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Engineering

Construcción y operación de un sistema del Motor rotatorio de Nanorod oro impulsado por la luz

doi: 10.3791/57947 Published: June 30, 2018

Summary

Plasmónica nanobarras de oro pueden ser atrapado en líquidos y rotado en frecuencias de kHz usando pinzas ópticas circularmente polarizada. Introducción de herramientas para el análisis de la dinámica browniana y luz scatteringspectroscopy conduce a un sistema de gran alcance para la investigación y aplicación en numerosos campos de la ciencia.

Abstract

La posibilidad de generar y medir la rotación y torsión en la nanoescala es de fundamental interés para el estudio y aplicación de biológicos y artificiales nanomotors y puede proporcionar nuevas rutas hacia análisis unicelular, estudios de no-equilibrio Termodinámica y accionamiento mecánico de sistemas de nanoescala. Una manera fácil de rotación de impulsión es utilizar concentrado de luz láser circular polarizada en pinzas ópticas. Usando este acercamiento, las nanopartículas metálicas pueden funcionar como altamente eficientes motores rotatorios impulsado por la dispersión de spinning en las frecuencias de rotación sin precedentes en el agua.

En este protocolo, esquema de la construcción y operación de pinzas ópticas circularmente polarizada para rotación de nanopartículas y describir la instrumentación necesaria para el registro de la dinámica browniana y la dispersión de Rayleigh de la partícula atrapada. Los espectros de dispersión y el movimiento de rotación proporciona información independiente sobre las propiedades de las nanopartículas y su entorno inmediato. La plataforma experimental ha demostrado ser útil como un indicador de nanoscópicas de viscosidad y temperatura local, para el seguimiento de los cambios morfológicos de nanobarras y recubrimientos moleculares y como un transductor de sonda de fototérmica y procesos termodinámicos.

Introduction

Los métodos presentados en este artículo replica los utilizados en nuestro trabajo anterior1 para estudiar efectos de fototérmica de nanoescala influir en motores rotativos nanorod oro impulsado por la luz. Variantes de la plataforma experimental se ha utilizado en varias publicaciones relacionadas2,3,4,5,6,7,8, 9.

Pinzas ópticas son ampliamente utilizadas para el control de posición, la fuerza y el ímpetu linear transferencia a escalas pequeña longitud en física, biología e Ingeniería10,11,12,13,14 . Angular momentum por luz circularmente polarizada se puede emplear para el control de movimiento adicionales porque continuamente transferencia de torsión a objetos atrapados15. Combinando óptica transferencia lineal y momento angular, entonces es posible construir no invasiva nanomotors rotatorio con potencial para diversas aplicaciones, tales como el suministro de medicamentos en las células16,17, a nanoescala cirugía18y nanofluídica activo19, entre otros.

Mediante el uso de nanopartículas metálicas como objeto de manipulación por luz, uno puede aprovechar las ventajas de resonancias de plasmón superficial localizada (LSPR), que proporcionan grandes secciones ópticas, alta sensibilidad a cambios ambientales y campo grande mejoras20,21,22,23. Esto ha llevado a una gran cantidad de estudios en el límite entre la plasmónica y manipulación óptica8,24,25,26,27. La fuerte interacción de materia de luz proporcionada por LSPR nos ha permitido diseñar una plataforma donde son capaces de manejar nanobarras de oro para girar en las frecuencias de rotación récord en agua2pinzas láser circular polarizada. Mediante el seguimiento del movimiento browniano de una rotación nanorod, puede obtenerse información detallada sobre su ambiente y temperatura3,5. Análisis espectroscópico simultáneo proporciona un canal de información adicional independiente para analizar la temperatura local y la estabilidad morfológica del nanorod giratoria1. Una gama de sistemas y configuraciones se han utilizado para estudiar y aplicar movimiento de rotación de pinzas ópticas, generando importantes conceptos en el campo28,15,29,30 , 31 , 32. sin embargo, la mayoría de estos estudios ha versado objetos varios micrómetros en diámetro mientras que un nanorod solo da acceso al régimen del tamaño del nanómetro. Además, cuando gold nanorods se utilizan como el nanomotor rotatorio, esfuerzo de torsión es eficientemente transfieren principalmente vía dispersión2,33. Esto disminuye el riesgo de sobrecalentamiento de la partícula atrapada3,34,35.

En el siguiente método, describiremos los pasos necesarios para construir un sistema capaz de captura óptica eficiente y rotación de nanopartículas metálicas. Las nanobarras de oro considerados en estos estudios tienen alta dispersión secciones representativas, y la presión de la radiación resulta para ser más fuerte que la fuerza lucha contra gradiente en la dirección de propagación. Para todavía confinar las partículas en 3D, utilizamos el equilibrio de fuerza entre la repulsión coulombiana de una superficie de vidrio y la fuerza de dispersión de láser en la dirección de propagación. Esta configuración captura 2D grandemente amplía la gama de partículas capturable, en comparación con pinzas ópticas 3D estándar, y puede ser fácilmente combinado con campo oscuro la proyección de imagen óptica y espectroscopía.

