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Engineering

Construção e operação de um sistema de Motor controlado por luz ouro Nanorod Rotary

doi: 10.3791/57947 Published: June 30, 2018

Summary

Plasmônico nanorods ouro pode ser preso em líquidos e girado em frequências kHz usando Pinça óptica circularmente polarizada. Introdução de ferramentas de análise dinâmica Brownian e scatteringspectroscopy luz leva a um poderoso sistema para pesquisa e aplicação em inúmeros campos da ciência.

Abstract

A possibilidade de gerar e medir a rotação e o torque em nanoescala é de interesse fundamental para o estudo e a aplicação de nanomotores artificiais e biológicos e pode fornecer novas rotas para análise de célula única, estudos de não-equilíbrio termodinâmica e mecânico acionamento dos sistemas de escala nanométrica. Uma forma de rotação do disco é usar concentrado de luz laser circularmente polarizada em Pinça óptica. Usando essa abordagem, nanopartículas metálicas podem ser operadas como altamente eficientes motores rotativos orientado a dispersão, girando em frequências de rotação sem precedentes na água.

Neste protocolo, podemos delinear a construção e operação da pinça óptica circularmente polarizada para rotação de nanopartículas e descrever a instrumentação necessária para a gravação a dinâmica Brownian e a dispersão de Rayleigh da partícula presa. O movimento rotacional e os espectros de dispersão fornece informações independentes sobre as propriedades da nanopartículas e seu ambiente imediato. A plataforma experimental tem sido útil como um indicador de nanoscópico de viscosidade e temperatura local, para acompanhamento de alterações morfológicas nanorods e revestimentos moleculares e como um transdutor e sonda de fototérmicos e processos termodinâmicos.

Introduction

Os métodos apresentados neste artigo Replica aqueles usados no nosso anterior trabalho1 para estudar a nanoescala originando efeitos influenciando orientado a luz ouro nanorod motores rotativos. Variantes da plataforma experimental tem sido utilizado em várias publicações relacionadas2,3,4,5,6,7,8, 9.

Pinça óptica é amplamente utilizada para controlar a transferência de posição, força e momento linear em escalas de comprimento pequeno em física, biologia e engenharia10,11,12,13,14 . Momento angular, levado pela luz circularmente polarizada pode ser empregado para controle de movimento adicionais porque isso continuamente transferir o torque para objetos presos15. Combinando ótica transferência linear e momento angular, então é possível construir invasivo nanomotores giratório com potencial para diversas aplicações, tais como entrega de drogas em células únicas16,17, nanoescala cirurgia de18e ativo nanofluidics19, entre outros.

Por meio de nanopartículas metálicas como objecto de manipulação conduzida luz, um pode explorar as vantagens de ressonâncias de plasmon de superfície localizadas (LECC), que fornecem grandes seções Cruz óticas, alta sensibilidade às mudanças ambientais e campo grande Aprimoramentos de20,21,22,23. Isto levou a uma grande variedade de estudos na fronteira entre plasmonics e manipulação óptica8,24,25,26,27. A forte interação luz-matéria fornecida pelo LECC nos permitiu projetar uma plataforma onde pinça circularmente polarizada do laser é capaz de conduzir nanorods ouro que giram em frequências de rotação recorde na água2. Seguindo o movimento browniano de uma rotação nanorod, informações detalhadas sobre seu ambiente e a temperatura podem ser obtidas de3,5. Análise espectroscópica simultânea fornece um canal de informação adicional independente para análise da temperatura local e a estabilidade morfológica do giro nanorod1. Uma gama de configurações e sistemas têm sido utilizados para o estudo e aplicação de movimento rotativo em Pinça óptica, gerando insights importantes dentro do campo,15,28,29,30 , 31 , 32. no entanto, a maioria destes estudos lidaram com objetos vários micrômetros de diâmetro enquanto um único nanorod dá acesso ao regime de tamanho de nanômetros. Além disso, quando ouro nanorods são usados como o nanomotor giratório, torque é eficientemente transferidos principalmente através do espalhamento2,33. Isso diminui o risco de superaquecimento da partícula presa3,34,35.

No método a seguir, descrevem as etapas necessárias para construir um sistema capaz de trapping óptico eficiente e rotação de nanopartículas de metal. Os ouro nanorods considerados nestes estudos têm alto espalhamento seções transversais, e a pressão de radiação acaba por ser mais forte que a força de gradiente de luta contra a direção de propagação. Confinar as partículas em 3D ainda, nós utilizamos o força de equilíbrio entre a repulsão de Coulomb de uma superfície de vidro e a força de dispersão de laser na direção de propagação. Esta configuração 2D retêm grandemente expande a gama de partículas interceptáveis, em comparação com a Pinça óptica 3D padrão, e pode ser facilmente combinada com espectroscopia e imagem latente ótica de campo escuro.

