Login processing...

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

Engineering

Konstruktion och drift av ett ljus-driven guld Nanorod roterande Motor

doi: 10.3791/57947 Published: June 30, 2018

Summary

Plasmoniska guld nanorör kan vara instängd i vätskor och roteras kHz frekvenser använder cirkulärt-polariserade optisk pincett. Att införa verktyg för Brownian dynamics analys och ljus scatteringspectroscopy leder till ett kraftfullt system för forskning och tillämpning inom många områden av vetenskap.

Abstract

Möjligheten att generera och mäta rotation och vridmoment på nanonivå är av grundläggande intresse för studier och tillämpning av biologiska och artificiella nanomotorer och kan ge nya vägar mot enstaka cell analys, studier av icke-jämvikt termodynamik och mekanisk aktuering nanoskala system. Ett lättköpt sätt att driva rotation är att använda fokuserad cirkulärt polariserat laserljus i optisk pincett. Använder denna metod, kan metalliska nanopartiklar drivas som mycket effektiv spridning-driven roterande motorer snurrar med oöverträffad rotation frekvenser i vatten.

I detta protokoll, vi redogöra för byggande och drift av cirkulärt-polariserade optisk pincett för nanopartiklar rotation och beskriva de instrument som behövs för inspelning av Brownian dynamik och Rayleigh-spridning av fångade partikeln. Den roterande rörelsen och spridning spektra ger oberoende information om egenskaperna för nanopartikelportföljen och dess närmaste omvärld. Den experimentella plattformen har visat sig användbar som en halvledarkomponent mätare av viskositet och lokala temperaturen, för att spåra morfologiska förändringar av nanorör och molekylär beläggningar, samt en givare och sond photothermal och termodynamiska processer.

Introduction

De metoder som presenteras i denna artikel replikerar dem som används i vårt tidigare arbete1 att studera nanoskala photothermal effekter påverkar ljus-driven guld nanorod roterande motorer. Varianter av experimentella plattformen har använts i flera relaterade publikationer2,3,4,5,6,7,8, 9.

Optisk pincett används allmänt för att kontrollera position, kraft och linjär momentum transfer på små längdskalor i fysik, biologi och ingenjörsvetenskap10,11,12,13,14 . Rörelsemängdsmoment bärs av cirkulärt polariserat ljus kan användas för ytterligare rörelsekontroll eftersom det kontinuerligt överföra vridmoment till fångade objekt15. Genom att kombinera optiska linjära och rörelsemängdsmoment överföring, är det sedan möjligt att konstruera noninvasiv roterande nanomotorer med potential för olika applikationer, såsom narkotika leverans in enstaka celler16,17, nanoskala kirurgi18, och aktiva nanofluidik19, bland andra.

Genom att använda metalliska nanopartiklar som betvinga av ljus driven manipulation, kan man utnyttja fördelarna med lokaliserade ytan plasmon resonanser (LSPR'S), som ger stor optisk tvärsnitt, hög känslighet för förändringar i miljön och stora fält förbättringar20,21,22,23. Detta har lett till en uppsjö av studier vid gränsen mellan plasmonik och optiska manipulation8,24,25,26,27. Starkt ljus och materia växelverkan som tillhandahålls av LSPR har gjort det möjligt för oss att utforma en plattform där cirkulärt polariserad laser pincett klarar av att köra guld nanorör att snurra på rekord rotation frekvenser i vatten2. Spåra Brownsk rörelse i en roterande nanorod, kan detaljerad information om dess miljö och temperatur erhållas3,5. Samtidiga spektroskopiska analyser ger en ytterligare oberoende informationskanal för analysera lokala temperaturen och den morfologiska stabiliteten av roterande nanorod1. En rad system och konfigurationer har använts för att studera och tillämpa rotationsrörelse i optisk pincett, generera viktiga insikter inom fältet15,28,29,30 , 31 , 32. men de flesta av dessa studier har behandlat objekt flera mikrometer i diameter medan en enda nanorod ger tillgång till nanometer storlek regimen. Dessutom överförs när guld nanorör används som den roterande nanomotor, vridmoment effektivt huvudsakligen via spridning2,33. Detta minskar risken för överhettning fångade partikel3,34,35.

I följande metod beskriva vi de åtgärder som krävs för att bygga ett system kan effektiva optiska svällning och rotation av metall nanopartiklar. De guld nanorör anses i dessa studier har hög spridning tvärsnitt, och strålningstrycket visar sig vara starkare än den motverkande gradient kraften i förökning riktning. För att ändå begränsa partiklar i 3D, använder vi kraftbalans mellan Coulomb repulsion från en glasyta och laser scattering kraft i förökning riktning. Denna 2D-svällning konfiguration expanderar kraftigt spänna av trap partiklar, jämfört med standard 3D optisk pincett, och det kan enkelt kombineras med mörkt-fält optisk imaging och spektroskopi.