Una nanopartícula atrapada y giratoria metal interactúa con su entorno, y toda la información sobre esta interacción está contenida en su movimiento y propiedades espectrales. Después de describir cómo construir la pinza óptica circular polarizada, por lo tanto, también describiremos cómo integrar instrumentación para sondear la dinámica de rotación y para la medición de espectros de dispersión de Rayleigh en el montaje experimental. El resultado es una plataforma versátil para los estudios de los fenómenos de rotación de nanoescala en física, química y biología.

Este protocolo asume que el investigador tiene acceso a coloidales nanopartículas metálicas adecuados, preferiblemente solo nanobarras de oro cristalino. Nanorods de oro pueden ser comprados a empresas especializadas o sintetizados en el laboratorio con métodos de química húmeda. Nanorods utilizados en nuestros experimentos fueron hechos por el método semilla-mediada del crecimiento descrito en Ye et al. 201336. Es ventajoso si la morfología y propiedades ópticas de las nanopartículas están bien caracterizadas, por ejemplo mediante medidas de extinción óptica y microscopía electrónica (SEM). Figura 1 muestra los datos registrados de estas mediciones representativas nanorod tipos1.

Un esquema del protocolo es el siguiente: en la primera sección, describimos la construcción de las pinzas ópticas basadas en polarización circular. En la segunda sección, se describe cómo extraer información del nanomotor registrando sus propiedades de dispersión y dinámica rotacional. La frecuencia de rotación y el movimiento browniano rotacional de la partícula atrapada es medido usando la espectroscopia de correlación de fotones por proyección de luz láser backscattered filtrada a través de un polarizador lineal de un detector rápido píxel3. Ajustando los datos a una función de autocorrelación teórica, la frecuencia de rotación y el tiempo de decaimiento de la difusión browniana rotacional pueden ser extraído2,3. Las propiedades ópticas de las nanopartículas atrapadas y rotación se miden usando la espectroscopia de campo oscuro, que proporciona información complementaria sobre la partícula y su entorno. En la tercera sección, se describe el procedimiento experimental para la captura y la rotación de nanobarras de oro.

El protocolo descrito hasta este punto es un camino directo a un sistema de funcionamiento Circular polarizado pinzas ópticas para rotación de nanopartículas. Sin embargo, a veces surgen problemas que demanda adicional la atención. En la cuarta sección, describiremos algunos de los problemas comunes que hemos encontrado y cómo resolverlos. Estos incluyen temas relacionados con propiedades ópticas de nanopartículas a estabilidad pobre trampa (4.1), bajas frecuencias de rotación debido a la polarización circular suboptimal causada por beamsplitter birrefringencia (4.2), pegarse de nanopartículas en la superficie de vidrio debido a la repulsión coulombiana insuficiente (4.3) y desviación de la señal característica de la autocorrelación (4.4).