Uma presa e rotativa nanopartículas de metal interage com seu ambiente, e informações detalhadas sobre essa interação estão contidas em seu movimento e propriedades espectrais. Após descrever como construir a Pinça óptica circularmente polarizada, portanto, também descrevem como integrar instrumentação para sondagem dinâmica rotacional e para medir a dispersão de Rayleigh espectros na instalação experimental. O resultado é uma plataforma versátil para estudos de fenômenos de rotação nanoescala em física, química e biologia.

Este protocolo assume que o pesquisador tem acesso adequados nanopartículas de metal coloidal, de preferência único nanorods ouro cristalino. Nanorods ouro pode ser comprado de empresas especializadas ou sintetizados em casa usando métodos molhado-química. Os nanorods usadas em nossos experimentos foram feitos pelo método semente-mediada do crescimento descrito em Ye et al 201336. É vantajoso se a morfologia e propriedades ópticas das nanopartículas são bem caracterizadas, por exemplo, utilizando microscopia eletrônica de varredura (SEM) e medições ópticas de extinção. Figura 1 exibe dados gravados a partir de tais medições para tipos de representante nanorod1.

Um esboço do protocolo é a seguinte: na primeira seção, descrevemos a construção da pinça óptica baseada na polarização circular. Na segunda seção, descrevemos como extrair informações do nanomotor gravando suas propriedades de espalhamento e dinâmica rotacional. A frequência de rotação e o movimento browniano rotacional da partícula presa é medido usando espectroscopia de correlação de fótons por projetando luz de laser retroespalhados filtrada através de um polarizador linear em um único pixel rápido detector3. Encaixando os dados para uma função de autocorrelação teórica, tanto a frequência de rotação e o tempo de decaimento de difusão browniana rotacional podem ser extraído de2,3. As propriedades ópticas da presa e rotação de nanopartículas são medidas usando espectroscopia de campo escuro, que fornece informações complementares sobre a partícula e seu ambiente. Na terceira seção, descrevemos o procedimento experimental para a caça com armadilhas e rotação de ouro nanorods.

O protocolo descrito até agora é um caminho simples para um sistema funcional de Pinça óptica circularmente polarizada para rotação de nanopartículas. No entanto, às vezes surgir questões que atenção adicional de demanda. Na quarta seção, descrevem alguns dos problemas comuns que encontramos e como endereçá-los. Estas incluem questões relacionadas com nanopartículas propriedades ópticas levando a estabilidade pobre armadilha (4.1), baixas frequências de rotação, devido à qualidade inferior polarização circular causada por refletores birrefringência (4.2), colagem de nanopartículas na superfície de vidro devido a repulsão de Coulomb insuficiente (4.3) e o desvio do sinal característico de autocorrelação (4.4).

