Tek plasmonik Nanoparçacığı gelen doğrusal olmayan Saçılma Ölçülmesi

Özet

İzole edilmiş plazmonik parçacıklarda doymuş ve ters doymuş saçılma keşfedildi ve süper çözünürlüklü mikroskopide yeni bir ağartıcı olmayan kontrast yöntemi olarak benimsendi. Burada, doğrusal olmayan saçılmayı tespit etmek ve çıkarmak için deneysel prosedürlerin yanı sıra, doymuş uyarma mikroskobu yardımıyla çözünürlüğün nasıl arttırılacağı ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Özet

Işık uyarımı nedeniyle elektronların toplu salınımına dayanan plazmonikler, güçlü bir şekilde geliştirilmiş yerel elektrik alanları içerir ve bu nedenle olağanüstü optik yoğunluk gerektiren doğrusal olmayan optikte potansiyel uygulamalara sahiptir. Plazmonikte en çok çalışılan doğrusal olmayanlardan biri, doygunluk ve ters doygunluk davranışları dahil olmak üzere doğrusal olmayan absorpsiyondur. Nanopartiküllerdeki saçılma ve absorpsiyon Mie teorisi ile yakından ilişkili olmasına rağmen, çok yakın zamana kadar plazmonik saçılmada doğrusal olmayanlar hakkında bir rapor bulunmamaktadır.

Geçen yıl, izole edilmiş bir plazmonik parçacıkta saçılmanın sadece doygunluğu değil, aynı zamanda ters doygunluğu da ilk kez gösterildi. Sonuçlar, doymuş saçılmanın, lokalize yüzey plazmon rezonansı (LSPR) ile doğrudan bağlantılı gibi görünen açık dalga boyu bağımlılığı sergilediğini gösterdi. Yoğunluğa bağlı ölçümlerle birleştirildiğinde, sonuçlar, saçılma ve absorpsiyonun doğrusal olmayan davranışlarının altında yatan ortak bir mekanizma olasılığını ortaya koymaktadır. Tek bir altın nanosferden (GNS) gelen bu doğrusal olmayan saçılma, süper çözünürlüklü mikroskopi ve optik anahtarlar dahil olmak üzere geniş çapta uygulanabilir.

Bu yazıda, tek bir GSMH'de saçılmanın doğrusal olmama durumunun nasıl ölçüleceği ve doygun saçılmaya dayalı optik görüntüleme çözünürlüğünü artırmak için süper çözünürlük tekniğinin nasıl kullanılacağı ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Bu keşif, l/8 kadar düşük bir çözünürlüğe ulaşabilen ve biyotıp ve malzeme çalışmalarında potansiyel olarak faydalı olacak yeni bir ağartıcı olmayan kontrast yöntemi olan doğrusal olmayan saçılmaya dayalı ilk süper çözünürlüklü mikroskobu içeriyor.

Giriş

Plazmonik çalışma nedeniyle birçok farklı alanda ^1-4 uygulamaları büyük ilgi gördü. Plazmonik en araştırılmıştır alanlardan bir yüzeyi plazmonik, olduğu bir metal ve dielektrik arasında bir arayüz de harici bir elektromanyetik dalga ile iletim elektron çiftler kolektif salınım. Yüzey plazmonik subwavelength optik, biofotonik ve mikroskopi ^5,6 yılında potansiyel uygulamalar için incelenmiştir. Kısmi yüzey plazmon rezonansı (LSPR) nedeniyle metal nanopartiküllerinin ultra küçük bir hacmi içinde kuvvetli alan geliştirme nedeniyle sadece parçacık boyutları, partikül şekilleri ve çevreleyen ortamın ⁷ dielektrik özelliklerine olağanüstü duyarlılık, geniş ilgi çekmiştir ^-10, aynı zamanda, çünkü doğal olarak zayıf doğrusal olmayan optik etkileri ¹¹ artırmak için kabiliyetini. LSPR olağanüstü duyarlılık biyo-algılama ve yakın fie için değerlidirld görüntüleme teknikleri ^12,13. Öte yandan, plasmonik yapılarının gelişmiş doğrusal olmayan optik anahtarlama ve tüm optik sinyal işleme ^14,15 gibi uygulamalarda fotonik entegre devrelerde kullanılabilir. İyi plasmonik absorpsiyon, düşük yoğunluk seviyeleri uyarma yoğunluğu ile doğrusal olarak orantılı olduğu bilinmektedir. Uyarma yeterince güçlü olduğunda, emme doygunluk ulaşır. İlgi çekici bir yüksek yoğunluklarda, absorpsiyon tekrar artar. Bu doğrusal olmayan etkiler saturable emme (SA) ^15-17 olarak adlandırılan ve sırasıyla doyurulabilir emilimi (RSA) ¹⁸ ters vardır.

Bu LSPR nedeniyle saçılım plasmonik yapılarda özellikle güçlü olduğu bilinmektedir. Temel elektromanyetik dayanarak, olay yoğunluğu karşısında saçılma cevabı doğrusal olmalıdır. Bununla birlikte, nanopartiküller, yayılma ve emilme yakın Mie teorisi ile bağlı olan, ve her ikisi de, e olabilirdielektrik sabiti gerçek ve hayali parçaları açısından xpressed. Tek bir GNS hafif aydınlatma altında bir dipol gibi davranır varsayımı altında, Mie teorisine göre tek plasmonik nanoparçacık gelen saçılma katsayısı (Q _sca) ve soğurma katsayısı (Q _abs) ¹⁹ olarak ifade edilebilir

x 2 πa burada / λ bir kürenin çapı ve m, ² ε _{m /} ε _d. Burada ε _m ve ε _d sırasıyla çevredeki Dielektriklerin metal dielektrik sabitleri ve bir karşılık gelmektedir. Saçılma katsayısı şeklinde yana th benzerdire emme katsayısı, bu nedenle tek bir plasmonik nanopartikülün ²⁰ doyabilen saçılma gözlemlemek bekleniyor.

Son zamanlarda, izole bir plasmonik parçacık nonlineer doyabilen saçılma ilk kez ²¹ gösterilmiştir. Bu uyarım yoğunluğu arttığı derin doymuşluktaki, aslında saçılma şiddeti hafif bir azalma dikkat çekicidir. Uyarma yoğunluğu saçılma doymuş oldu sonra artan sürdürdü bile daha belirgin, saçılma şiddeti doyabilen ters ²⁰ saçılma etkisini gösteren, yine yükseldi. Dalga boyundan ve boyut bağımlı çalışmalar ²¹ saçılma LSPR ve doğrusal olmayan arasında güçlü bir ilişki olduğunu göstermiştir. Plasmonik saçılma yoğunluğu ve dalgaboyu bağımlılıklar, bu doğrusal olmayan davranışlar altında ortak bir mekanizmayı göstermektedir emme kişilerce çok benzerdir.

Uygulama açısından, iyi kullanımları bilinmektedirwn o nonlineerlik optik mikroskop çözünürlüğü artırmak için yardımcı olur. 2007 yılında, doymuş uyarma (SAX) mikroskopi uyarma kiriş ²² bir zamansal sinüzoidal modülasyonu yoluyla doymuş sinyalini çıkartma ile çözünürlüğünü artırmak, hangi önerilmiştir. SAX mikroskopi, bir lazer odak nokta için, yoğunluk periferinde daha merkezde güçlü kavramına dayanmaktadır. Sinyal (floresan veya saçılma ya) doyma davranışı sergilerse lineer tepki periferdeki kalırken, doygunluk, merkezden başlamak gerekir. Sadece doymuş bir kısmını ayıklamak için bir yöntem varsa periferik kısmını reddederken, bu nedenle, bu nedenle etkili uzaysal çözünürlüğü arttırmak, sadece merkez kısmını bırakacaktır. Prensip olarak, sürece derin doygunluk ulaşıldığında SAX mikroskopi hiçbir düşük çözünürlüklü sınırı yoktur ve yoğun aydınlatma nedeniyle hiçbir örnek hasar var.