Protocol

1. circular polarizada pinzas ópticas para rotación de nanopartículas

  1. Construir la configuración alrededor de un microscopio invertido adecuado y utilice un láser visible de longitud de onda roja (660 nm). Un esquema del montaje experimental se presenta en la figura 2. Asegúrese de elegir un láser con una producción estable de energía hasta 500 mW (producción de energía en el plano de muestra de alrededor de 50 mW). También asegurar que el resto de los componentes bien la longitud de onda de láser de reventado.
  2. Utilice un objetivo seco con una apertura numérica (NA) de 0.95 y 40 aumentos.
  3. Siempre use gafas de seguridad y mantener la seguridad de laser buena (especialmente si está usando láseres no visibles). Realizar la alineación en la potencia del láser mínimo. Encapsular la trayectoria del laser todo para ambos seguridad y para evitar la deriva térmica y el polvo en la trayectoria de la luz.
    Nota: Dependiendo del estado de polarización de la salida del láser, las pinzas ópticas podrían beneficiarse colocando un polarizador lineal como el componente óptico inicial. Si la polarización del láser ya es lineal, puede omitirse este componente.
  4. Utilizar un par de lentes positivas en una configuración de telescopio de Keplerian (lentes en la parte inferior de la figura 2) para ampliar el haz del láser tal que el diámetro de la viga es ligeramente más grande que la abertura posterior del objetivo de captura.
    Nota: Esto permite utiliza el NA total del objetivo y va a producir un foco de difracción limitada de la trampa11, resultando en rigidez de captura óptima.
  5. Asegúrese de que el láser de reventado es colimado correctamente después el expansor de haz. Esto puede hacerse asegurándose de que el tamaño de la viga se cierra sin cambios a propagar el objetivo (o usando un interferómetro que esquila).
  6. Uso de dos espejos (M1 y M2 en la figura 2), montados en soportes de espejo cinemática (y si es necesario, una etapa de la traducción), para dirigir el rayo láser en la configuración del microscopio.
    Nota 1: Mantenga suficiente espacio entre los espejos láser y microscopio para poder añadir elementos ópticos como waveplates y beamsplitters.
    Nota 2: Asegúrese de que el láser siempre se filtra lejos del ocular o cualquier otra luz accesible sale el microscopio.
  7. Utilizar un beamsplitter (transmisión/reflexión parcial 50/50 se utiliza aquí, pero un dicroico también podría trabajar bien) en el microscopio a la pareja de luz en el objetivo, sin perder la capacidad de medición y proyección de imagen en la configuración del microscopio láser.
  8. Incluyen una cámara (ver figura 2) en la configuración para la posterior observación experimental y para la grabación de datos. Si se utiliza un sistema sin un ocular, esto es vital para cualquier alineación.
  9. El láser se centran en un portaobjetos de vidrio o un espejo. Si el láser está alineado y entra en el objetivo en un ángulo correcto, el patrón de intensidad de láser es radialmente simétrico al cambiar el foco por encima y por debajo del punto focal.
  10. Ajustar los ángulos de los espejos del láser (M1 y M2 en la figura 2) para obtener una alineación láser óptimo (como se describe en 1.9).
  11. Circular polarizar la luz láser.
    1. En la trayectoria de la luz al objetivo, pasar el láser a través de una placa de cuarto de onda (QWP; λ/4 en la figura 2) orientado con su eje rápido a 45 ° a la polarización lineal del laser de la luz para convertir la luz linealmente polarizada en luz polarizada circularmente en el plano de la muestra.
    2. Configurar un polarizador lineal giratoria 360° y un medidor de potencia ante el objetivo.