Protocol

1. circularmente polarizada Pinça óptica para rotação de nanopartículas

  1. Construir a configuração em torno de um microscópio invertido adequado e use um laser visível de comprimento de onda vermelho (660 nm). Um esquema da instalação experimental é apresentado na Figura 2. Certifique-se de escolher um laser com uma saída estável de potência até 500 mW (produzindo uma potência no plano de amostra de cerca de 50 mW). Também assegurar que o resto dos componentes bem o comprimento de onda do laser de armadilhagem.
  2. Use um objectivo seco com uma abertura numérica (NA) de ampliação de X 0.95 e 40.
  3. Sempre use óculos de segurança e manter a segurança de laser boa (especialmente se estiver usando lasers não-visíveis). Execute alinhamento sobre a potência mínima do laser. Encapsule o caminho inteiro do laser para ambos segurança e para evitar a deriva térmica e poeira no caminho de luz.
    Nota: Dependendo do estado de polarização da saída do laser, a Pinça óptica poderia beneficiar da colocação de um polarizador linear como o componente óptico inicial. Se a polarização do laser já é linear, este componente pode ser omitido.
  4. Use um par de lentes positivas em uma configuração de telescópio de Kepler (lentes na inferior da Figura 2) para expandir o feixe de laser, tal que o diâmetro do feixe é ligeiramente maior do que a abertura traseira do objectivo da caça com armadilhas.
    Nota: Este permite usa do at inteira do objectivo e produzirá um foco de difração limitada da armadilha11, resultando em rigidez de armadilhagem ideal.
  5. Certifique-se que o laser de interceptação é colimado corretamente após o expansor de feixe. Isso pode ser feito, certificando-se que o tamanho do feixe é fechar a inalterado ao propagar para o objetivo (ou usando um interferômetro de corte).
  6. Use dois espelhos (M1 e M2 na Figura 2), montados em montagens de cinemática espelho (e, se necessário, um estágio da tradução), para direcionar o feixe de laser na configuração do microscópio.
    Nota 1: Manter espaço suficiente entre os espelhos do laser e microscópio para ser capaz de adicionar elementos ópticos adicionais tais como waveplates e beamsplitters.
    Nota 2: Certifique-se que o laser é sempre filtrado longe a ocular ou qualquer outra luz acessível saindo o microscópio.
  7. Usar um refletor (50/50 transmissão parcial/reflexão é usado aqui, mas um dicroicas poderiam também funcionar bem) dentro do microscópio de luz para o objetivo, sem perder a capacidade de geração de imagens e medição na configuração do microscópio do laser do casal.
  8. Incluir uma câmera (ver Figura 2) no setup para posterior Observação experimental e para gravação de dados. Se for utilizado um sistema sem um ocular, isto é vital para qualquer alinhamento.
  9. Concentre-se o laser sobre uma lâmina de vidro ou um espelho. Se o laser está alinhado e entra o objetivo em um ângulo correto, o padrão de intensidade do laser é radialmente simétrico quando se muda o foco, acima e abaixo do ponto focal.
  10. Ajuste os ângulos dos espelhos do laser (M1 e M2 na Figura 2) para obter o alinhamento ideal do laser (conforme descrito em 1,9).
  11. Circularmente polarize a luz do laser.
    1. No caminho da luz o objetivo, passar o laser através de uma placa de quarto de onda (QWP; λ/4 na Figura 2) orientada com seu eixo rápido a 45 ° para a polarização linear do laser luz para converter a luz linearmente polarizada em luz circularmente polarizada em o avião de amostra.
    2. Configure um polarizador linear rotativo de 360° e um medidor de energia na frente do objetivo.