Bu çözünürlük gösterilmiştirfluoresans görüntüsü n anlamlı SAX tekniği kullanarak arttırılabilir. Bununla birlikte, floresans ışıkla ağartma etkisi uğrar. Saçılma nonlineer keşfini ve SAX kavramını birleştiren saçılma dayalı süper çözünürlüklü mikroskopi ²¹ gerçekleştirilebilir. Geleneksel süper çözünürlüklü mikroskop ile karşılaştırıldığında, saçılma tabanlı teknik olmayan yeni ağartma kontrast yöntem sağlar. Bu yazıda, bir adım-adım açıklama elde etmek ve plasmonik saçılma lineer olmayan ayıklamak için gerekli prosedürleri ana hatlarıyla verilir. Olay yoğunluğunu değiştirerek kişiye saçılma doğrusal olmayan belirleme yöntemleri tarif edilmektedir. Daha fazla detay bu nonlinearities tek nanopartiküllerin görüntüleri etkiler ve nasıl uzamsal çözünürlük SAX tekniği ile buna göre artabilir nasıl çözülmeye sağlanacaktır.

Protokol

1. gns Numune Hazırlama

1. LSPR pik kaymasına neden olabilir partikül agregasyonunu önlemek için, yaklaşık 40 kHz en az 15 dakika boyunca örnek, sonikasyon 1 mi gns koloit çözelti hazırlamak önce.
2. GNSS düzeltmek için ticari magnezyum alüminyum silikat (MAS) kaplama ile bir slayt cama GNS kolloid 100-200 ul bırakın.
3. En az 1 dakika sonra, distile su ile yıkama ekstra kolloid çıkarın. Bekleme süresi GNSS gerekli dağıtım yoğunluğuna bağlıdır. Tipik haliyle, çoğu birbirinden izole edilir çünkü parçacıklar kolayca tespit edilmesini sağlar, uygun bir yoğunlukta 1-3 dakika sonuçlanır. Bekleme süresi çok uzunsa, önemli kümelenme meydana gelebilir.
4. Azot gazı ile tasfiye ederek örnek kurutun.
5. (İsteğe bağlı), yüksek çözünürlüklü camına GNSS Haritayı Bu aşamada ²³ at taramalı elektron mikroskobu (SEM) gerçekleştirmek için. Örnek görüntü Figür sağlanane 1, GNSS karakteristik yoğunluğunu gösteren. Görüntü elde etmek için bir alan emisyonu SEM kullanın. Yağ numunesi (sonraki adım) üzerine eklendikten sonra, bu yağ kaldırmak ve SEM ile numuneyi gözlemlemek zor olacaktır.
6. GNSS kapsayacak şekilde numune üzerine aynı kırılma indeksi ile petrol bir damla ekleyin ve cam taban güçlü yansıma ortadan kaldırmak için.
7. Numunenin üstüne bir kapak camı ve tırnak cilası ile sızdırmaz.
8. Oje kuruyana kadar en az 5 dakika bekleyin. Numune artık hazır.