En instängd och roterande metall nanopartiklar interagerar med sin omgivning, och innehåller detaljerad information om denna interaktion i dess rörelse och spektrala egenskaper. Efter att ha beskrivit hur man konstruerar cirkulärt polariserad optiska pincetten, redogöra vi därför också för hur du integrerar instrumentation för avsökning av roterande dynamics och för att mäta rayleighspridning spectra i experimentell setup. Resultatet är en mångsidig plattform för studier av nanoskala rotation fenomen i fysik, kemi och biologi.

Protokollet förutsätter att forskaren har tillgång till lämplig kolloidalt metall nanopartiklar, helst enda kristallina guld nanorör. Guld nanorör kan köpas från specialiserade företag eller syntetiseras i hus med våt-kemi metoder. De nanorör som används i våra experiment har gjorts av utsäde-medierad tillväxt metoden beskrivs i Ye o.a. 201336. Det är fördelaktigt om morfologin och optiska egenskaper av nanopartiklarna är väl karakteriserade, exempelvis med hjälp av scanning electron microscopy (SEM) och optiska utrotning mätningar. Figur 1 visar data som spelats in från sådana mätningar för representativa nanorod typer1.

En disposition av protokollet är följande: I den första delen beskriver vi byggandet av optiska pincetten baserat på cirkulär polarisering. I det andra avsnittet beskriver vi hur man extrahera information från nanomotor med inspelning av dess roterande dynamics och spridning egenskaper. Rotation frekvensen och den roterande Brownsk rörelsen fångade partikelns mäts med photon korrelation spektroskopi av utskjutande bakåtspritt laserljus filtreras genom ett linjärt polarisationsfilter på en snabb single-pixel detektor3. Genom att montera data till en teoretisk autokorrelation funktion, kan både rotation frekvensen och den förfalla time av roterande Brownian diffusionen vara extraherade2,3. De optiska egenskaperna av instängd och roterande nanopartikelportföljen mäts med hjälp mörka fält spektroskopi, som ger kompletterande information på partikeln och dess miljö. I det tredje avsnittet beskriver vi experimentella förfarandet för svällning och rotation av guld nanorör.

Protokollet beskrivs fram till denna punkt är en enkel väg till ett fungerande cirkulärt polariserad optisk pincett system för nanopartiklar rotation. Dock uppstår ibland problem som kräver extra uppmärksamhet. I fjärde avsnittet beskriver vi några av de vanligaste problemen som vi har stött och hur man ska hantera dem. Dessa inkluderar frågor som rör nanopartiklar optiska egenskaper leder till dålig fälla stabilitet (4.1), låg rotation frekvenser på grund av suboptimal cirkulär polarisering som orsakas av beamsplitter Dubbelbrytning (4.2), klibba av nanopartiklar på glasytan på grund av otillräcklig Coulomb repulsion (4.3) och avvikelse från den karakteristiska autokorrelation signalen (4.4).