    3. Verificar a polarização girando o polarizador linear e observando o poder máximo e mínimo, correspondente ao eixo principal e secundária ou a elipse de polarização.
      Nota: A relação deve ser superior a 0,9 para desempenho ideal de rotação. Se isso não for alcançado, consulte Etapa 4.2 para uma solução.
  12. Medir a potência do laser para o plano de amostra.
    1. Use um medidor de potência óptica para sondar a potência do laser para o plano de amostra. Cuide-se para recolher toda a luz que atravessou o objectivo para uma correta aferição do poder de interceptação.
    2. Executar uma varredura linear das potências de saída do laser e gravar os poderes correspondentes no plano de amostra para posterior conversão de densidade de potência na armadilha.
  13. Criar um sistema de campo escuro (DF) em Köhler iluminação usando um óleo imerso condensador DF para habilitar a visualização de partículas e eventos de captura. Isto permitirá medições de imagem e espectroscópicas das nanopartículas presas.

2. instrumentação para medição de rotação, rotação dinâmica Brownian e propriedades espectroscópicas

  1. Espectroscopia de correlação de fótons usando um detector de single-pixel.
    1. Insira um refletores (30R/70T) o trajeto ótico para extrair luz retroespalhado das nanopartículas.
    2. Conecte um fotodíodo de Si rápido single-pixel para uma placa de aquisição de dados para habilitar a gravação de sinais.
      Nota: É importante ter um fotodíodo/DAQ que é capaz de medir as frequências rotacionais esperadas (várias dezenas de kHz).
    3. Foco de luz em uma fibra de coleção fixada em um xy-montagem de tradução. Inserir um polarizador linear antes da fibra da coleção.
    4. Para alinhamento de fibra de coleção, um par de luz visível para a saída final da fibra para iluminar o substrato. Isto permite a visualização e análise da região de coleção da fibra.
    5. Ajuste a posição da fibra usando o xy-monte de tradução, para que sua região coleção coincide com a posição da armadilha óptica. Conecte a extremidade de saída da fibra para o detector de Si e afinar a posição da fibra para maximizar as costas recolhidas sinal disperso.
  2. Instalação de espectroscopia de campo escuro.
    1. Tenha em mente que o cuidado deve ser tomado na escolha de todos os componentes ópticos no caminho entre a amostra e o espectrômetro, para não bloquear a luz dentro da faixa espectral de interesse.
    2. Tome cuidado como luz laser dispersas e/ou refletida direta pode danificar o sensor do espectrômetro. Bloquear a luz do laser usando filtros apropriados e/ou beamsplitters dicroicas. Sempre execute o alinhamento da instalação sobre a potência mínima do laser.
    3. Inserir um espelho/refletores no caminho para redirecionar a luz para o espectrómetro óptico (no presente protocolo, um espectrômetro de acoplamento de espaço livre é usado). Dentre os microscópios saída de portas também podem ser usadas, se apropriado.
    4. Use filtros de entalhe para remover a luz do laser intensa captura (filtros de total OD12 no comprimento de onda do laser foram necessários para bloqueio suficiente no nosso caso), que, em outro caso, irá obscurecer a resposta espectral das nanopartículas de interesse.
    5. Ajuste a posição da pinça óptica os espelhos orientadores (M1 e M2 na Figura 2) Então, coincide com a posição da fenda espectrômetro.
      Nota 1: Alterações na posição da armadilha óptica exigirá o realinhamento do sistema de medição do correlação de fótons (2.1.4-2.1.5 de instruções).
      Nota 2: Na posição nova da pinça óptica, instruções 1.9-1.10 precisam ser repetido para alcançar uma armadilha óptica bem alinhada.