Ev inşa Konfokal Mikroskop 2. Hizalama

1. Kurulum şeması Şekil 2'ye bakınız. Mikroskop gövdesine kendisinin beyaz ışık aydınlatma yolunu hizalayın. Mikroskop halojen ışık kaynağına açın ve Köhler aydınlatma koşulunu sağlamak için mikroskop üreticinin kılavuzuna izleyin. Beyaz halojen ışık demetleri arka neredeyse paralel olduğundan emin olunobjektif diyafram, kısmen 50/50 ışıkbölücü tarafından yansıtılan ve daha sonra lazer doğru yaymak.
2. Onlar tarama aralığının merkezinde olduğu doğru başlangıç ​​pozisyonuna, kalmasını sağlamak için galvano aynalar açın.
3. Halojen ışık yolu boyunca, üzerinde konsantrik halkalar ile bir kağıt ince bir tabaka tarafından yapılan en az iki hedefi, koyun ve halojen kiriş ile hizalayın.
4. Görüntüleme gerçekleştirmek için, 532 nm lazer seçin. Spektroskopi ölçümleri gerçekleştirmek için, süper süreklilik lazer seçin. Hizalama sırasında, lazerlerin gücü lineer olmayan önlemek için objektif arka diyafram açıklığında az 10 uW olmalıdır. Daha sonra, iki hedefleri yardımıyla giden halojen ışınına olay lazer ışını tersini .birleştirecek. Bu işlem tamamlandıktan sonra, lazer ışınının kaba uyum elde edilmiştir.
5. Objektif lens arka diyafram merkezi aracılığıyla lazer ışını aynı hizaya getirin. Tipik olarak bir OI kullanımıl-daldırma objektif. Yağ daldırma objektif lens ve GNS numune arasındaki petrol bir damla ekleyin. GNSS saçılması sinyallerini toplamak için detektör olarak bir photomultiplier tüp (PMT) kullanın.
6. Sinyalleri saçılma out-of-focus engellemek için PMT önünde 20 mikron çaplı iğne deliği yerleştirin. , Galvano aynalar ve (ev yapımı bir yazılım aracılığıyla) PMT açın GNSS gerisaçılımı sinyallerini maksimize etmek örnek aşamasının iğne deliği konumu ve yüksekliği ayarlayın, ve daha sonra bir bilgisayar ekranında bir birey GNS görüyoruz. Doğru hizalanma GNSS bir numunesi xy görüntüsü, Şekil 2B'de gösterilmiştir.
7. Biraz odak konsantrikliğin kontrol etmek için numune aşamasının yüksekliğini değiştirmek. O konsantrik değilse, numune aşamasında yüksekliği değiştiğinde ise aynı konumda kalır GNS merkezinin kadar Tarayıcının önünde iki ayna ile ışın ayarlayın. PSF xz görüntüsü 2C Şekil benzer olduğundan emin olunDoğru ışın uyumun sağlanması. Low-pass ve Gauss pürüzsüz filtreler ile bu iki görüntüleri işlemek.

Saçılma Nonlinearite 3. Karakterizasyonu

1. Düşük uyarım yoğunluğu (az 10 ⁴ W / ^cm2) olarak, protokol 2.6 izleyerek altın nanopartiküller bir görüntü kazanır.
2. ImageJ görüntü (ya da başka herhangi bir görüntü analiz yazılımı) açın. Görüntüdeki GNSS biri boyunca bir çizgi (Şekil 2B bakınız) çizin ve Analiz kullanın -> ImageJ araçları Arsa profili saçılması yoğunluk profili almak için. Gauss fonksiyonu tarafından seçilen PSF profiline uyan:
   
   y, y _0, arka plan değeri (eğer varsa), PMT okuma değeri olduğu bir tepe genliği genişliği w, x, mekansal koordinatı, ve x, _c merkezi koordinat olanGauss fonksiyonu e. Karşılık gelen PSF FWHM (½ln2) w. Amacın sayısal açıklık (NA) göre, konfokal PSF teorik FWHM l emisyon dalga boyu yaklaşık olarak 0.43l / NA, olduğu tahmin edilebilir. Görüntüleme sisteminin uyumu kontrol etmek için bu iki sayıyı karşılaştırın.
3. El Şekil 2A nötral yoğunluk (ND) filtresi değiştirerek uyarma yoğunluğunu arttırmak ve her yoğunluk seviyesinde geri saçılma görüntüleri kaydetmek. Farklı uyarma yoğunluklarda her GNS merkezinden saçılma sinyalinin değerini alın ve uyarma yoğunlukları karşı sinyalleri saçılma eğri çizilir. Uyarma yoğunluğu yeterince düşük olduğunda doğrusal bir ilişki sergiler gereken ilk birkaç puan lineerliğini edin. İlk birkaç noktalarının doğrusal bağlantısına göre bir çizgi çizin. Sonraki noktaların saçılma yoğunlukları bu doğrusal eğilim, Doygunluk altına düşer isen meydana geldi.
4. Doyurulabilir saçılma gözlemledikten sonra, yavaş yavaş doygunluk eşiğinin altında yoğunluğunu azaltmak ve görüntü aynı GNSS yine doğrusal olmayan davranışların reversibilite sağlamak.