Protocol

1. cirkulärt polariserade optisk pincett för nanopartiklar Rotation

  1. Bygga setup runt lämplig inverterade Mikroskop och använda en synlig röd-våglängd laser (660 nm). En schematisk bild av experiment presenteras i figur 2. Se till att välja en laser med en stabil output power upp till 500 mW (producerar en makt på prov plan runt 50 mW). Också se till att resten av komponenterna prestera bra på den svällning laser våglängden.
  2. Använd en torr mål med en numeriska bländaröppningen (NA) 0,95 och 40 X förstoring.
  3. Alltid bära skyddsglasögon och bibehålla bra laser säkerhet (särskilt om du använder icke-synlig laser). Utför justering på minsta laser strömmen. Kapsla in hela laser sökvägen för både säkerhet och för att undvika termiska avdrift och damm i ljusstrålen.
    Obs: Beroende på polarisering utdata från lasern, optiska pincetten kan dra nytta av att placera en linjär polarisator som inledande optisk komponent. Om polariseringen av laser redan är linjär, kan denna komponent utelämnas.
  4. Använda ett par positiva linser i en Keplerian teleskop konfiguration (linser längst ner i figur 2) för att expandera laserstrålen sådan att beam diameter är något större än tillbaka bländaren av målet svällning.
    Obs: Detta möjliggör användning av hela NA av målet och kommer att producera en diffraktion begränsad fokus fälla11resulterar i optimal svällning stelhet.
  5. Kontrollera att svällning lasern är korrekt parallellt efter beam expandern. Detta kan göras genom att se till att balken storlek är nära till oförändrad när förökningsmaterial till målet (eller med hjälp av en klippning interferometer).
  6. Använda två speglar (M1 och M2 i figur 2), monterad på kinematisk spegel fästen (och om det behövs, en översättning arrangerar), att rikta strålen in i mikroskopet installationen.
    Notera 1: Hålla tillräckligt med utrymme mellan laser speglar och Mikroskop för att kunna lägga till ytterligare optiska element såsom waveplates och beamsplitters.
    Obs 2: Se till att lasern filtreras alltid bort från okulär eller några andra tillgängliga ljus spännande mikroskopet.
  7. Använd en beamsplitter (50/50 partiell överföring/reflektion används här, men ett dikroiskt kunde också fungera bra) inuti mikroskopet till par laserljus in i målet, utan att förlora imaging och mätning kapacitet i mikroskopet setup.
  8. Inkluderar en kamera (se figur 2) i inställningarna för efterföljande experimentella observationer och för dataregistrering. Om ett system utan en okulär används, detta är viktigt för någon justering.
  9. Fokusera laser på en glasskiva eller en spegel. Om lasern är anpassad och skriver in målet i rätt vinkel, är laser intensitet mönstret radiellt symmetriska när du ändrar fokus ovanför och nedanför brännpunkten.
  10. Finjustera vinklarna för laser speglarna (M1 och M2 i figur 2) för att erhålla optimal laser anpassning (enligt beskrivningen i 1.9).
  11. Cirkulärt polarisera laserljuset.
    1. Den lätta vägen till målet, passera med lasern genom en kvarts våg tallrik (QWP; λ/4 i figur 2) orienterade med dess snabba axeln på 45 ° till den linjär polarizationen av laser ljus att omvandla de linjärt polariserad ljuset till cirkulärt polariserat ljus på prov planet.
    2. Ställa in en 360°-vridbar linjär polarisator och en kraftmätare framför målet.