3. o procedimento

  1. Preparação de partículas para experimentos.
    1. Dilua as partículas em DI-água. Uma concentração adequada de nanorods deve estar em uma faixa entre 0,1-0,01 pM. Proceda à sonicação solução diluída em um banho líquido de limpeza ultra-sônico por 2 min quebrar distante possíveis agregados e homogeneizar a solução.
    2. Ajuste a concentração de nanorods na diluição para evitar a captura de várias partículas. Quanto mais tempo o experimento que será executado, quanto menor a concentração necessária para reduzir o risco de interceptação de múltiplas partículas ou contaminações.
  2. Preparação da célula de amostra.
    1. Lave uma corrediça do microscópio e um vidro de tampa (n. º 1.5) em acetona e, posteriormente, isopropanol sob sonication durante cinco minutos, respectivamente.
      Nota: Certifique-se que a carga superficial do vidro slide durante o experimento tem a mesma polaridade que as nanopartículas coloidais. Nanopartículas estabilizadas por brometo de hexadeciltrimetilamónio (CTAB) de surfactante estão carregadas positivamente.
    2. Coloque uma fita de espaçador de 100 µm bem sobre a lâmina de vidro.
    3. Disperse a 2 µ l da solução diluída de nanopartículas do slide de microscópio dentro o bem e 2 µ l sobre o tampa de vidro. Solução em ambas as superfícies permite uma montagem mais controlável da célula de amostra.
    4. Conecte as duas partes da célula de amostra juntos, evitando formando as bolhas de ar dentro da câmara.
    5. Coloque o celular no palco microscópio e coloque uma gota de óleo de índice de correspondência (imersão) no topo da amostra e uma gota sobre o condensador. Gotas em bolhas de evitar cada lado no óleo que dispersa a luz e reduz o contraste da iluminação DF.
  3. Realizando um experimento.
    1. Localize uma partícula através da observação do sistema da imagem latente do DF. Um único nanorod geralmente pode ser identificado através da observação de seu movimento browniano (mais instável do que agregados) e cor (correspondente a ressonância LECC mais forte).
    2. Início/desbloquear o laser de armadilhagem.
    3. Através de uma série de movimentos de palco e correções de foco, empurre a pressão de partícula escolhido através de radiação na direção de propagação do laser para a interface do copo de água. Na interface, o z-movimento é restrito por um equilíbrio entre a pressão de radiação e a repulsão de Coulomb entre CTAB moléculas na superfície de nanopartículas e a superfície carregada positivamente. O xy-flutuações são confinadas por gradientes forças na Pinça óptica.
    4. Através de correcções de foco pequena, maximize a velocidade de estabilidade ou rotação armadilhagem, aferida a partir dos dados de autocorrelação (conforme descrito abaixo na instrução 3.4).
    5. Neste ponto, grave dinâmica rotacional e propriedades espectroscópicas do nanorod preso. Consulte as instruções 3.4 e 3.5 abaixo sobre como estas sonda. Isso pode ser feito por longos períodos de tempo, até várias horas, se necessário.
  4. Medições de dinâmica rotacional.
    1. Certifique-se de ter uma região de coleção da fibra que é grande o suficiente para incluir sempre a imagem da partícula durante o seu movimento de translação.
    2. Sinal de oscilação de intensidade coletar com o fotodetector de Si em um momento adequado de frequência e coleção sondagem. Escolher 65536 Hz e 1 tempo de aquisição de s para começar e ajuste se necessário.
      Nota: Frequência de sondagem deve ser pelo menos duas (e otimamente dez) vezes maior do que a frequência de rotação multiplicada pelo grau de simetria rotacional detectável (N, veja abaixo). Hora da coleta deve ser tempo suficiente para ser capaz de obter frequências significativamente menores que a frequência de rotação.
    3. Após ter coletado um conjunto de dados de flutuação de intensidade de uma rotação de nanopartículas, calcule a autocorrelação de flutuação de intensidade. Isto é feito calculando-se a correlação do sinal com uma cópia de si mesmo atraso para cada atraso de tempo τ (i.e.,C(τ) = {eu(τ) · Eu(0)}).
    4. Executar um ajuste para a função de autocorrelação teórica
      Equation 1
      onde eu0 é a intensidade média, 1 é a amplitude de flutuação de intensidade e N é o grau de simetria rotacional detectável (para haste-como partículas N = 2)2,3.
    5. Desde o ajuste, extrair a frequência fapodrecer e decadência tempo de rotação do autocorrelation sinal τ0 (relacionados à dinâmica do movimento browniano rotacional).
  5. Medições espectroscópicas.
    1. Grave um espectro de luz branco (eubranco(λ)) através da recolha de luz de iluminação. Isso pode ser feito por densamente dispersar uniformemente dispersando os grânulos do poliestireno em uma superfície e coletando sua resposta de dispersão.
    2. Grave um espectro de fundo (eubkg(λ)) coletando a luz perdida no lugar armadilhas quando uma partícula não está preso.
      Nota 1: Isto deve ser feito para cada medição individual, desde que Propriedades de plano de fundo podem variar significativamente entre diferentes amostras de células e até mesmo locais dentro de uma amostra.
      Nota 2: Gravação de espectros de fundo deve ser feito para a mesma potência do laser utilizado para a captura de óptica. Isto permite que se retire a lâmina de vidro, animada com as intensidades de alta do laser no foco de qualquer possível autofluorescência.
    3. Gravar um espectro escuro (euescuro(λ)), quando bloquear toda a luz que vem para o detector. Em seguida, grave um espectro cru de um preso de nanopartículas (eucru(λ)).
    4. Acessar o espectro de dispersão de nanopartículas real calculando
      Equation 2
    5. Para extrair informações sobre as posições de pico LECC, encaixe o espectro de dispersão de DF escala de energia com uma função de encaixe bi-Lorentziana incluindo um termo de correção linear para transições interband em ouro. A função de modelo lê-se:
      Equation 3
      onde E é a energia, B é uma intensidade de linha de base, k a inclinação da correção linear, eueu são maxima intensidade, Γeu a largura total em metade maxima (FWHM) e E0, i as posições de pico dos dois picos Lorentzian.