    3. Compruebe polarización girando el polarizador lineal y observando la potencia máxima y mínima, correspondiente a los ejes mayor y menor o la elipse de polarización.
      Nota: La relación debe ser superior a 0,9 para un rendimiento óptimo de la rotación. Si no se alcanza esto, consulte el paso 4.2 para una solución.
  12. Medir la potencia del láser en el plano de la muestra.
    1. Utilice un medidor de potencia óptica para probar la potencia del láser en el plano de la muestra. Tenga cuidado en recoger toda la luz pasada a través del objetivo para una medición correcta de la energía de captura.
    2. Realizar un barrido lineal de potencias de salida láser y grabar los poderes correspondientes en el plano de la muestra para la conversión subsecuente a la densidad de potencia en la trampa.
  13. Establecer un sistema de campo oscuro (DF) en Köhler iluminación usando un aceite inmerso condensador DF para habilitar la visualización de las partículas y los eventos de captura. Esto permite mediciones espectroscópicas e imágenes de las nanopartículas atrapadas.

2. instrumentación para la medición de la rotación, rotación dinámica browniana y propiedades espectroscópicas

  1. Espectroscopia de correlación de fotones usando un detector píxel.
    1. Inserte un beamsplitter (30R/70T) en la trayectoria óptica para extraer la retrodispersión de la luz de la nanopartícula.
    2. Conectar un fotodiodo de Si rápidamente píxel a una tarjeta de adquisición de datos para habilitar la grabación de señales.
      Nota: Es importante tener un fotodiodo/DAQ que es capaz de medir las frecuencias de rotación esperadas (varias decenas de kHz).
    3. Enfocar luz en una fibra de colección en un xy-montaje de traducción. Colocar un polarizador lineal antes de la fibra de la colección.
    4. Alineación de la fibra de colección, pareja luz visible hasta el final de la salida de la fibra para iluminar el sustrato. Esto permite la visualización y análisis de la región de la colección de la fibra.
    5. Ajustar la posición de la fibra mediante la xy-traducción de Monte, para que su región colección coincide con la posición de la trampa óptica. Conecte el extremo de salida de la fibra del detector Si y afinar la posición de la fibra para maximizar la espalda recoge señales dispersas.
  2. Configuración de la espectroscopia de campo oscuro.
    1. Tenga en cuenta que el cuidado debe ser tomado en elegir todos los componentes ópticos de la ruta entre la muestra y el espectrómetro, para no bloquear la luz dentro de la gama espectral de interés.
    2. Tener precaución ya que luz láser dispersada o reflejada directa podría dañar el sensor espectrómetro. Bloquear la luz de láser utilizando filtros adecuados o dicroicos beamsplitters. Siempre realizar la alineación de la instalación en la potencia del láser mínimo.
    3. Inserte un beamsplitter/espejo en la trayectoria óptica para redirigir la luz al espectrómetro (en este protocolo, se utiliza un espectrómetro acoplado de espacio libre). Uno de los microscopios de salida puertos también podrían ser utilizados, si es conveniente.
    4. Utilice filtros notch para eliminar la intensa captura de luz láser (filtros de total OD12 en la longitud de onda de láser necesarios para bloqueo suficiente en nuestro caso), que en otro caso será ocultar la respuesta espectral de la nanopartícula de interés.
    5. Ajustar la posición de las pinzas ópticas de los espejos rectores (M1 y M2 en la figura 2) por lo que coincide con la posición de la rendija del espectrómetro.
      Nota 1: Cambios en la posición de la trampa óptica requieren de realineación de lo sistema de medición de correlación de fotones (instrucciones 2.1.4-2.1.5).
      Nota 2: En la nueva posición de las pinzas ópticas, instrucciones 1.9 1.10 necesitan repetirse para llegar a una trampa óptica bien alineada.