    3. Kontrollera polarisering av roterande linjär polarisator och att notera högsta och lägsta kraften, motsvarar den största och mindre axeln eller polarisering ellipsen.
      Obs: Förhållandet bör vara högre än 0,9 för optimal rotation prestanda. Om detta inte uppnås, se punkt 4.2 för en lösning.
  12. Mäta laser kraften på prov planet.
    1. Använd en optisk kraftmätare sond laser kraften på prov planet. Var noga med för att samla alla ljuset passerat genom målet för en korrekt mätning av svällning makt.
    2. Utför en linjär sopa av utdata laser befogenheter och registrera motsvarande befogenheter på prov planet för senare omvandling till driva täthet i fällan.
  13. Ställa in ett mörkt fält (DF) system i Köhler nedsänkt belysning med en olja DF kondensorn för att aktivera visualisering av partiklar och svällning händelser. Detta kommer att möjliggöra både bildhantering och spektroskopiska mätningar av de fångade nanopartiklarna.

2. instrumentering för mätningar av Rotation, roterande Brownian Dynamics och spektroskopiska boenden

  1. Photon korrelation spektroskopi med single-pixel detektor.
    1. Infoga en beamsplitter (30R/70T) i den optiska vägen för att extrahera bakåtspritt ljus från nanopartikelportföljen.
    2. Anslut en snabbt en bildpunkt Si fotodiod till ett datakort förvärv att aktivera inspelning av signaler.
      Obs: Det är viktigt att ha en fotodiod/DAQ som klarar mäta de roterande frekvenser som förväntat (flera tiotals kHz).
    3. Fokusera ljuset på en samling fiber fast i ett xy-översättning mount. Infoga en linjär polarisator före insamling fibern.
    4. För samling fiber justering, par synligt ljus till exit slutet av fibern att belysa substratet. Detta möjliggör visualisering och analys av regionen samling av fiber.
    5. Justera positionen av fiber med hjälp av xy-översättning montera, så att dess samling region sammanfaller med positionen av den optiska fällan. Anslut den exit änden av fiber till Si-detektorn och finjustera positionen för fibern att maximera insamlade baksidan spridda signal.
  2. Mörka Fältinställningar spektroskopi.
    1. Tänk på att vård behöver vidtas att välja alla optiska komponenter i sökvägen mellan prov och spektrometern, för att inte blockera ljuset inom spektrala spänna av intresse.
    2. Ta försiktighet eftersom direkt spridda eller reflekterade laserljus kan skada sensorn spektrometer. Blockera laserljuset med hjälp av lämpliga filter och/eller dikroiskt beamsplitters. Utför alltid justeringen av installationen på den minsta lasereffekten.
    3. Infoga en beamsplitter/spegel i den optiska vägen att omdirigera ljuset till spektrometern (i detta protokoll, en ledigt utrymme kopplat spektrometer används). En av Mikroskopen utgång portar kunde också användas, om det är lämpligt.
    4. Använd notch-filter för att ta intensiva svällning laserljuset (filter av totala OD12 på laser våglängd behövdes för tillräcklig blockering i vårt fall), som i andra fall kommer att skymma spektrala av nanopartikelportföljen sevärdheter.
    5. Justera positionen för optiska pincetten av vägledande speglarna (M1 och M2 i figur 2) så att det sammanfaller med positionen av spektrometer skåran.
      Anmärkning 1: Förändringar i position optiska fällan kommer att kräva omgruppering av fotonen korrelation mätsystemet (instruktioner 2.1.4-2.1.5).
      Anmärkning 2: Vid den nya positionen den optisk pincett, instruktioner 1,9-1.10 behöver upprepas för att nå en väl anpassad optisk fälla.

