autocorrelated data intensitet svingninger for en roterende gull nanorod (blå poeng), samlet fra backscattered laserlys. Dataene viser en svingning som henfaller etter noen perioder. Oscillation er knyttet til rotasjon frekvensen av nanorod, mens forfallet er roterende Brownsk bevegelse. A passer til funksjonen teoretisk autokorrelasjon utføres (rød linje) å trekke ut en rotasjon frekvens f = 24285 ± 45 Hz og en sammenheng forfalle tid τ0 = 40.9 ± 1.06 µs. F og τ0 usikkerhet representerer 95% konfidensintervall på plass, som har en koeffisient av bestemmelse (R2) av 0.9877. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: problemet med for liten sonde volum i Foton korrelasjon spektroskopi målinger. en) Autokorrelasjon dataene for en roterende gull nanorod, samlet med en tykk (400 µm, blå data) og en tynn (62.5 µm, røde data) fiber. Samlingen med en tykk fiber sikrer at nanorod er alltid begrenset i sonde volumet og at funksjonen autokorrelasjon måler roterende dynamics bare. En ekstra forfall sikt på grunn av translasjonsforskning Brownsk bevegelse er til stede når sonde volumet er tilstrekkelig. I b) og c), skjematisk illustrasjoner av effekten og bilder av regionen rygg-opplyste samling vises. Skala barer er 2 µm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: eksemplarisk mørke felt spredning spectra registrert for en gull nanorod optisk fanget av 660 nm laserlys. Spectral regionen 630-670 nm (1,85-1.97 eV) er forvrengt skyldes hakk filtre for å blokkere laserlys overlapping. en) rå spredning spectra (mørk blå) viser funksjoner som ikke er iboende til spredning av partikkel og bør kalibreres. Disse inkluderer bakgrunn spekteret (rød), som inneholder autofluorescence opphisset av den svært fokusert laserlys, og hvitt lys eksitasjon spekteret (oransje, registrert uten støyfilter). Etter kalibrering viser den korrigerte spredning spektret (lys blå) to distinkte LSPR topper som forventet. Pilene angir skalaen for hver spektrum. b) spredning spektrum for en fanget nanorod (blå poeng) sammen med en tilpasning til bi-Lorentzian modell-funksjonen (rød) med komponentene (lys blå og oransje). Forvrengt spectral regionen ignoreres i montering av dataene og passer har en R2 av 0.9975. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Optisk overlapping oppsettet beskrevet i denne protokollen er bygget rundt kommersielle invertert mikroskop og bruker rød laserlys. Imidlertid teknikker skissert er allsidig og kan brukes til å konstruere sirkulært polarisert optisk pinsett rundt mest kommersielle eller hjemme-bygget mikroskoper, begge oppreist og invertert, bare med små endringer. Overlapping laser bølgelengden kan velges i en bred synlig-NIR spekteret, som resten av optisk komponentene og detektorer er funksjonell for dette bestemt bølgelengde. Likevel, når du velger en laser bølgelengde, størrelse og spectral nærhet resonanser av partikler kan manipuleres anses fordi dette vil påvirke optisk overlapping styrker og rotasjon ytelse2,5, omfanget av photothermal effekter1og overlapping stabilitet26. Tidligere har vi har jobbet med sirkulært polarisert laser pinsett bruker laser bølgelengder av 660, 785, 830 og 1064 nm.

En av de viktigste komponentene for optisk overlapping er mikroskop målet. Målet i denne protokollen er en tørr målsetting med NA = 0.95. Bruk av en tørr målsetting er eksperimentelt enklere realisering av oppsettet; men fører det til optiske avvik på grunn av lysbrytning i eksempel celle grensesnitt. I denne saken er resultatet en litt forstørret fokus spot (~1.2 µm) sammenlignet Diffraksjon grensen (~0.4 µm), men dette ikke vesentlig endrer generelle eller roterende ytelsen til plattformen. I prinsippet, kan en rekke mikroskop mål brukes, forutsatt at de har god overføring ved overlapping bølgelengde, god polarisering vedlikehold og lang nok arbeidsavstand utføre overlapping gjennom et mikroskop cover slip og laget av vann. Ved 2D overlapping, kan NA være relativt lav, som gjør hele eksperimentet enklere og gir renere sirkulær polarisering i fokus. Imidlertid kan høyere laser makt være nødvendig enn ved en høy NA målsetting. I vår erfaring, den beste ytelsen for overlapping, rotasjon og mørke felt spektroskopi er oppnådd med målene NA 0,7-0.95, men det er mulig å bruke lavere samt høyere NA mål.