4. resolução de problemas e solução de problemas comuns

  1. Problemas relacionados às propriedades de ouro nanorod.
    1. Estabilidade de armadilhagem pobre.
      1. Certifique-se que a ressonância principal (geralmente longitudinal ressonância em caso de nanorods) está do lado de comprimento de onda azul do comprimento de onda do laser de armadilhagem. Se não, a força de gradiente se tornará repulsiva ao invés de atraente37.
      2. Como diminui o tamanho de um nanorod, o movimento de aumentos de Brownian flutuações e ao mesmo tempo diminui a força estabilizadora de arrastar Stokes. Assegurar as nanorods são grandes o suficiente para o xy-gradiente força para ultrapassar essas forças se desestabilizando.
    2. Características espectrais sobrepostas ou amplas.
      1. As hastes precisam ter uma proporção grande o suficiente para picos de LECC ser suficientemente separados para ser resolvido individualmente (ver Figura 1b).
        Nota: O comprimento de onda do laser coloca um limite superior para a anisotropia da forma, desde os redshifts LECC longitudinais para hastes mais tempo.
      2. As nanopartículas de preferência devem ser pequenas o suficiente para não suporta modos de LECC de ordem mais elevados no regime visível, já que isso complica a análise. Seleção de nanopartículas é um equilíbrio entre esta consideração e o problema de estabilidade de interceptação em instrução 4.1.1.2.
  2. Polarização circular inadequada do laser de armadilhagem.
    Nota: Para obter o desempenho ideal de rotação das nanopartículas a presa, a luz do laser atingindo o avião de amostra deve ser circularmente polarizada. Beamsplitters e outros componentes ópticos podem ser polarização dependente, que pode torná-lo impossível obter polarização circular perfeita, usando apenas um QWP.
    1. Inserir uma placa de meia onda (HWP; λ/2 na Figura 2) após o QWP no caminho, para compensar a birrefringência de refletores.
    2. Configurar o polarizador linear e a configuração do medidor de energia e realizar uma análise do estado de polarização do laser (como em 1.11.2-1.11.3 de instruções).
    3. Para cada posição em incrementos de cinco graus do QWP, rode o HWP através da sua gama inteira angular (90°), em passos de 5 graus e medir a relação de poder para cada posição. Nos esforçamos para encontrar os ângulos de QWP e HWP que maximizar a relação entre potência máxima e mínima.
      Nota: Na nossa experiência, a relação máxima entre as potências máximas e mínimas foi 0,75 sem e 0,98 com a correção de HWP.
  3. Partículas aderindo a interface no poder inadequado confinar partículas no xydo laser-avião.
    1. Ajuste a concentração de surfactante, através de uma partícula lavando o procedimento e a subsequente re-dispersão do nanorods em uma concentração controlada de CTAB de estabilização.
      1. Centrifugue a solução-mãe de nanopartículas até sedimentos de partículas (~ 5 min 600g).
      2. Retire o líquido de suspensão.
      3. Re-disperse na água. Isto dilui o conteúdo do CTAB da solução-mãe.
      4. Repita as etapas 4.3.1.1. e 4.3.1.2. mais uma vez.
        Nota: Desde CTAB atua como o agente de estabilização coloide, evite o tempo de centrifugação excessiva e velocidade em sucedendo etapas de lavagem, uma vez que aumenta o risco de agregação, como o CTAB é lavada.
      5. A maioria dos tensoactivos CTAB na solução coloidal original é removido e uma nova, bem controlada, concentração de CTAB pode ser introduzida para o coloide. De nossa experiência, dispersando a solução em água com 20 µM de CTAB e subsequente DI-água diluição para os resultados de concentração de solução experimental em uma cobertura de superfície que produz suficiente repulsão de Coulomb.
      6. Sintonia fina possível da concentração do CTAB pode ser necessários para criar repulsão de partículas/superfície apropriada para o lote particular de nanopartículas usados. Iterar o procedimento acima e alterar ligeiramente a concentração de CTAB para encontrar um adequado.
    2. Lavar a superfície de carga negativa de superfície de vidro.
      Nota: Este procedimento de lavagem produz uma superfície carregada negativamente que será revestida com moléculas CTAB livre na solução experimental, tornando-se positiva e eletrostaticamente repulsivo para a partícula durante captura 2D.
      1. Levar uma lâmina de microscópio e limpe-a em uma mistura de água e 2% em peso de base detergente aquecido a 80 ° C por aproximadamente 10 minutos até que a superfície é visivelmente hidrofílica.
        Nota: Evite lavar lâminas de vidro, muito longa ou severamente, pois isso pode tornar a superfície de vidro poroso e produzir uma infinidade de partículas de contaminação.
  4. Problemas com a espectroscopia de fótons autocorrelação.
    1. Baixa amplitude das oscilações de intensidade ou sinal ruidoso.
      1. Inserir um filtro passa-banda (filtro de BP na Figura 2) antes da fibra de coleção, que passa a luz do laser e a luz de iluminação de campo escuro de blocos.
        Nota: Em princípio, a medição funciona quando coletando toda a luz também. No entanto, iluminação de luz branca unpolarized DF eficientemente excita sem modos de avião, e desde que uma nanorod gira sobre seu eixo curto num plano normal ao eixo óptico, isto é fora da transversal do avião LECC. Este modo não exerce qualquer forma de anisotropia durante a rotação e coleta de luz de apenas reduz o sinal à relação de ruído da medição.
    2. Deterioração adicional da função de autocorrelação.
      1. Certifique-se que o tamanho do núcleo da fibra coleção é grande o suficiente para conter a imagem da nanopartículas durante todo suas excursões devido ao movimento browniano translacional.
      2. Se for usada uma fibra com um tamanho muito pequeno núcleo, substituí-lo com uma maior.
      3. Verifique o alinhamento da fibra novo, como em 2.1.4-2.1.5 de instruções.

Representative Results

A rotação e movimento browniano rotacional de um nanorod de ouro que está devidamente presa na pinça a laser circularmente polarizada podem ser sondado por flutuações de intensidade de espalhamento de luz (Figura 3a) usando um detector de single-pixel de gravação. Um espectro de autocorrelação deste sinal contém um componente oscilatório, semelhante ao mostrado na Figura 3b. que pode estar apto para uma função de autocorrelação teórica. A instalação permite a extração da frequência de rotação e o tempo de decaimento de autocorrelação, que está relacionado com as flutuações de Brownian rotacionais, da nanorod.

Como mencionado no protocolo (instrução 4.4.2), é essencial usar um núcleo de fibra suficientemente espessa para coletar a luz de laser retroespalhados para espectroscopia de correlação de fótons. Se este não for o caso, um termo decadência adicionais relacionado com tradução de partícula dentro e fora do volume de sonda irá estar presente na função de correlação, veja a Figura 4. Através de uma análise cuidadosa, isto poderia fornecer mais informações sobre o sistema; no entanto, complica a análise da dinâmica Brownian rotacional contida nos dados.