3. experimentell förfarande

  1. Beredning av partiklar för experiment.
    1. Späd ut partiklar i DI-vatten. En lämplig koncentration av nanorör bör vara mellan 0,1-0,01 pM. Sonikera utspädd lösning i renare ultraljudsbad för 2 min att bryta isär möjligt aggregat och homogenisera lösningen.
    2. Tune koncentrationen av nanorör i utspädningstunneln för att undvika fångst av flera partiklar. Ju längre det experiment som ska utföras, desto lägre koncentration som krävs för att minska risken för svällning flera partiklar eller föroreningar.
  2. Beredning av prov-cellen.
    1. Tvätta ett objektglas och en skyddsglaset (nr 1,5) i aceton och därefter isopropanol under ultraljudsbehandling i fem minuter, respektive.
      Obs: Se till att surface laddningen av glasskiva under experimentet har samma polaritet som de kolloidala nanopartiklarna. Nanopartiklar som stabiliseras av det ytaktiva ämnet hexadecyltrimethylammonium metylbromid (CTAB) är positivt laddade.
    2. Placera en 100 µm spacer tejp på en glasskiva.
    3. Skingra 2 µL utspädda nanopartiklar lösningen på mikroskopet bilden inom den väl och 2 µL på täckglaset. Lösning på båda ytor möjliggör en mer kontrollerbar montering av cellen provet.
    4. Anslut de två delarna av cellen prov tillsammans samtidigt undvika bildar eventuella luftbubblor inne i kammaren.
    5. Placera cellen på Mikroskop scenen och placera en droppe index-matchade (doppning) olja ovanpå provet och en droppe på kondensorn. Droppar på varje sida undvika bubblor i oljan som sprider ljus och minskar kontrasten av DF belysning.
  3. Utför ett experiment.
    1. Leta upp en partikel genom observation i DF imaging system. En enda nanorod kan vanligtvis identifieras genom observation av dess Brownsk rörelse (mer oberäkneligt än aggregat) och färg (motsvarande den starkaste LSPR resonansen).
    2. Start/avblockera svällning lasern.
    3. Genom en serie steg rörlighet och fokus korrigeringar, driva valt partikel via strålningstrycket i laserns förökning riktning mot vattenglas gränssnittet. På gränssnittet, z-rörelse begränsas av en balans mellan strålningstryck och Coulombs repulsion mellan CTAB molekyler på ytan nanopartiklar och positivt laddade ytan. Den xy-fluktuationer är begränsade av gradient styrkor i optiska pincetten.
    4. Genom små fokus korrigeringar, maximera svällning stabilitet eller rotation hastighet, mätas från autokorrelation data (som beskrivs nedan i instruktion 3.4).
    5. Vid denna punkt, spela in både roterande dynamics och spektroskopiska egenskaperna för den fångade nanorod. Se instruktioner 3.4 och 3.5 nedan om hur sond dessa. Detta kan göras under längre tid, upp till flera timmar om det behövs.
  4. Roterande dynamics mätningar.
    1. Se till att ha en samling region från den fiber som är tillräckligt stor för att alltid bifoga bilden av partikeln under dess translationell rörelse.
    2. Samla intensitet svängning signal med den Si fotodetektor vid en lämplig tidpunkt för sondering frekvens och samling. Välj 65536 Hz och 1 s förvärv tid att börja med och justera om det behövs.
      Obs: Sondera frekvens bör minst två (och optimalt tio) gånger större än rotation frekvensen multiplicerat med graden av detekterbara rotational symmetri (N, se nedan). Upphämtningstid bör vara tillräckligt lång för att kunna få frekvenser betydligt lägre än rotation frekvensen.
    3. Efter att ha samlat en uppsättning intensitet fluktuation data från en roterande nanopartiklar, beräkna autokorrelation av intensitet fluktuationer. Detta görs genom att beräkna korrelationen av signalen med en tajma-försenade kopia av sig själv för varje dröjsmål tid τ (i.e.,C(τ) = {jag(τ) · Jag(0)}).
    4. Utföra en passform till teoretiska autokorrelation funktion
      Equation 1
      där jag0 är den genomsnittliga intensitet, jag1 är amplituden av intensitet fluktuationer och N är graden av detekterbara rotational symmetri (för rod-liknande partiklar N = 2)2,3.
    5. Från passformen, extrahera frekvens fruttna och förfall rotationstid av autokorrelation signal τ0 (relaterat till roterande Brownsk rörelse dynamics).
  5. Spektroskopiska mätningar.
    1. Spela in en vit ljus spektrum (jagvit(λ)) genom att samla belysning ljus. Detta kan göras genom tätt dispergering enhetligt spridning polystyren pärlor på en yta och samla in deras spridning svar.
    2. Spela in en bakgrund spektrum (jagbkg(λ)) genom att samla ströljus i svällning plats när en partikel inte är instängd.
      Anmärkning 1: Detta bör göras för varje enskild mätning eftersom Bakgrundsegenskaper kan variera betydligt mellan olika prov celler och även platser inom ett urval.
      Anmärkning 2: Inspelning bakgrund spectra bör göras för samma laser kraft som används för optiska svällning. Detta gör att man kan ta bort alla möjliga auto-fluorescens från glasskiva, upphetsad av hög laser stödnivåerna i fokus.
    3. Spela in ett mörkt spektrum (jagmörka(λ)), när blockerar allt ljus kommer till detektorn. Sedan, registrera ett raw spektrum av en instängd nanopartiklar (jagraw(λ)).
    4. Tillgång till faktiska nanopartiklar scattering spektrumet genom att beräkna
      Equation 2
    5. För att extrahera information om de LSPR topp positionerna, passa DF scattering spektrumet energi skala med en bi-Lorentzian passande funktion inklusive en linjär korrigering term för interband övergångar i guld. Funktionen modell lyder:
      Equation 3
      där E är energi, jagB är en baslinje intensitet, k lutningen på den linjära korrigeringen, jagjag är intensiteten maxima, Γjag den fulla bredden på halva maxima (FWHM) och E0, i topp positionerna för de två Lorentzian topparna.