Tek Altın Nanokürecikli bir Saçılma Spectrum 4. Ölçümü

1. Tek bir GNS gelen geri saçılma spektrumu ölçmek için lazer kaynağı olarak süper süreklilik lazer kullanın. Lazerin dalga boyu 450 nm, ilk 1750 nm arasında değişir. Örnek ve optik bileşenlerin zarar verebilir aşırı kızılötesi gücünü kesmek için, görünür ışık yansıtmak için sağ süper süreklilik lazer sonra bir veya iki aynalar yerleştirmek, ve ışın aşırı kızılötesi ışık toplamak için döker kullanın.
2. Lazer tarama konfokal mikroskop içine süper süreklilik lazer doğrudan Bölüm 2. hizalama prosedürleri uygulayın. Bütün görünür aralığında spektral kapsama sağlamak için bir Broadband 50/50 BS kullanın.
3. Edinme bircamına GNSS görüntü. Görüntüde tek bir GNS bulun ve parçacık üzerindeki olay genişbant ışığın odağı sabitleyin.
4. Bir şarj çiftli cihazı ile donatılmıştır spektrometre, doğru gerisaçılımı sinyalini doğrudan PMT önünde bir saygısız ayna kullanın ve sonra seçilen tek GNS bir spektrum alır. Burada spektrum GNS saçılma ve arka karışımı nedeniyle diğer eşyalardan yansıyarak olduğunu dikkatli olun.
5. Geri PMT detektörü geçin ve parçacık konumu değişmedi onaylamak için başka bir fotoğraf çekmek. Daha sonra, herhangi bir parçacık mevcut olduğu bir noktaya odak kayması. Geri spektrometre geçin ve arka plan temsil etmektedir fazla spektrum almak.
6. Tek bir GNS net bir gerisaçılımı spektrumunu elde etmek için adım 4,4 yelpazenin adımda 4.5 arka plan spektrumu çıkarın.

SAX Mikroskop 5. Hizalama

1. Bkz: Şekil 3İdeal sinüzoidal zamansal modülasyon iki acousto-optik modülatörlere (AOMs) arasındaki yendi frekansı elde edilir SAX mikroskop, düzeni için. İlk olarak, daha sonraki AOMs ihtiyacını karşılamak için lazer ışını boyutunu ayarlamak. 50/50 ışın ayırıcı kullanarak iki kiriş içine 532 nm lazer ışığı bölün.
2. Tek kiriş Her AOM geçerek birlikte, iki AOMs aracılığıyla iki kirişler Kılavuzu. İki AOMs modülasyonlu frekansları farklı olmalıdır. Örneğin, bir 10 kHz frekans farkı, sonuçta 40,000 MHz ve 40,010 MHz diğer tarafta olabilir. Bu fark frekans SAX sinyalleri için temel modülasyon frekansı f _{m olacaktır.}
3. Her iki AOMs gelen ilk düzeni kırınan kirişler alın ve başka 50/50 ışın ayırıcı kullanarak iki kirişler birleştirir. İki kiriş .birleştirecek için AOMs sonra aynaları ayarlayınız.
4. Zamansal modulatio izlemek için bir osiloskop bağlı bir fotodedektör eklemen. Bir slayt cam lazer küçük bir kısmını bölmek ve Şekil 3'te görüldüğü gibi, fotodedektör gönderebilirsiniz. Doğru modülasyon ve ışın üstüste ile, ana frekans f _m gösterilen dalga benzer sinüzoidal yoğunluk modülasyonu gözlemlemek Şekil 4'te.
   Not: modülasyon arka maksimum modülasyon derinliği elde etmek için mümkün olduğu kadar düşük olması gerekmektedir. Buna ek olarak, modülasyon harmonik bozulma azalan olup olmadığını kontrol etmek osiloskop Fourier analizi işlevini kullanın. Başarılı SAX uygulanmasını sağlamak için, minimize başlangıç ​​nonlineeritenin ile mükemmel bir sinüs uyarma yoğunluğu modülasyonu sağlamak.
5. Osiloskoptan photodetector elektrik çıkışını ayırın ve bir kilit-amplifikatör referans girişine bağlayın.
6. Şekil 3'te gösterildiği gibi, daha önceki protokoller izlenerek konfokal sisteme lazer ışını hizalayın. Here, sinyal girişi olarak kilit-amplifikatör PMT elektrik çıkışını bağlayın.
7. Örnek olarak boş bir kapak camını kullanın ve dedektör 1-V okuma değerinin altında doğrusal Şekil 5, görüldüğü gibi ,, yavaş yavaş uyarım gücünün artırılması ile elektrik algılama sistemi lineerliğini kontrol edin. Sonraki tüm ölçümlerde, bu değerin altına okuma tutmaya özen gösterin.
8. Gerilim sinyalin mutlak büyüklüğünü ihracat kilit-amplifikatör çıkışını ayarlayın. Referans kanal ayarını harmonik bileşeni değiştirerek, böylece SAX sinyalleri, A _1, A ₂ genlikleri elde ve.
9. Ayrıca raster tarama galvano aynalar sürüş gerilim sinyallerini alan bir veri toplama kartı, kilit-amplifikatör gelen doğrusal ve doğrusal olmayan sinyaller dışa aktarın. Özelleştirilmiş bir Labview programı yardımıyla, kilit-amplifikatör ve sinyalleri senkronizegalvano bir görüntü oluşturmak için aynaları.
10. Görüntülerde sinyal-gürültü oranını optimize etmek için, uygun kilit-amplifikatör piksel edinimi ve entegrasyon sürelerini seçin. Uyarma ana modülasyon frekansı f _{10 m} kHz dönem 100 mikro-saniyeye olduğu zaman, olduğu zaman, örneğin, döneme göre en az üç kat daha uzun olması için kilit-amplifikatör entegrasyon zamanını ayarlayın. Galvano ayna hareketinin zaman ekleyerek, satın alma hızı SAX görüntüleme modunda saniyede 1500 piksel olarak belirlenmiştir.