For å få god Foton korrelasjon målinger av roterende bevegelse, er en rask én piksel detektor nødvendig. Velg en detektor med en båndbredde minst to, fortrinnsvis ti, ganger høyere enn forventet rotasjon frekvensen multiplisert med figuren degenerasjon faktor og høy følsomhet på overlapping bølgelengden brukes. Forsterket Si photodetectors, enkelt Foton teller APDs, og PMTs har blitt brukt med suksess i forskjellige oppsett i våre laboratorier. Tilleggsinformasjon, for eksempel på felle stivhet, kan fås ved å måle og analysere partikkel translasjonsforskning forskyvning med veletablerte teknikker som makt spektral analyse5. En rekke tidligere publikasjoner beskriver forskjellige varianter av denne teknikken38,39. DF spektroskopi kan utføres ved hjelp av en rekke gratis-plass eller fiber kombinert spektrometre, og valget bør være basert på spectral utvalg og bølgelengde og midlertidig løsning nødvendig for planlagte studien.

Når du utfører en overlapping eksperiment, kan ekstra partikler tilfeldigvis angi fellen. Dette kan oppdages ved å overvåke rotasjon frekvensen, som vil variere sterkt på grunn av forstyrrelse. Visuell inspeksjon av DF mikroskopi kan brukes til å bekrefte tilstedeværelse av en ekstra partikkel, da scenen kan flyttes for å unngå ytterligere forstyrrelser eller eksperimentet må startes.

Systemet beskrevet ovenfor er en enkel og effektiv måte å realisere 2D confinement og rotasjon av metallisk nanopartikler. Men for enkelte programmer, den ekstra grad av friheten for manipulasjon som følger med 3D overlapping er viktig, og den gjeldende konfigurasjonen er derfor en begrensning. 3D confinement og rotasjon kan imidlertid være oppnåelig ved å benytte counter spre laser pinsett eller mer eksotiske overlapping konfigurasjoner.

Selv om parameterne partikkel og systemet omtalt her kan optimaliseres for å redusere photothermal oppvarming til under ~ 15 K4, kan temperaturøkningen knyttet plasmonic magnetisering av metall nanopartikler være problematisk i visse programmer. En mulig rute mot videre varme reduksjon er å bruke høy-indeks dielektrisk nanopartikler istedenfor plasmonic partikler. Slike partikler støtter sterk Mie-type spredning resonanser, men samtidig viser lav iboende absorpsjon koeffisienter. Vi har nylig vært i stand til å produsere kolloidalt resonans Si nanopartikler som kan være nyttige i denne respekt40,41.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Knut og Alice Wallenberg Foundation, svenske forskningsråd og Chalmers området forhånd nanovitenskap og nanoteknologi.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Gold nanoparticles Purchased or home-grown
Commersial inverted microscope Nikon Eclipse TI
Trapping laser Cobolt Flamenco 05-01  660 nm
Objective Nikon CFI Plan Apo Lambda 40X
Laser safety googles Thorlabs LG4
Assorted optomechanical components for mounting optics. A range of mounts, posts and components from any company
Lens 1 Keplarian telescope Thorlabs AC254-035-A-ML
Lens 2 Keplarian telescope Thorlabs LA1725-A-ML
Silver coated mirrors Thorlabs PF10-03-P01
Kinematic mirror mounts Thorlabs KM100
Translation stage Thorlabs PT1/M Quantity: 2
50/50 R/T Beamsplitter Chroma 21000
CMOS camera Andor Zyla 5.5
Quarter waveplate (QWP, λ/4) Thorlabs AQWP05M-600
Power meter Thorlabs PM100USB
Photodiode Power Sensors Thorlabs S121C
Linear polarizer Thorlabs LPVIS050 For laser polarization measurement
360° rotation mount Thorlabs RSP1/M
Half waveplate (HWP, λ/2) Thorlabs AHWP05M-600 Used if polarization is not sufficient with only QWP
Oil DF condenser Nikon C-DO Dark Field Condenser Oil 
30/70 R/T Beamsplitter Chroma 21009
Fast Si detector Thorlabs PDA36A-EC
Data Acquisition Module National Instruments USB-6361
Fiber 400 µm core size Thorlabs M74L01
xy-translation mount Thorlabs LM1XY/M
Linear polarizer Thorlabs LPVIS050
Spectrometer Princeton Instruments  IsoPlane SCT320 
CCD camera for spectrometer Princeton Instruments  PyLoN 
Notch filter Semrock NF03-658E-25
Notch filter Thorlabs NF658-26
Ultrasonic cleaner bath Branson Branson 3510 
Microscope slide Ted Pella 260202
No. 1.5 Coverslips VWR 630-2873
Aceton
Isopropanol
Basic detergent Hellma Hellmanex III Cleaning if particle sticking is an issue
Secure-Seal Spacer Thermo Fisher S24735 Spacer tape with hole, for making sample cell
Immersion Oil Zeiss 444960-0000-000 
PS beads Microparticles GmbH PS-R-5.0
Spectrophotometer Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR
SEM Zeiss Ultra 55 FEG SEM
Tweezers Any brand

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Engineering problemet 136 optisk rotasjon nanomotors plasmonics optisk pinsett Brownian bevegelse photothermal effekter LSPR spektroskopi
Bygging og drift av en lys-drevet gull Nanorod roterende systemet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Andrén, D., Karpinski, P.,… 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