4. felsökning och lösning på vanliga problem

  1. Problem relaterade till guld nanorod egenskaper.
    1. Stackars svällning stabilitet.
      1. Kontrollera att den huvudsakliga resonansen (vanligtvis längsgående resonans vid nanorör) är på blå våglängd sida av svällning laser våglängd. Om så inte är fallet, gradient kraft blir motbjudande istället för attraktiva37.
      2. Som en nanorod storlek minskar, förslaget från Brownian fluktuationer ökar, och samtidigt den stabiliserande kraften från Stokes drar minskar. Försäkra nanorör är tillräckligt stora för de xy-gradient kraft att övervinna dessa destabiliserande krafter.
    2. Överlappande eller bred spektrala funktioner.
      1. Stavar måste ha en tillräckligt stor bildförhållande för LSPR toppar separeras tillräckligt för att lösas individuellt (se figur 1b).
        Obs: Laser våglängd sätter en övre gräns för den formen anisotropin, sedan den längsgående LSPR rödförskjutningar för längre stavar.
      2. Nanopartiklarna bör helst vara tillräckligt liten för att inte stödja högre ordning LSPR lägen i den synliga regimen, eftersom detta komplicerar analysen. Nanopartiklar urval är en balans mellan detta övervägande och svällning stabilitet frågan i instruktion 4.1.1.2.
  2. Otillräcklig cirkulär polarisering av svällning laser.
    Obs: För att erhålla optimal prestanda för rotation av fångade nanopartikelportföljen, laserljuset når provexemplaret planet bör vara cirkulärt polariserad. Beamsplitters och andra optiska komponenter kan vara polarisering beroende, vilket kan göra det omöjligt att få perfekt cirkulär polarisering med endast en QWP.
    1. Infoga en halv-wave tallrik (HWP; λ/2 i figur 2) efter QWP i sökvägen, att kompensera för beamsplitter Dubbelbrytning.
    2. Ställ in linjär polarisator och power mätaren konfiguration och utföra en analys av laserns polarisering staten (som i instruktioner 1.11.2-1.11.3).
    3. För varje position i steg om fem grader av QWP, rotera HWP genom dess hela kantiga utbud (90°) i steg om fem grader och mäta förhållandet makt för varje position. Strävar efter att hitta vinklar QWP och HWP som maximerar förhållandet mellan högsta och lägsta makt.
      Obs: Vår erfarenhet den maximala kvoten mellan högsta och lägsta befogenheter var 0,75 utan och 0,98 med HWP korrigeringen.
  3. Partiklar fastnar gränssnitt på laser power otillräckliga för att begränsa partiklar i xy-planet.
    1. Tune koncentrationen av stabiliserande tensid, genom en partikel som tvätt förfarandet och efterföljande återdispergering av nanorör i en kontrollerad koncentration av CTAB.
      1. Centrifugera stamlösning av nanopartiklar tills partiklar sediment (~ 5 min på 600g).
      2. Avlägsna suspension vätskan.
      3. Skingra åter i vatten. Detta späder CTAB innehållet stamlösning.
      4. Upprepa steg 4.3.1.1. och 4.3.1.2. en gång till.
        Obs: Eftersom CTAB agerar colloid stabiliserande agenten, undvika överdriven centrifugeringstid och hastighet i efterföljande tvättning steg eftersom ökar risken för aggregering som CTAB tvättas bort.
      5. De flesta CTAB ytaktiva ämnen i den ursprungliga kolloidal lösningen är nu borttagen och en ny, välkontrollerade, koncentration av CTAB kan införas i kolloid. Från vår erfarenhet, dispergering stamlösning i vatten med 20 µM CTAB och efterföljande DI-vatten utspädning till experimentella lösning koncentration resultaten i en yttäckning som producerar tillräckligt Coulomb repulsion.
      6. Möjliga finjustering av CTAB koncentrationen kan behövas för att skapa lämpliga partikel/ytan avskyn för särskilt parti av nanopartiklar används. Upprepa proceduren ovan och något påverka CTAB koncentrationen för att hitta en riktig en.
    2. Glasytan tvätt till negativt kostnad yta.
      Obs: Proceduren tvätt producerar en negativt laddade yta som kommer att vara belagd med gratis CTAB molekyler i den experimentella lösningen, att det positiva och elektrostatiskt motbjudande för partikeln under 2D svällning.
      1. Ta ett objektglas och rengör det i en blandning av vatten och 2 wt % av grundläggande tvättmedel upphettats till 80 ° C i ca 10 minuter tills ytan är synbart hydrofil.
        Obs: Undvik att tvätta objektglas alltför länge eller hårt, eftersom detta kan göra glasytan porösa och producerar en mängd föroreningar partiklar.
  4. Problem med photon autokorrelation spektroskopi.
    1. Låg amplitud av intensitet svängningar eller bullriga signalen.
      1. Infoga ett bandpassfilter (BP filter i figur 2) innan samling fiber, som passerar det laserljus och block mörkt-fält belysning ljus.
        Obs: I princip mätningen fungerar när du samlar allt ljus också. Dock unpolarized vitt ljus DF belysning piggar effektivt ur planet lägen, och eftersom en nanorod roterar runt sin kort axel i ett plan som är normal till den optiska axeln, är out-of-planet tvärgående LSPR. Detta läge bär inte någon form anisotropi under rotation och samla ljus från det minskar bara signalen brusförhållande av mätningen.
    2. Ytterligare förfall i autokorrelation funktion.
      1. Kontrollera core storlek samling fibern är tillräckligt stor för att innehålla bilden av nanopartikelportföljen under hela dess utflykter på grund av translationell Brownsk rörelse.
      2. Om en fiber med en alltför liten kärna storlek används, ersätta den med en större.
      3. Kontrollera anpassningen av ny fiber, liksom instruktioner 2.1.4-2.1.5.

Representative Results

Rotation och roterande Brownsk rörelse av en guld nanorod som är ordentligt fast i cirkulärt polariserad laser pincetten kan bli utforskad av inspelning ljusspridning intensitet fluktuationer (figur 3a) med single-pixel detektor. En autokorrelation spektrum av denna signal innehåller en oscillerande komponent, liknande den som visas i figur 3b. som kan passa till en teoretisk autokorrelation funktion. Tillbehöret gör utvinning av rotation frekvensen och den autokorrelation förfalla time, vilket är relaterat till de roterande Brownian fluktuationerna, nanorod.

Som nämns i protokollet (instruktion 4.4.2), är det viktigt att använda en tillräckligt tjock fiber kärna för att samla bakåtspritt laserljuset för photon korrelation spektroskopi. Om detta inte är fallet, kommer att en extra förfaller term med partikel översättning och ur sonden volymen vara närvarande i korrelationsfunktionen, se figur 4. Genom noggrann analys, kan detta ge mer information om systemet. men komplicerar det analysen av roterande Brownian dynamiken som finns i data.