3. experimental procedimiento

  1. Preparación de las partículas para los experimentos.
    1. Diluir las partículas en el agua de DI. Una concentración adecuada de nanobarras debe estar en un rango entre 0,1-0,01 pM. Someter a ultrasonidos la solución diluida en un baño limpiador ultrasónico para 2 minutos agregados posibles apartes de romper y homogeneizar la solución.
    2. Ajustar la concentración de nanobarras de la dilución para evitar captura de múltiples partículas. Más el experimento que se realizará, menor será la concentración necesaria para reducir el riesgo de atrapar partículas o contaminaciones múltiples.
  2. Preparación de la célula de muestra.
    1. Lave el portaobjetos de un microscopio y un vidrio de cobertura (Nº 1.5) en acetona y posteriormente isopropanol bajo sonicación durante cinco minutos, respectivamente.
      Nota: Asegúrese de que la carga de superficie de lo portaobjetos de vidrio durante el experimento tiene la misma polaridad como las nanopartículas coloidales. Nanopartículas estabilizadas por el bromuro de hexadeciltrimetilamonio surfactante (CTAB) están cargadas positivamente.
    2. Coloque una cinta de espaciador 100 μm en el portaobjetos de cristal.
    3. 2 μl de la solución diluida de nanopartículas se dispersan en el portaobjetos en el pozo y 2 μL en el vidrio de cubierta. Solución en ambas superficies permite un montaje más controlable de la célula de muestra.
    4. Conectan las dos partes de la célula de muestra, evitando formar burbujas de aire dentro de la cámara.
    5. Coloque la celda en la platina del microscopio y coloque una gota índice emparejado () de aceite de inmersión sobre la muestra y una gota en el condensador. Gotas en cada burbujas de evitar de lado en el aceite que dispersa la luz y reduce el contraste de la iluminación del DF.
  3. Realizar un experimento.
    1. Localizar una partícula a través de la observación en el sistema de proyección de imagen del DF. Una sola nanorod generalmente puede ser identificado mediante la observación de su movimiento browniano (más errático que los agregados) y color (correspondiente a la resonancia más fuerte de LSPR).
    2. Inicio/desbloquear el láser captura.
    3. A través de una serie de correcciones de enfoque y movimiento etapa, empujar la partículas solicitadas a través de presión en la dirección de propagación del láser hacia la interfaz de vaso de agua. En la interfaz, el z-movimiento está limitado por un equilibrio entre la presión de la radiación y la repulsión coulombiana entre moléculas en la superficie de la nanopartícula de CTAB y la superficie de carga positiva. Xy-fluctuaciones están confinadas por las fuerzas de gradiente en las pinzas ópticas.
    4. A través de correcciones de pequeño foco, maximizar velocidad estabilidad o rotación de captura, medida de los datos de autocorrelación (como se describe a continuación en la instrucción 3.4).
    5. En este punto, registrar propiedades espectroscópicas de nanorod atrapado y dinámica rotacional. Vea las instrucciones 3.4 y 3.5 a continuación cómo estas sonda. Esto puede hacerse durante largos períodos de tiempo, hasta varias horas si es necesario.
  4. Mediciones de dinámica rotacional.
    1. Asegúrese de que tiene una región de la colección de la fibra que es lo suficientemente grande como para incluir siempre la imagen de la partícula durante su movimiento traslacional.
    2. Cobrar intensidad señal de oscilación con el fotodetector Si en el momento adecuado de sondeo frecuencia y colección. Elegir para empezar con 65536 Hz y tiempo de la adquisición de 1 s y ajuste si es necesario.
      Nota: Frecuencia de sondeo debe ser por lo menos dos (y óptimamente diez) veces más grande que la frecuencia de rotación, multiplicada por el grado de simetría rotacional detectable (N, ver más abajo). Tiempo de colección debe ser lo suficientemente largos para poder obtener frecuencias significativamente inferiores a la frecuencia de rotación.
    3. Después de haber recogido un conjunto de datos de fluctuaciones de intensidad de una nanopartícula de rotación, calcular la autocorrelación de la fluctuación de la intensidad. Esto se hace calculando la correlación de la señal con una copia de tiempo-retrasado de sí mismo para cada tiempo de retardo τ (i.e.,C(τ) = {(τ) · Me(0)}).
    4. Realizar un ajuste a la función de autocorrelación teórica
      Equation 1
      donde I0 es la intensidad media I1 es la amplitud de la fluctuación de la intensidad y N es el grado de simetría rotacional detectable (para barra-como las partículas N = 2)2,3.
    5. De ajuste, extraer la frecuencia fputrefacción y decaimiento tiempo de rotación de la autocorrelación señal τ0 (relacionado con la dinámica rotacional movimiento browniano).
  5. Medidas espectroscópicas.
    1. Registrar un espectro de luz blanco (blanco(λ)) por la recogida de luz de la iluminación. Esto puede hacerse por densamente dispersar uniformemente dispersa granos del poliestireno en una superficie y recoger su respuesta de dispersión.
    2. Registrar un espectro de fondo (bkg(λ)) por la recogida de la luz en el lugar de captura cuando una partícula no es atrapada.
      Nota 1: Esto debe hacerse para cada medición individual, puesto que las propiedades de fondo pueden variar significativamente entre las células de muestra diferentes e incluso lugares dentro de una muestra.
      Nota 2: Registrar espectros de fondo debe ser hecho para la misma potencia del láser utilizado para la captura óptica. Esto permite eliminar cualquier posible auto-fluorescencia de lo portaobjetos de vidrio, emocionado por la intensidad de láser de alta en el foco.
    3. Registrar un espectro oscuro (oscuro(λ)), cuando toda la luz que entra al detector de bloqueo. A continuación, registrar un espectro crudo de una nanopartícula atrapada (crudo(λ)).
    4. Accede el espectro de dispersión de nanopartículas reales mediante el cálculo de
      Equation 2
    5. Para extraer información sobre las posiciones de máximo LSPR, ajustar el espectro de dispersión DF en escala de la energía con una función de conexión bi-Lorentzian incluyendo un término de corrección lineal para transiciones interbanda en oro. La función de modelo dice:
      Equation 3
      donde E es la energía, B es una intensidad de línea de base, k la pendiente de la corrección lineal, son los máximos de intensidad, Γ el ancho total a media maxima (FWHM) y Ei 0, la posición de pico de los dos picos de Lorentz.