Sonuçlar

Şekil 6, 80 nm GNS ölçülen spektrumunu göstermektedir. Mie teorisine dayalı bir hesaplanan eğri mükemmel anlaşmayı gösteren aynı arsa verilmiştir. LSPR zirve 580 nm civarındadır. Aşağıdaki deneyde, lazer dalga boyunun plasmonik etkisi optik saçılma geliştirmek ve doygunluk ²¹ saçılma sağlamak için plasmonik bant içinde yer almaktadır seçildi 532 nm oldu.

Şekil 7 farklı uyarma yoğunluklarında tek altın nanopartikülünün görüntülerini dağıtarak hediy...

Tartışma

Protokolde, birkaç kritik adımlar vardır. Örneklerin hazırlanmasına, ilk olarak, nanopartiküller yoğunluğu parçacıklar arasında plasmonik kaplin önlemek için, çok yüksek olmamalıdır. İki veya daha fazla parçacıkların birbirine çok yakın ise, LSPR dalga boyunda bağlama sonuçları böylece önemli ölçüde lineer olmayan azaltarak, daha uzun dalga boylarına doğru kayması. Ancak, bu görüntüleme tekniği aslında yerine parçacıkların kendilerinin, plasmonik modları dağılımını haritalar. Bu nedenle, uygun bir uyarım dalga boyu ile ...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
mikroskop gövdesi	Olympus, Japonya	BX-51
objektif lens	Olympus, Japonya	UPlanSapo, 100X, NA 1.4
80 nm altın kolloid	BBI Çözümleri, İngiltere	EM. GC80
süper sürekli lazer	Fianium, Birleşik Krallık	SC400-2-PP
geniş bant dielektrik aynalar	Thorlabs, ABD	BB1-E02
alan emisyonu SEM	JEOL, Japonya	JSM-6330F	isteğe bağlı
spektrometre	Andor Teknolojisi, İngiltere	Shamrock 163
şarj bağlantılı cihaz	Andor Teknolojisi, İngiltere	iDus DV420A-OE
akusto-optik modülatörler	IntraAction Corp., ABD	AOM-402AF1
kilitli amplifikatör	Stanford Araştırma Sistemleri, ABD	SR-830
MAS kaplı sürgülü cam	Matsunami Camı, Japonya,	S9215