För att erhålla rätt DF scattering spectra från fångade nanopartiklar, som beskrivs i avsnitt 3.5, behöver spektrala rådata kalibreras. Detta görs genom att registrera belysning lampa spektrumet samt en bakgrund spektrum (figur 5a). När man fokuserar intensivt laserljus på en glasyta, såsom substratet mot vilken nanorör är instängd, vissa fluorescens kan genereras (se röda spektral bidrag i bakgrunden spektrum figur 5a). Denna fluorescens kontaminering kan minskas med hjälp av smält kiseldioxid substrat. Dock rekommenderas det ändå att spela in en bakgrund spektrum med Tom optisk pincett på den rätta lasereffekten. När ett scattering spektrum registreras och alla spektrala komponenter inte relaterade till faktiska nanopartiklar spridningen har kompenserats för, spektrumet kan monteras i energi skala med en bi-Lorentzian passande funktionen extrahera information relaterade till den LSPR topp positioner (Figur 5b).

Figure 1
Figur 1: SEM-bilder och ensemble utrotning spektra för två representativa nanopartiklar batchar. en) Skalstapeln är 200 nm. b) den blå/röd gränsar SEM-bilder i en) motsvarar det röd/blå spektrumet, respektive. De spektrala toppar relaterade till de tvärskepps- och LSPRs är klart urskiljbara. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Schematisk illustration av optisk pincett setup för nanopartiklar rotation mätningar. Laserljus är parallell och expanderat genom en Keplerian teleskop, och därefter guidas till målet med hjälp av två rörliga speglar (M1, M2) och en beamsplitter (BS). Två waveplates i sökvägen laser optimera den cirkulära polariseringen av optiska pincetten (λ/2, λ/4). Bakåtspritt laserljus kan samlas efter en linjär polarisator för photon korrelation spektroskopi och roterande dynamics mätningar. Efter bort laserljuset, styrs spridda vita ljuset till en spektrometer eller en kamera. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: representativa intensitet och autokorrelation uppgifter med kurva passar för en instängd och roterande nanorod. en) Intensitet fluktuationer inspelad av enstaka pixel detektorn efter en linjär polarisator för 1s, och en inzoomade tomt på växlingarna. b) Autocorrelated insamlade intensitet fluktuationer en roterande guld nanorod (blå punkter), från bakåtspritt laserljus. Data visar en svängning som sönderfaller efter några perioder. Svängningen är relaterad till rotation frekvensen av nanorod, förfalla är på grund av roterande Brownsk rörelse. A passar till teoretiska autokorrelation funktion utförs (röda linjen) att extrahera en rotation frekvens f = 24285 ± 45 Hz och en korrelation förfalla tid τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. F och τ0 osäkerheten utgör 95% konfidensintervall av passformen, som har en determinationskoefficienten (R2) av 0.9877. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: problemet med en alltför liten sond volym i photon korrelation spektroskopi mätningar. en) Autokorrelation data för en roterande guld nanorod, samlas med en tjock (400 µm, blå data) och en tunn (62,5 µm, röda data) fiber. Samling med en tjock fiber säkerställer att nanorod alltid är begränsat i volymen sonden och att funktionen autokorrelation åtgärder roterande dynamics endast. En extra förfaller sikt på grund av translationell Brownsk rörelse är närvarande när sonden volymen är otillräcklig. I b) och c), schematiska illustrationer av effekten och bilder av regionen back-belysta samling visas. Skala barer är 2 µm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: exemplariskt mörka fält scattering spectra registreras för en guld nanorod optiskt fångade av 660 nm laserljus. Den spektrala-regionen 630-670 nm (1,85-1,97 eV) är snedvriden på grund av notch-filter som behövs för att blockera svällning laserljuset. en) Raw scattering spectra (mörkblå) visar funktioner som inte är inneboende till spridningen av partikeln och bör kalibreras för. Dessa inkluderar bakgrund spektrumet (röd), som innehåller autofluorescens upphetsad av mycket fokuserad laserljuset, och vita ljus excitation spektrumet (orange, inspelad utan notch-filter). Efter kalibrering visar korrigerade scattering spektrumet (ljusblå) två distinkta LSPR toppar som väntat. Pilarna anger skalan för varje spektrum. b) Scattering spektrum för en instängd nanorod (blå punkter) tillsammans med en passform till bi-Lorentzian modell-funktionen (röd) med dess komponenter (ljusblå och orange). Den förvrängda spektrala-regionen ignoreras i montering av data och passform har en R2 i 0.9975. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Den optiska svällning inställning som beskrivs i detta protokoll är byggt runt ett kommersiella inverterade Mikroskop och använder röd laserljus. Dock de metoder som beskrivs är mångsidig och kan användas för att konstruera cirkulärt polariserad optisk pincett runt mest kommersiella eller hembyggda Mikroskop, båda upprätt och inverterad, med endast mindre förändringar. Svällning laser våglängd kan väljas inom ett brett synligaNIR-spektrum, så länge resten av optiska komponenter och detektorer är funktionell på detta viss våglängd. Ändå, när du väljer en laser våglängd, storlek och spektrala närhet till resonanser av partiklarna att manipuleras bör övervägas eftersom detta kommer att påverka de optiska svällning krafter och rotation prestanda2,5, omfattningen av photothermal effekter1, och den svällning stability26. Vi har tidigare framgångsrikt arbetat med cirkulärt polariserad laser pincett med laser våglängder av 660, 785, 830 och 1064 nm.