Para obter espectros de dispersão DF corretos de nanopartículas presas, conforme descrito na seção 3.5, os dados brutos espectrais precisam ser calibrado. Isto é feito registrando-se o espectro da lâmpada de iluminação, bem como um espectro de fundo (Figura 5a). Quando o foco de luz de laser intensa em uma superfície de vidro, tais como o substrato contra a qual os nanorods são presos, alguns fluorescência pode ser gerada (ver a contribuição espectral vermelha no espectro de plano de fundo da Figura 5a). Esta contaminação de fluorescência pode ser reduzida pelo uso de substratos de sílica fundida. No entanto, é de qualquer forma altamente recomendável para gravar um espectro de fundo com pinça óptica vazia com a potência correta do laser. Quando um espectro de dispersão é gravado e todos os componentes espectrais não relacionados com a dispersão de nanopartículas real tem sido compensados para, o espectro pode ser fixado em escala de energia com uma função bi-Lorentziana encaixe para extrair informações relacionados com o Posições de pico do LECC (Figura 5b).

Figure 1
Figura 1: SEM imagens e espectros de extinção ensemble para dois lotes de nanopartículas representativa. um) Barra de escala é de 200 nm. b) o azul/vermelho rodeado de imagens SEM em um) correspondem ao espectro vermelho/azul, respectivamente. Os picos espectrais relacionados com as LSPRs transversais e longitudinais são claramente distinguíveis. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: ilustração esquemática da instalação de Pinça óptica para medição de rotação de nanopartículas. Luz laser é colimado expandiu-se através de um telescópio e posteriormente orientou para o objectivo através do uso de dois espelhos móveis (M1, M2) e um refletor (BS). Dois waveplates no caminho do laser otimizar a polarização circular da pinça óptica (λ/2, λ/4). Luz laser retroespalhados pode ser coletado após um polarizador linear para espectroscopia de correlação de fótons e medições de dinâmica rotacional. Depois de retirar a luz do laser, luz branca espalhada é guiado para um espectrômetro ou uma câmera. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: dados representativos de intensidade e autocorrelação com curva de ajuste para uma presa e rotativa nanorod. um) Flutuações de intensidade registadas pelo detector único pixel após um polarizador linear para 1s e um enredo ampliado das flutuações. b) Autocorrelated dados de flutuação de intensidade para um nanorod de ouro rotativa (pontos azuis), coletados de luz laser retroespalhados. Os dados mostram uma oscilação que decai após alguns períodos. A oscilação está relacionada com a frequência de rotação da nanorod, Considerando que a decadência é devido ao movimento browniano rotacional. A apto para a função de autocorrelação teórica é realizada (linha vermelha) para extrair uma frequência de rotação de f = 24285 ± 45 Hz e uma correlação da deterioração tempo τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. As incertezas0 f e τrepresentam os intervalos de confiança de 95% do ajuste, que tem um coeficiente de determinação (R2) de 0.9877. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: problema com um volume muito pequeno de sonda em medições de espectroscopia de correlação de fótons. um) Dados de autocorrelação para uma rotação nanorod ouro, coletados usando uma espessa (dados de 400 µm, azul) e uma fina (62,5 µm, dados vermelhos) fibra. Coleção usando uma fibra grossa garante que o nanorod está sempre confinado dentro do volume de sonda e que a função de autocorrelação mede a rotação dinâmica apenas. Um termo adicional de deterioração devido ao movimento browniano translacional está presente quando o volume de sonda é insuficiente. Em b) e c), ilustrações esquemáticas do efeito e imagens da coleção de back-iluminado região são mostradas. Barras de escala são 2 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: espectros de dispersão do campo escuro exemplar registrado para um nanorod ouro opticamente preso por 660 nm laser luz. A região espectral 630-670 nm (1,85-1,97 eV) é distorcido devido ao entalhe filtros necessários para bloquear a luz do laser de armadilhagem. um) espectros de dispersão Raw (azul escuro) exibindo características que não são inerentes a dispersão da partícula e devem ser calibradas para. Estes incluem o espectro de fundo (vermelho), que contém autofluorescência animado com a luz de laser altamente concentrado, e o espectro de excitação de luz branca (laranja, gravado sem filtro notch). Após a calibração, o espectro de dispersão corrigida (luz azul) mostra dois picos de LECC distintos conforme o esperado. As setas indicam a escala para cada espectro. b) espectro de espalhamento para um preso nanorod (pontos azuis) juntamente com um ajuste para a função de modelo bi-Lorentziana (vermelho) com seus componentes (azul claro e laranja). A região espectral distorcida é desconsiderada no encaixe dos dados e o ajuste tem um R2 de 0.9975. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A configuração de captura óptica descrita neste protocolo é construída em torno de um microscópio invertido comercial e usa a luz do laser vermelho. No entanto, as técnicas descritas são versáteis e podem ser usadas para construir a Pinça óptica circularmente polarizada em torno de microscópios mais comerciais ou construídos em casa, ambos na vertical e invertido, com apenas ligeiras alterações. O comprimento de onda do laser de captura pode ser escolhido dentro de um espectro NIR largura visível, enquanto o resto dos componentes ópticos e detectores são funcionais neste comprimento de onda específico. No entanto, ao escolher um comprimento de onda do laser, o tamanho e a proximidade espectral com ressonâncias das partículas para ser manipulado devem ser considerados porque isso afetará as forças de captura óptica e rotação desempenho2,5, a magnitude da originando efeitos1e a estabilidade de armadilhagem26. Temos anteriormente trabalhado com êxito com pinças do laser circularmente polarizada usando comprimentos de onda do laser de 660, 785, 830 e 1064 nm.

Um dos componentes mais importantes da instalação do captura óptica é o objetivo do microscópio. O objectivo do presente protocolo é um objectivo seco com at = 0,95. O uso de um objectivo seco experimentalmente é uma realização mais simples da instalação; no entanto, isto leva à aberrações ópticas devido à refração em interfaces de célula de amostra. No presente caso, o resultado é um ponto de foco ligeiramente alargada (~1.2 µm) em comparação com o limite de difração (~0.4 µm), mas isso não altera significativamente o desempenho geral ou rotativo da plataforma. Em princípio, uma ampla gama de objetivos microscópio pode ser usado, desde que tenham boa transmissão no comprimento de onda de captura e manutenção de polarização bom tempo suficiente distância de trabalho para realizar a captura através de um microscópio lamínula e a camada de água. Em caso de interceptação de 2D, o at pode ser relativamente baixo, que faz todo o experimento mais simples e fornece a polarização circular mais limpa no foco. No entanto, maiores potências do laser podem ser necessárias que em caso de um objetivo NA alto. Em nossa experiência, o melhor desempenho para a captura, espectroscopia de rotação e campo escuro é obtida com objectivos com at 0.7-0.95, mas é possível usar menores, bem como maiores objetivos at.

Para obter boa fóton medições de correlação de movimento giratório, é necessário um detector rápido single-pixel. Escolha um detector com uma largura de banda de pelo menos dois, usado de preferência dez, vezes maior do que a frequência de rotação esperado multiplicada pelo fator de degeneração da forma e alta sensibilidade no comprimento de onda de armadilhagem. Amplificado Si fotodetectores, fotão contando APDs e PMTs têm sido utilizados com sucesso em diferentes configurações em nossos laboratórios. Informações adicionais, por exemplo, na rigidez de armadilha, podem ser obtidas medindo e analisando o deslocamento de translação de partícula utilizando técnicas bem estabelecidas como análise espectral de potência5. Um número de publicações anteriores descreve diferentes variantes desta técnica38,39. Espectroscopia de DF pode ser executada usando um ampla gama espaço livre ou fibra acoplado espectrómetros e a escolha deve basear-se na faixa espectral e comprimento de onda e resolução temporal necessária para o estudo planejado.

Ao realizar um experimento de armadilhagem, partículas adicionais podem acidentalmente entrar na armadilha. Isto pode ser detectado pelo monitoramento da frequência de rotação, que irá variar fortemente devido a perturbação. Inspeção visual por microscopia do DF pode ser usada para verificar a presença de uma partícula adicional, caso em que o estágio pode ser movido para evitar uma perturbação ou o experimento precisa ser reiniciado.

O sistema descrito acima é uma maneira simples e eficiente para realizar a confinamento 2D e rotação de nanopartículas metálicas. No entanto, para algumas aplicações, o grau de liberdade extra para manipulação que vem com interceptação de 3D é importante, e a configuração atual, portanto, é uma limitação. No entanto, rotação e confinamento 3D podem ser realizáveis, utilizando o contador de propagação do laser pinças ou configurações de trapping mais exóticas.

Embora os parâmetros das partículas e sistema discutidos aqui podem ser otimizados para reduzir originando aquecimento para abaixo de 15 ~ K4, o aumento de temperatura associado plasmônico excitação de nanopartículas de metal pode ser problemático em certos aplicações. Uma via possível para a redução de calor mais é usar nanopartículas dielétricas elevado-índice ao invés de partículas plasmônico. Tais partículas fortes ressonâncias de espalhamento de Mie-tipo de apoio, mas ao mesmo tempo apresentam coeficientes de baixa absorção intrínseca. Recentemente fomos capazes de fabricar nanopartículas de Si ressonantes coloidal que podem ser útil neste respeito40,41.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pelo Knut e Alice Wallenberg Foundation, o Conselho Sueco de pesquisa e a área de Chalmers de avanço de nanociência e nanotecnologia.

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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Construção e operação de um sistema de Motor controlado por luz ouro Nanorod Rotary
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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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