4. solución de problemas y solución a problemas comunes

  1. Problemas relacionados con propiedades nanorod oro.
    1. Estabilidad pobre reventado.
      1. Asegúrese de que la principal resonancia (resonancia generalmente longitudinal en el caso de nanobarras) es en el lado de longitud de onda azul de la longitud de onda de láser de reventado. Si no es así, el gradiente de fuerza será repulsiva en lugar de atractiva37.
      2. A medida que disminuye el tamaño de un nanorod, el movimiento aumenta las fluctuaciones browniano y al mismo tiempo disminuye la fuerza estabilizadora de fricción de Stokes. Asegurar las nanobarras son lo suficientemente grandes como para xy-gradiente de fuerza para superar estas fuerzas de desestabilización.
    2. Características espectrales superpuestas o amplia.
      1. Las barras deben tener una proporción suficientemente grande de picos LSPR a separarse suficientemente para resolverse individualmente (ver Figura 1b).
        Nota: La longitud de onda de láser pone un límite superior para la anisotropía de forma, desde los redshifts LSPR longitudinal para cañas más largas.
      2. Las nanopartículas preferiblemente deben ser lo suficientemente pequeñas como para no apoyar modos LSPR de orden superiores en el régimen visible, ya que esto complica el análisis. Selección de nanopartículas es un equilibrio entre este examen y el tema de estabilidad de captura en la instrucción 4.1.1.2.
  2. Inadecuada polarización circular del laser de la captura.
    Nota: Para obtener el rendimiento óptimo de la rotación de la nanopartícula atrapada, la luz del láser alcanza el plano del espécimen debe ser circularmente polarizada. Beamsplitters y otros componentes ópticos pueden ser polarización dependiente, que podría hacer imposible obtener polarización circular perfecto usando sólo un QWP.
    1. Insertar una placa de media onda (HWP; λ/2 en la figura 2) después de QWP en la ruta, para compensar la birrefringencia del beamsplitter.
    2. Configurar el polarizador lineal y medidor de energía la configuración y realizar un análisis del estado de polarización del láser (como en las instrucciones 1.11.2-1.11.3).
    3. Para cada posición en incrementos de cinco grados de la QWP, gire la armonización a través de su gama angular (90°) en pasos de 5 grados y medir la relación de potencia para cada posición. Se esfuerzan por encontrar los ángulos de QWP y armonización que maximicen la relación entre la potencia máxima y mínima.
      Nota: En nuestra experiencia, la relación máxima entre las potencias máximas y mínimas fue 0.75 sin y 0.98 con la corrección de HWP.
  3. Las partículas que se pega a la interfaz en laser de potencia insuficiente para confinar las partículas en el xy-plano.
    1. Ajustar la concentración de surfactante, a través de una partícula procedimiento y posterior re-dispersión de las nanobarras de lavado en una concentración controlada de CTAB de estabilizar.
      1. Centrifugue la solución de nanopartículas hasta sedimentos de partículas (~ 5 minutos a 600g).
      2. Retire el líquido de la suspensión.
      3. Volver a dispersar en el agua. Esto diluye el contenido CTAB de la solución madre.
      4. Repita los pasos 4.3.1.1. y 4.3.1.2. una vez más.
        Nota: Puesto que el CTAB actúa como el agente estabilizador coloidal, evite tiempo de centrifugación excesiva y la velocidad en posteriores pasos de lavado ya que aumenta el riesgo de agregación como el CTAB es arrastrado.
      5. Ahora se elimina la mayoría de los tensioactivos CTAB en la original solución coloidal y una concentración de CTAB nuevo, bien controlada, puede ser introducida al coloide. Desde nuestra experiencia, dispersión de la solución stock en agua con 20 μm de CTAB y posterior dilución de agua desionizada a los resultados de la concentración de solución experimental en una cobertura de superficie que produce suficiente repulsión de Coulomb.
      6. Posible puesta a punto de la concentración de CTAB se podría necesitar para crear repulsión apropiado/superficie de la partícula para el lote determinado de nanopartículas utiliza. Repita el procedimiento anterior y alterar ligeramente la concentración de CTAB para encontrar uno adecuado.
    2. Superficie de cristal que se lava a la superficie de carga negativa.
      Nota: Este procedimiento de lavado produce una superficie negativamente cargada que estará cubierta con moléculas CTAB libres en la solución experimental, lo que es positivo y electrostático repulsión por la partícula durante captura 2D.
      1. Tomar un portaobjetos de microscopio y limpiar en una mezcla de agua y 2% en peso de detergente básico calentada a 80 ° C durante unos 10 minutos hasta que la superficie es hidrofílica visiblemente.
        Nota: Evite lavar portaobjetos demasiado largo o duramente, ya que esto puede hacer que la superficie de vidrio poroso y producen una multitud de partículas de contaminación.
  4. Problemas de autocorrelación espectroscopia de fotones.
    1. Baja amplitud de las oscilaciones de intensidad o señal ruidosa.
      1. Inserte un filtro pasabanda (filtro de BP en la figura 2) antes de la fibra de la colección, que pasa la luz láser y la luz de la iluminación de campo oscuro de bloques.
        Nota: En principio, la medida funciona al recoger toda la luz así. Sin embargo, iluminación de luz blanca no polarizada DF excita eficazmente de modos de plano, y un nanorod gira sobre su eje corto en un plano normal al eje óptico, esto es del transversal plano LSPR. Este modo no tiene ningún anisotropía de forma durante la rotación y sólo recoger luz de él reduce la señal a ruido de la medida.
    2. Adicional del decaimiento en función del autocorrelation.
      1. Asegúrese de que el tamaño del núcleo de la fibra de la colección es lo suficientemente grande para contener la imagen de la nanopartícula durante todas sus excursiones debido a la traslación de movimiento browniano.
      2. Si se utiliza una fibra con un tamaño demasiado pequeño núcleo, sustituirla por una más grande.
      3. Revise la alineación de la fibra nueva, como en las instrucciones 2.1.4-2.1.5.

Representative Results

La rotación y la rotación movimiento browniano de un oro nanorod que correctamente está atrapado en las pinzas láser Circular polarizado pueden ser sondeado registrando fluctuaciones de intensidad de dispersión de la luz (figura 3a) usando un detector píxel. Un espectro de autocorrelación de señal contiene un componente oscilatorio, similar a la que se muestra en la figura 3b. que puede ser apto para una función de autocorrelación teórica. El montaje permite la extracción de la frecuencia de rotación y el tiempo de decaimiento de autocorrelación, que está relacionado con las fluctuaciones browniana rotacionales, la nanorod.

Como se menciona en el protocolo (instrucción 4.4.2), es esencial utilizar un núcleo de fibra suficientemente gruesa para recoger la luz del láser retrodispersión para espectroscopia de correlación de fotones. Si este no es el caso, un término adicional del decaimiento relacionadas con la traducción de la partícula y el volumen de la sonda en la función de correlación, vea la figura 4. A través de un cuidadoso análisis, esto podría proporcionar más información sobre el sistema; sin embargo, complica el análisis de la rotación dinámica browniana contenida en los datos.

Para obtener espectros de dispersión DF correcta de nanopartículas atrapadas, como se describe en la sección 3.5, los datos espectrales deben ser calibrados. Esto se hace registrando el espectro de la lámpara de iluminación, así como un espectro de fondo (figura 5a). Al enfocar la luz láser intensa en una superficie de vidrio, como el sustrato que se encuentran atrapados los nanorods, puede generar cierta fluorescencia (véase la contribución espectral rojo en el espectro del fondo de la figura 5a). Esta contaminación de fluorescencia puede reducirse mediante el uso de sustratos de sílice fundida. Sin embargo, es de todos modos recomienda registrar un espectro de fondo con pinzas ópticas vacías en la potencia del láser correcto. Cuando se registra un espectro de dispersión y todos los componentes espectrales no relacionada con la dispersión de nanopartículas real han sido indemnizados por el espectro puede montarse en la escala de la energía con una función de conexión bi-Lorentzian para extraer información relacionada con la Posiciones de pico LSPR (figura 5b).

Figure 1
Figura 1: imágenes SEM y espectros de extinción conjunto para dos lotes de nanopartículas representante. un) Barra de escala es de 200 nm. b) el azul rodeada de imágenes de SEM de una) corresponden al espectro rojo/azul, respectivamente. Los picos espectrales relacionados con las LSPRs longitudinales y transversales son claramente distinguibles. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: ilustración esquemática de la configuración de pinzas ópticas para las mediciones de rotación de nanopartículas de. Luz láser colimada y ampliada a través de un telescopio de Keplerian y posteriormente guiada por el objetivo mediante el uso de dos espejos móviles (M1, M2) y un beamsplitter (BS). Dos waveplates en la trayectoria del laser optimizar la polarización circular de la pinza óptica (λ/2, λ/4). Luz laser retrodispersión puede recogerse después de un polarizador lineal para mediciones de dinámica rotacional y espectroscopia de correlación de fotones. Después de quitar la luz laser, luz blanca dispersada es guiado por un espectrómetro o una cámara. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: datos representativos de la intensidad y la autocorrelación con curva de ajuste para un nanorod atrapado y girando. un) Fluctuaciones de intensidad registradas por el detector píxel después de un polarizador lineal de 1s y una ampliada en parcela de las fluctuaciones. b) Autocorrelated datos de fluctuación de la intensidad para una rotación nanorod oro (puntos azules), de la luz láser backscattered. Los datos muestran una oscilación que se descompone después de algunos períodos. La oscilación se relaciona con la frecuencia de rotación de la nanorod, mientras que el decaimiento es debido a la rotación movimiento browniano. A adaptarse a la función de autocorrelación teórica se lleva a cabo (línea roja) para extraer una frecuencia de rotación de f = 24285 ± 45 Hz y una correlación decaimiento tiempo τ0 = 40,9 ± 1.06 μs. Las incertidumbres de0 f y τrepresentan intervalos de confianza del 95% del ajuste, que tiene un coeficiente de determinación (R2) de 0.9877. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: problema con un volumen demasiado pequeña sonda en fotones espectroscopia de correlación medidas. un) Datos de autocorrelación para un rotativo nanorod oro, recogidos con un grueso (400 μm, azul datos) y una delgada (62,5 μm, datos rojo) fibra. Colección utilizando una fibra gruesa asegura que el nanorod siempre está confinada dentro del volumen de la sonda y que la función de autocorrelación mide la rotación dinámica sólo. Un término adicional del decaimiento debido a la traslación movimiento browniano está presente cuando la sonda es insuficiente. En b) y c), se muestran ilustraciones esquemáticas de los efectos e imágenes de la región de colección retroiluminado. Barras de escala son 2 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: espectros de dispersión de campo oscuro ejemplar registran para un oro nanorod ópticamente atrapado por la luz de laser 660 nm. La región espectral 630-670 nm (1,85 1,97 eV) se distorsiona debido a filtros de muesca necesarios para bloquear la luz laser de la captura. un) espectros de dispersión crudo (azul oscuro) con características que no son inherentes a la dispersión de la partícula y deben ser calibrados para. Estos incluyen el espectro de fondo (rojo), que contiene el autofluorescence excitados por la luz del láser altamente enfocado, y el espectro de excitación de luz blanca (naranja, registrado sin filtro de la muesca). Después de la calibración, el espectro de dispersión corregida (azul claro) muestra dos picos LSPR distintos como se esperaba. Las flechas indican la escala para cada espectro. b) espectro de dispersión para un nanorod atrapado (puntos azules) junto con un ajuste a la función de modelo bi-Lorentzian (rojo) con sus componentes (azul claro y naranja). La región espectral distorsionada no se respetan en el ajuste de los datos y el ajuste tiene un R2 de 0.9975. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La configuración de captura óptica se describe en este protocolo se construye alrededor de un microscopio invertido comercial y utiliza la luz láser rojo. Sin embargo, las técnicas descritas son versátiles y pueden utilizarse para construir pinza óptica circular polarizada alrededor de microscopios más comerciales o de fabricación casera, tanto en posición vertical e invertida, con sólo leves modificaciones. La longitud de onda de láser de captura puede ser elegido dentro de un espectro NIR deancho visible, como el resto de los componentes ópticos y detectores son funcionales a esta longitud de onda específica. Sin embargo, al elegir una longitud de onda del láser, el tamaño y la vecindad espectral con resonancias de las partículas a ser manipulado deben considerarse ya que esto afectará a las fuerzas de captura óptica y rotación rendimiento2,5, la magnitud de fototérmica efectos1y la estabilidad de captura26. Previamente hemos trabajado con éxito con pinzas láser Circular polarizado usando longitudes de onda láser de 1064 nm, 660, 785 y 830.