En av de viktigaste komponenterna i den optiska svällning setup är syftet mikroskopet. Syftet i detta protokoll är ett torrt mål med NA = 0,95. Användning av en torr mål är experimentellt en enklare förverkligandet av installationen; Det leder dock till optiska avvikelser på grund av refraktion i provet cell gränssnitten. I förevarande fall är resultatet en något utvidgad fokus plats (~1.2 µm) jämfört med diffraktionsgränsen (~0.4 µm), men detta ändrar inte väsentligt allmänt eller roterande prestanda i plattformen. I princip, kan ett brett utbud av Mikroskop mål vara används, förutsatt att de har bra överföring på den svällning våglängden, bra polarisering underhåll och tillräckligt långa arbetsavstånd att utföra svällning genom ett Mikroskop täckglas och lager av vatten. Vid 2D svällning, kan NA vara relativt låg, vilket gör hela experimentet enklare och ger renare cirkulär polarisering i fokus. Högre laser befogenheter kan dock krävas än vid en hög NA mål. Vår erfarenhet, bästa prestanda för svällning, rotation och mörkt-fält spektroskopi erhålls med målen med NA 0.7-0,95, men det är möjligt att använda såväl lägre som högre NA mål.

För att få bra photon korrelation mätningar av roterande rörelse, behövs en snabb single-pixel detektor. Välja en detektor med en bandbredd på minst två, helst tio gånger högre än den förväntade rotation frekvens multiplicerat med den formen degeneracy faktorn och hög känslighet vid våglängden som svällning används. Förstärkt Si fotodetektorer, single photon counting APDs, och PMTs har använts med framgång i olika uppställningar i våra laboratorier. Ytterligare uppgifter, till exempel fälla stelhet, kan erhållas genom att mäta och analysera partikel translationell förskjutning använder väl etablerade tekniker såsom makt spektralanalys5. Ett antal tidigare publikationer beskriver olika varianter av denna teknik38,39. DF-spektroskopi kan utföras med ett brett utbud gratis-utrymme eller fiber tillsammans spektrometrar och valet bör baseras på spektralområde och våglängd och temporal upplösning behövs för den planera studien.

När du utför en svällning experiment, kan ytterligare partiklar av misstag anger fällan. Detta kan upptäckas genom att övervaka rotation frekvensen, som kommer att fluktuera kraftigt på grund av störningen. Okulärbesiktning av DF mikroskopi kan användas för att kontrollera förekomsten av en ytterligare partikel, i vilket fall scenen kan flyttas för att undvika ytterligare störning eller experimentet behöver startas.

Det system som beskrivs ovan är ett enkelt och effektivt sätt att förverkliga 2D instängdhet och rotation av metalliska nanopartiklar. Dock för vissa program, den extra grad av friheten för manipulation som medföljer 3D svällning är viktigt, och den aktuella konfigurationen är därför en begränsning. 3D instängdhet och rotation kan dock uppnås genom att utnyttja counter förökningsmaterial laser pincett eller mer exotiska svällning konfigurationer.

Även om parametrarna partikel och system som diskuteras här kan optimeras för att minska photothermal uppvärmning till nedan ~ 15 K4, kan den temperaturökning som är associerad med plasmoniska excitation av metall nanopartiklar vara problematiskt i vissa applikationer. En möjlig väg mot ytterligare värme minskning är att använda hög-index dielektriska nanopartiklar istället för plasmoniska partiklar. Sådana partiklar stöder starkt Mie-typ scattering resonanser men samtidigt uppvisar låga inneboende absorptionskoefficient. Vi har nyligen kunnat tillverka kolloidalt resonant Si nanopartiklar som kan vara användbar i detta avseende40,41.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöds av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet och området Chalmers i förväg nanovetenskap och nanoteknik.

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).
Konstruktion och drift av ett ljus-driven guld Nanorod roterande Motor
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Andrén, D., Karpinski, P., Käll, M. Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System. J. Vis. Exp. (136), e57947, doi:10.3791/57947 (2018).More

Andrén, D., Karpinski, P., Käll, M. Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System. J. Vis. Exp. (136), e57947, doi:10.3791/57947 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter