JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工程学

Строительство и эксплуатация свет driven золото Nanorod Ротари двигательной системы

Published: June 30, 2018
doi:
10.3791/57947
, ,
1Department of Physics,Chalmers University of Technology

Summary

Плазмонных золото наностержни можно в ловушке в жидкости и поворачивается на частотах кГц с помощью Циркулярно поляризованные Оптический пинцет. Внедрение инструментов для анализа броуновского динамики и легких scatteringspectroscopy приводит к мощной системы для научных исследований и применения в различных областях науки.

Abstract

Возможность создания и измерения вращения и крутящий момент на наноуровне фундаментальных интерес к изучению и применению биологических и искусственных nanomotors и может предоставлять новые маршруты к одной ячейке анализ, исследования неравновесной Термодинамика и механического привода наноразмерных систем. Легким способом привода вращения является использовать целенаправленный циркулярно поляризованный лазерный свет в Оптический пинцет. Используя этот подход, металлические наночастицы могут эксплуатироваться как высокоэффективных рассеяния driven роторные моторы, спиннинг периодичностью беспрецедентной вращения в воде.

В этом протоколе мы наброски строительства и эксплуатации Циркулярно поляризованные Оптический пинцет для вращения наночастиц и описать приборы, необходимые для записи броуновского динамика и Рэлея рассеяние ловушку частицы. Вращательное движение и спектров рассеяния предоставляет независимую информацию о свойства наночастиц и его непосредственного окружения. Экспериментальная платформа оказалась полезной, как датчике наноструктурном вязкости и местной температуры, для отслеживания морфологические изменения наностержни и молекулярных покрытий и датчика и зонд термодинамических процессов и полотенцесушитель.

Introduction

Методы, представленные в этой статье реплицирует те, которые используются в нашей предыдущей работы1 для изучения наноразмерных яркостной эффекты, влияющие на свет driven золото nanorod вращающиеся моторы. Варианты экспериментальной платформы был использован в нескольких смежных публикаций2,3,4,5,6,7,,8, 9.

Оптический пинцет широко используются для контроля передачи позиции, силы и импульса на малой длины шкалы в физике, биологии и инженерных10,11,12,13,14 . Импульса, перевозимых циркулярно поляризованным светом могут быть использованы для управления дополнительным движением потому, что он постоянно передавать крутящий момент захваченных объектов15. Путем объединения оптических линейных и углового момента передачи, то можно построить неинвазивные роторный nanomotors с потенциалом для различных приложений, таких как доставки лекарств в одиночных клетках16,17, наноразмерных хирургии18и активных Нанофлюидика19, среди других.

С помощью металлических наночастиц как субъекта света ведомый манипуляции, один можно использовать преимущества локализованных поверхностного плазмон резонансов (ЛСПР), которые обеспечивают большой оптический сечений, высокая чувствительность к изменениям окружающей среды и большое поле усовершенствования в20,21,22,23. Это привело к богатству исследований на границе между плазмоники и оптических манипуляции8,24,25,,2627. Сильный свет материя взаимодействия, предоставляемые ЛСПР позволило нам разработать платформу, где циркулярно поляризованных лазерного пинцета способны вождения золото наностержни спина на частотах записи вращение воды2. Отслеживая броуновское движение вращающегося nanorod, можно получить подробную информацию о его окружающей среды и температуры3,5. Одновременная спектроскопического анализа обеспечивает дополнительную независимый информационный канал для анализа местной температуры и морфологических стабильность вращающегося nanorod1. Широкий спектр систем и конфигураций были использованы для изучения и применения вращательного движения в Оптический пинцет, создавая важные идеи в области15,28,29,30 , 31 , 32. Однако большинство из этих исследований имели дело с объектами несколько микрометров в диаметре одного nanorod дает доступ к режиму нанометров размер. Кроме того, когда золота, наностержни используются в качестве поворотного Наномотор, крутящий момент эффективно передается главным образом через рассеяния2,33. Это снижает риск перегрева ловушку частицы3,34,35.

В следующем методе мы наметим шаги, необходимые для построения системы, способной эффективного оптического треппинга и вращение металлических наночастиц. Золотой наностержни, считается в этих исследованиях имеют высокий рассеяния сечений, и давление излучения оказывается сильнее, чем сила противодействия градиента в направлении распространения. По-прежнему ограничивать частицы в 3D, мы используем силу баланс между кулоновского отталкивания от поверхности стекла и лазерного рассеяния силы в направлении распространения. Эта конфигурация 2D-треппинга значительно расширяет спектр перехватываемые частиц, по сравнению с стандартным 3D Оптический пинцет, и он легко может сочетаться с темно поле оптических изображений и спектроскопии.

Ловушке и вращающиеся металлические наночастицы взаимодействует с окружающей средой, и подробная информация об этом взаимодействии содержится в его движения и спектральные свойства. После описания как построить циркулярно поляризованных Оптический пинцет, мы поэтому также наметить способы интеграции инструментария для зондирования вращения динамики и для измерения спектров Рэлея рассеяние в экспериментальной установки. Результатом является универсальная платформа для исследования наноразмерных вращения явлений в области физики, химии и биологии.

Этот протокол предполагает, что исследователь имеет доступ к подходит коллоидное металлических наночастиц, предпочтительно одной Кристаллической золото наностержни. Золото наностержни могут быть приобретены у специализированных компаний или синтезируются в доме, с использованием методов мокрой химии. Наностержни, используемые в наших экспериментах были сделаны семян опосредованной роста методом, описанным в Ye и др. 2013-36. Это выгодно, если морфология и оптические свойства наночастиц хорошо отличаются, например с помощью измерений оптических вымирания и растровая электронная микроскопия (SEM). Рисунок 1 показывает данные, записанные от таких измерений для представителя nanorod типов1.

Наброски протокола является следующим: В первом разделе мы описываем строительство Оптический пинцет, основанные на круговой поляризации. Во втором разделе мы опишем, как для извлечения информации из Наномотор путем записывать его вращения динамика и рассеяния свойств. Частоты вращения и вращения броуновского движения ловушку частицы измеряется с помощью спектроскопии корреляции фотонов проектирование рассеяния лазерного света, фильтруют через линейный поляризатор на быстро сингл пиксельный детектор3. Путем установки данных теоретических автокорреляционной функции, распад время вращения Броуновская диффузия и частоты вращения может быть добыто2,3. Оптические свойства наночастиц захваченных и вращающейся измеряются с помощью темного поля спектроскопии, которая предоставляет дополнительную информацию о частицы и ее окружающей среды. В третьем разделе мы описываем экспериментальной процедуры для треппинга и вращение золота наностержни.

Протокол, в описанный вплоть до этого момента является простой путь к функционирующей системы циркулярно поляризованных Оптический пинцет для вращения наночастиц. Однако иногда возникают вопросы, требуют дополнительного внимания. В четвертом разделе мы приводим некоторые из общих проблем, с которыми мы столкнулись и способы их решения. К ним относятся вопросы, связанные с оптические свойства наночастиц приводит к плохой ловушку стабильности (4.1), низких частот вращения за счет субоптимальные круговой поляризации, вызванные светоделитель двулучепреломления (4.2), вставляя наночастиц на поверхности стекла из-за недостаточной отталкивание кулона (4.3) и отклонение от характерной автокорреляции сигнала (4.4).