Uno de los componentes más importantes de la configuración de captura óptica es el objetivo del microscopio. El objetivo de este protocolo es un objetivo seco con NA = 0.95. El uso de un objetivo seco experimentalmente es una realización más simple de la instalación; sin embargo, conducir a aberraciones ópticas debido a la refracción en las interfaces de la célula de muestra. En el presente caso, el resultado es un punto de foco ligeramente ampliada (~1.2 μm) en comparación con el límite de difracción (~0.4 μm), pero esto no cambia significativamente el desempeño general o rotatorio de la plataforma. En principio, una amplia gama de objetivos de microscopio puede ser utilizado, siempre que tengan buena transmisión en la longitud de onda de captura, buena polarización mantenimiento y suficientemente larga distancia de trabajo para realizar la captura a través de un microscopio cubreobjetos y capa de agua. En caso de captura de 2D, la NA puede ser relativamente baja, que simplifica todo el experimento y ofrece limpiador de polarización circular en el foco. Sin embargo, mayores potencias de láser podrían ser necesarios que en el caso de un alto objetivo de NA. En nuestra experiencia, el mejor rendimiento para la captura, rotación y campo oscuro espectroscopia se obtiene con objetivos con NA 0.7-0.95, pero es posible utilizar objetivos de NA inferiores como superiores.

Para obtener fotones buena correlación medidas de movimiento de rotación, es necesario un detector rápido píxel. Elija un detector con un ancho de banda mínimo dos, preferentemente diez, veces mayor que la frecuencia de rotación esperada multiplicada por el factor de degeneración forma y alta sensibilidad en la longitud de onda de captura utilizado. Amplificadas Si fotodetectores, fotón, conteo de APDs y PMT se han utilizado con éxito en diferentes configuraciones en nuestros laboratorios. Puede obtener información adicional, por ejemplo en la rigidez de la trampa, midiendo y analizando desplazamiento traslacional de partícula utilizando técnicas bien establecidas como análisis espectral de potencia5. Un número de publicaciones anteriores describe diversas variantes de esta técnica38,39. Espectroscopia de la DF se puede realizar un espacio libre de gama o fibra juntado espectrómetros y la elección debe basarse en el espectro y la longitud de onda y la resolución temporal necesaria para el estudio previsto.

Cuando se realiza un experimento de reventado, partículas adicionales accidentalmente entren en la trampa. Esto puede detectarse mediante el control de la frecuencia de rotación, que fluctuará fuertemente debido al disturbio. Inspección visual por microscopia de la DF puede utilizarse para verificar la presencia de una partícula adicional, en cuyo caso el escenario se puede mover para evitar la perturbación o el experimento necesita ser reiniciado.

El sistema descrito anteriormente es una manera simple y eficiente para realizar el parto 2D y la rotación de las nanopartículas metálicas. Sin embargo, para algunas aplicaciones, el grado de libertad adicional para la manipulación que viene con 3D captura es importante, y la configuración actual, por tanto, es una limitación. Sin embargo, rotación y confinamiento 3D podrían ser alcanzables utilizando propagación contador laser pinzas o configuraciones de captura más exóticas.

Aunque los parámetros de partículas y sistema aquí pueden ser optimizados para reducir fototérmica calefacción debajo de ~ 15 K4, el aumento de temperatura asociado con excitación plasmónica de nanopartículas de metal puede ser problemático en ciertas aplicaciones. Una ruta posible hacia la reducción de calor adicional es utilizar nanopartículas dieléctricas alto índice en lugar de partículas plasmónica. Tales partículas fuertes resonancias de dispersión tipo Mie la ayuda pero al mismo tiempo exhiben coeficientes de absorción intrínseca baja. Recientemente hemos sido capaces de fabricar nanopartículas de Si resonantes coloidales que pueden ser útiles en este respeto40,41.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por el Knut y Alice Wallenberg Foundation, el Consejo de investigación sueco y el Chalmers área de avance Nanociencia y nanotecnología.

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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Construcción y operación de un sistema del Motor rotatorio de Nanorod oro impulsado por la luz
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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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