轻型金纳米旋转电机系统的施工与运行

1. 纳米粒子旋转用圆极化光镊 建立一个适当的倒置显微镜周围的设置, 并使用可见光红波长激光 (660 nm)。图 2给出了实验设置的示意图。确保选择一个稳定的输出功率高达500兆瓦的激光器 (产生功率在样品平面约50兆瓦)。还要确保其他组件在捕获激光波长下表现良好。 使用具有0.95 和40X 放大倍数的数值孔径 (NA) 的干目标。 始终佩戴安全护目镜, 保持良好的激光安全 (特别是如果使用非可见光激光器)。对最小激光功率进行对准。封装整个激光路径的安全和避免热漂移和灰尘的光路。注: 根据激光输出的偏振态, 光镊可以从放置一个线性偏光片作为初始光学元件中受益。如果激光器的极化已经是线性的, 则可以省略这个分量。 在 Keplerian 望远镜配置中使用一对正透镜 (图 2底部的透镜) 来扩展激光光束, 使光束直径比陷印目标的后隙稍大。注意: 这使得使用整个 NA 的目标, 并将产生一个衍射有限的焦点的陷阱11, 导致最佳的陷井刚度。 确保在光束膨胀器后, 俘获激光器正确地准直。这可以通过确保光束尺寸在传播到目标 (或使用剪切干涉仪) 时接近不变。 使用两个镜像 (图 2中的 M1 和 M2), 安装在运动镜像支架上 (如果需要, 转换阶段), 将激光束定向到显微镜设置中。注 1: 在激光镜和显微镜之间保持足够的空间, 以便能够添加额外的光学元件, 如 waveplates 和分光镜。注 2: 确保激光始终从显微镜下的眼睛或任何其它可接触的光线中过滤掉。 使用一个 beamsplitter (50/50 部分传输/反射在这里使用, 但一个分色也可以正常工作) 显微镜内, 以耦合激光到目标, 而不失去成像和测量能力的显微镜设置。 在安装过程中包括照相机 (见图 2), 以便随后进行实验观察和数据记录。如果没有眼睛的系统使用, 这是至关重要的任何对齐。 把激光聚焦在玻璃滑梯或镜子上。如果激光对准并以正确的角度进入目标, 则在焦点的上方和下方改变焦距时, 激光强度模式是径向对称的。 微调激光镜的角度 (图 2中的 M1 和 M2) 以获得最佳的激光对准 (如1.9 所述)。 圆极化激光光。 在目标的光路, 通过激光通过一个季度波板 (QWP; λ/4 在图 2) 以它的快速轴在45°到激光的线性极化, 将线性偏振光转换成圆极化光在样本平面。 在目标前面设置360°旋转的线性偏光片和功率计。 通过旋转线性偏振器来检查极化, 并注意最大和最小功率, 对应于主轴或偏振椭圆。注: 最佳旋转性能的比值应高于0.9。如果未达到此项, 请参阅步骤4.2 中的解决方案。 测量样品平面上的激光功率。 使用光学功率计在样品平面上探测激光功率。小心收集所有的光通过的目标, 以正确的测量诱捕能力。 对输出激光功率进行线性扫描, 并在样本平面上记录相应的功率, 以便随后转换为陷阱中的幂密度。 在霍斯特·科勒照明中设置一个暗场 (DF) 系统, 使用油浸式 DF 冷凝器, 以实现粒子和捕获事件的可视化。这将允许对被困纳米粒子的成像和光谱测量。 2. 测量旋转、旋转布朗动力学和光谱特性的仪器 使用单像素探测器的光子相关光谱学。 将 beamsplitter (30 r/70 t) 插入到光学路径中, 以便从纳米微粒中提取散射光。 将快速的单像素 Si 光电二极管连接到数据采集卡, 以启用信号的记录。注意: 重要的是有一个光电二极管/数据采集仪, 能够测量的旋转频率预期 (几赫)。 将光源聚焦在xy平移装载中固定的集合光纤上。在收集纤维之前插入一个线性偏光片。 为收集纤维对齐, 一对可见光到出口端的纤维照亮基体。这允许对光纤的收集区域进行可视化和分析。 使用xy平移安装调整光纤的位置, 使其采集区域与光阱的位置重合。将光纤的出口端连接到 Si 探测器, 微调光纤的位置, 以最大限度地收集回分散信号。 暗场光谱学设置。 请记住, 在选择样品和光谱仪之间的路径中的所有光学元件时需要注意, 以免在感兴趣的光谱范围内阻挡光线。 注意, 直接散射和/或反射激光可能会损坏光谱仪传感器。使用适当的过滤器和/或分色分光镜来阻挡激光光源。始终在最小激光功率上执行对齐设置。 在光学路径中插入 beamsplitter/镜像以将光重定向到光谱仪 (在此协议中, 使用自由空间耦合光谱仪)。如果合适, 还可以使用显微镜输出端口之一。 使用凹槽过滤器去除强烈的陷波激光 (在我们的情况下需要足够的堵塞在激光波长总 OD12 的过滤器), 在其他情况下将掩盖感兴趣的微粒的光谱反应。 用导镜 (图 2中的 M1 和 M2) 调整光镊的位置, 使其与光谱仪狭缝的位置重合。注 1: 光阱位置的变化将需要重新调整光子相关测量系统 (指令 2.1. 4-2. 1.5)。注 2: 在光学镊子的新位置, 指令 1.9-1.10 需要重复, 以达到一个良好的对准光学陷阱。 3. 实验程序 实验用粒子的制备。 在水中稀释微粒。适当的纳米棒浓度应在 0.1-0.01 pM 之间的范围内。油脂实验在超声波清洗剂浴中稀释溶液2分钟, 分解可能的骨料和融汇溶液。 调整纳米棒在稀释中的浓度, 以避免捕获多个粒子。实验完成的时间越长, 降低捕获多个粒子或污染物的风险所需的浓度就越低。 样品细胞的制备。 分别在丙酮和随后的异丙醇下超声波五分钟, 清洗显微镜滑梯和盖玻璃 (1.5 号)。注: 确保在实验过程中玻璃滑动的表面电荷与胶体纳米粒子具有相同的极性。表面活性剂铵溴化物 (CTAB) 稳定的纳米粒子正向电荷。 将100µm 间隔胶带放在玻璃滑梯上。 分散2µL 的稀释纳米微粒溶液在显微镜下的幻灯片在井和2µL 在盖子玻璃上。在这两个曲面上的解决方案都允许对样本单元进行更可控制的装配。 将样品单元的两部分连接在一起, 同时避免在腔内形成气泡。 将细胞放在显微镜的舞台上, 将一滴指数匹配 (浸入) 油放在样品的顶端, 在冷凝器上放一滴。每一侧的水滴避免油中的气泡散射光, 减少 DF 照明的对比度。 执行实验。 在 DF 成像系统中通过观察找到粒子。一个单一的纳米通常可以通过观察它的布朗运动 (比骨料更不稳定) 和颜色 (对应于最强的 LSPR 共振) 来识别。 启动/取消阻止陷印激光器。 通过一系列的舞台运动和聚焦校正, 将所选粒子通过辐射压力推入到水玻璃界面的激光传播方向。在界面上, z运动受辐射压力和纳米粒子表面 CTAB 分子之间库仑斥力和正电荷表面的平衡的制约。xy涨落受光镊中梯度力的限制。 通过小的焦点校正, 最大限度地利用自相关数据 (如指令3.4 中所述) 来衡量捕获稳定性或旋转速度。 此时, 记录被困纳米的旋转动力学和光谱性质。有关如何探测这些信息, 请参见下面的说明3.4 和3.5。这可以在较长的时间内完成, 如果需要, 可长达几个小时。 旋转动力学测量。 一定要有一个收集区域从纤维足够大, 总是附上粒子的图像在其平移运动。 在适当的探测频率和采集时间内采集硅光电探测器的强度振荡信号。选择65536赫兹和1的采集时间开始和调整, 如果需要的话。注: 探测频率应至少为两个 (最佳十) 倍, 大于旋转频率乘以可检测旋转对称度 (N, 见下文)。收集时间应该足够长, 能够获得比旋转频率明显低的频率。 从旋转纳米粒子收集了一组强度波动数据后, 计算了强度波动的自相关。这是通过计算每个延迟时间τ (即 C(τ) = {i(τ)的时间延迟拷贝的信号的相关性来完成的。I(0)})。 对理论自相关函数进行拟合其中i0是平均强度, i1是强度波动的振幅, N 是可检测的旋转对称度 (对于棒状粒子 N=2)2,3。 从拟合中提取自相关信号τ0的旋转频率f腐烂和衰减时间 (与旋转布朗运动动力学有关)。 光谱测量。 通过收集光照光, 记录一个白色的光谱 (I白色(λ))。这可以通过浓密分散均匀散射聚苯乙烯珠在表面和收集它们的散射响应。 记录一个背景光谱 (Ibkg(λ)) 收集的杂散光在捕获点时, 粒子没有被困。注 1: 这应该为每个单独的测量, 因为背景属性可能会在不同的样本细胞之间, 甚至在样本中的位置差异很大。注 2: 记录背景谱应用于用于光阱的相同激光功率。这使得人们可以从玻璃滑块中去除任何可能的自动荧光, 因为焦点中的高激光强度激发了它。 记录一个黑暗的频谱 (我黑暗(λ)), 当阻止所有的光来到探测器。然后, 记录一个被捕获的纳米微粒的原始光谱 (I生(λ))。 通过计算获得实际的纳米粒子散射谱 为了提取 LSPR 峰值位置的信息, 用双洛伦兹拟合函数 (包括带间跃在黄金中的过渡的线性修正项) 拟合出能量尺度中的 DF 散射谱。模型函数读取:那里E是能量, IB是基线强度, k斜率的线性校正, i我是强度极大值, Γi全宽在半极大值 (FWHM) 和E0, I两个洛伦兹峰的峰值位置。 4. 常见问题的排除和解决方法 与金纳米性质有关的问题。 陷印稳定性差。 确保主共振 (通常情况下, 纳米棒的纵向共振) 是在激光波长的蓝色波长边。如果没有, 梯度力将成为排斥, 而不是吸引力37。 随着纳米尺寸的减小, 运动从布朗波动增加, 同时稳定力从斯托克斯阻力减少。确保纳米棒足够大的xy梯度力, 以克服这些破坏稳定的力量。 重叠或广泛的光谱特征。 杆需要有一个足够大的纵横比为 LSPR 峰被充分分离, 以单独解决 (见图 1b)。注: 激光波长对形状各向异性施加上限, 因为纵向 LSPR 红移长棒。 在可见的体制中, 纳米粒子最好是足够小到不支持高阶 LSPR 模式, 因为这使得分析复杂化。在4.1.1.2 中, 纳米粒子的选择是这一考虑与陷印稳定性问题之间的一种平衡。 陷印激光器的圆极化不足。注: 为了获得捕获的纳米微粒的最佳旋转性能, 应将激光到达试样平面的光圆极化。分光镜和其他光学元件可以是极化依赖性, 这可能使它不可能获得完美的圆极化只使用一个 QWP。 插入半波板 (HWP;图 2中的λ/2) 后, QWP 在路径中, 以补偿 beamsplitter 双折射。 设置线性偏振器和功率表配置, 并对激光的偏振态进行分析 (如指令 1.11.2-1.11.3)。 对于每个位置的增量为五度的 QWP, 旋转 HWP 通过其整个角范围 (90°) 的步骤五度, 并测量每个位置的功率比。努力找出 QWP 和 HWP 的角度, 最大限度地提高最大和最小功率的比值。注: 根据我们的经验, 最大和最小功率之间的最大比率是 0.75, 没有和0.98 的 HWP 校正。 在激光功率下粘接界面的粒子不足以限制xy平面中的粒子。 调整稳定剂的浓度, 通过粒子洗涤程序和随后再分散的纳米棒在控制浓度的 CTAB。 将纳米粒子的库存溶液离心至颗粒沉积物 (在600g 时为5分钟)。 卸下悬浮液。 在水中重新分散。这稀释了库存解决方案的 CTAB 内容。 重复步骤4.3.1.1。和4.3.1.2。再来一次。注: 由于 CTAB 的作用是胶体稳定剂, 避免过度的离心时间和速度在后续洗涤步骤, 因为聚集的风险增加, 因为 CTAB 被冲走。 最初的胶体溶液中的大多数 CTAB 表面活性剂现在被去除, 并且一个新的、控制良好的 CTAB 浓度可以引入胶体。从我们的经验, 分散在水中的股票溶液与20µM 的 CTAB 和随后的二次水稀释到实验溶液浓度的结果, 表面覆盖, 产生足够的库仑排斥。 可能需要微调 CTAB 浓度, 以创造适当的粒子/表面斥力, 为特定批次的纳米粒子使用。迭代上述过程, 并稍微改变 CTAB 浓度, 以找到一个合适的。 玻璃表面清洗到负电荷表面。注: 这个洗涤过程产生一个负电荷表面, 将被涂上自由 CTAB 分子在实验解决方案, 使它积极和静电排斥粒子在2D 陷印。 采取显微镜幻灯片和清洁它的混合物水和 2 wt% 的基本洗涤剂加热到80°c 约10分钟, 直到表面明显亲水性。注: 避免清洗玻璃幻灯片太长或苛刻, 因为这可以使玻璃表面多孔和产生大量的污染粒子。 光子自相关光谱学存在的问题。 强度振荡或噪声信号的低振幅。 在采集光纤前插入带通滤波器 (如图 2中的 BP 滤波器), 通过激光光并阻挡暗场光照光。注意: 原则上, 测量工作时, 收集所有的光以及。然而, unpolarized 白光 DF 照明有效地激发出的平面模式, 因为纳米旋转约其短轴在平面正常到光轴, 这是平面横向 LSPR。这种模式在旋转过程中不携带任何形状的各向异性, 从它收集光只会降低测量的信噪比。 自相关函数的附加衰减。 确保收集纤维的核心尺寸足够大, 以包含纳米粒子的图像在所有的游览期间由于平移布朗运动。 如果使用太小的核心尺寸的光纤, 请将其替换为较大的纤维。 检查新纤维的对齐方式, 如指令 2.1. 4-2. 1.5。