Protocol

1. циркулярно поляризованных Оптический пинцет для вращения наночастиц Построить установки вокруг подходит инвертированным микроскопом и использовать видимый лазер Красного волны (660 нм). На рисунке 2представлена схема экспериментальной установки. Не забудьте выбрать лазер с стабильный выходной мощности до 500 МВт (производство власть в плоскости образца около 50 МВт). Также убедитесь, что остальные компоненты выполняют хорошо на длине волны лазерного треппинга. Используйте сухой цель с числовой апертуры (NA) 0,95 и 40 кратном. Всегда носить защитные очки и поддерживать хорошие лазерной безопасности (особенно при использовании невидимых лазеры). Выполните выравнивание на минимальный лазерного луча. Инкапсуляция весь лазер путь для обеих безопасности и во избежание теплового дрейф и пыли в легкий путь.Примечание: В зависимости от состояния поляризации выхода из лазера, Оптический пинцет выиграют от размещения линейный поляризатор как первоначальный оптических компонент. Если уже линейной поляризации лазерного, этот компонент можно опустить. Используйте пару положительных линз в кеплеровской телескопа конфигурации (линзы в нижней части рис. 2) для расширения лазерный луч, что луч диаметром чуть больше, чем задней диафрагмы захвата цели.Примечание: Это позволяет использовать весь NA цели и будет производить дифракции ограниченный фокус ловушку11, что приводит к оптимальной треппинга жесткость. Убедитесь, что лазер треппинга должным образом коллимированного после расширителя пучка. Это можно сделать, убедившись, что размер луча близка к неизменным, когда распространение цели (или с помощью интерферометра стрижка). Используйте два зеркала (M1 и M2 на рис. 2), установленный на кинематической зеркало монтирует (и, при необходимости, перевод этапе), направить лазерный луч в Микроскоп setup.Примечание 1: Сохраняйте достаточное пространство между Лазерные зеркала и Микроскоп, чтобы иметь возможность добавлять дополнительные оптические элементы, такие как волновые пластинки и Спектроделители.Примечание 2: Убедитесь, что лазер всегда фильтруется от глазных или любой другой доступной свет, удалились в Микроскоп. Используйте светоделитель (равного частичной передачи/отражение используется здесь, но дихроичных может также работать хорошо) внутри Микроскоп, чтобы пара лазерного света в цель, не теряя возможности изображений и измерение в Микроскоп setup. Включить камеру (см. Рисунок 2) в программе настройки для последующих экспериментальные наблюдения и записи данных. Если используется система без окуляра, это жизненно важно для любого выравнивания. Фокус лазера на слайде стекло или зеркало. Если лазер выравнивается и вступает на правильный угол цель, шаблон интенсивности лазерного радиально симметричные при изменении фокуса выше и ниже координационным центром. Отрегулировать углы Лазерные зеркала (M1 и M2 на рис. 2) для получения оптимальной лазерной головке (как описано в 1.9). Циркулярно поляризации лазерного света. На легкий путь к цели передайте лазера через четверть волны пластины (QWP; λ/4 на рис. 2) с его быстро оси под углом 45 ° к линейной поляризации лазерного света для преобразования линейно поляризованного света в циркулярно поляризованный свет в плоскости образца. Настройка 360° вращающийся линейный поляризатор и измеритель мощности перед целью. Проверьте поляризации, вращающихся линейный поляризатор и отмечая максимальная и минимальная мощность, соответствующий основной и вспомогательной оси или эллипса поляризации.Примечание: Соотношение должно быть выше, чем 0,9 для оптимальной ротации производительности. Если это не будет достигнуто, смотрите шаг 4.2 для решения. Измерьте мощность лазера на плоскости образца. Используйте датчик лазерного луча в плоскости образца Измеритель оптической мощности. Позаботьтесь, чтобы собрать весь свет, прошли через цели для правильного замера захвата власти. Выполните линейной развертки выходной мощности лазера и записывать соответствующие полномочия на плоскости образец для последующего преобразования к плотности мощности в ловушку. Создать систему темного поля (DF) в Кёлер освещения с использованием масла погружен DF конденсатора для визуализации частиц и треппинг событий. Это позволит для изображений и Спектроскопические измерения наночастиц ловушке. 2. Приборы для измерения вращения, вращательное броуновского динамики и спектральные свойства Фотон спектроскопии корреляции с помощью одно пиксельный детектор. Светоделитель (30р/70Т) Вставьте оптического пути для того, чтобы извлечь рассеяния света из наночастиц. Подключите быстро один пиксель Si фотодиод к сбор данных карты для включения записи сигналов.Примечание: Важно иметь DAQ фотодиод, которая способна измерения частоты вращения ожидается (несколько десятков кГц). Сфокусировать свет на коллекции волокна, фиксированной в xy-перевод горе. Вставьте линейный поляризатор до сбора волокна. Для сбора волокна выравнивания пара видимого света до конца выхода волокна для освещения субстрата. Это позволяет, визуализации и анализа регионе коллекции волокна. Отрегулируйте положение волокна, используя xy-перевод Маунт, так что его коллекции региона совпадает с позицией оптические ловушки. Подключите выход конце волокна к Си детектор и тонкой настройки позиции волокна для максимизации собранных обратно рассеянного сигнала. Темное поле спектроскопии установки. Имейте в виду, что ухода должны быть приняты в выборе всех оптических компонентов в пути между образцом и спектрометр, с тем чтобы не блокировать свет в спектральном диапазоне интерес. Соблюдайте осторожность, как прямой рассеянного или отраженного лазерного света может повредить датчика спектрометра. Блокировать лазерного света, используя соответствующие фильтры или дихроичных Спектроделители. Всегда выполняйте выравнивание установки на минимальный лазерного луча. Вставить светоделитель/зеркало оптического пути перенаправить свет спектрометр (в настоящем Протоколе, используется спектрометр спаренных свободного пространства). Один из микроскопов выходные порты также могут быть использованы, если подходит. Использование режекторные фильтры для удаления интенсивной треппинг лазерного света (фильтры всего OD12 на длине волны лазерного были необходимы для достаточно блокировки в нашем случае), которые в ином случае будет скрывать спектральной наночастиц интерес. Отрегулируйте положение Оптический пинцет, руководящих зеркала (M1 и M2 на рис. 2) так что он совпадает с позицией спектрометр щели.Примечание 1: Изменения в положении оптические ловушки потребует перестройки системы измерения корреляции фотонов (2.1.4-2.1.5 инструкции).Примечание 2: В новой позиции Оптический пинцет, инструкции 1.9-1.10 необходимо повторить для достижения хорошо выровненные оптические ловушки. 3. Экспериментальная процедура Подготовка частиц для экспериментов. Разбавьте частицы в ди воды. Соответствующей концентрации наностержни должно быть в диапазоне от 0,01-0,1 пп. Sonicate разбавленный раствор в ультразвуковой ванне очиститель для 2 мин разорвать помимо возможных агрегатов и однородный раствор. Настройка концентрация наностержни в разведении для того, чтобы избежать захвата нескольких частиц. Чем длиннее эксперимент, который будет выполняться, тем меньше концентрации требуется уменьшить риск захвата нескольких частиц или загрязнений. Подготовка образца клеток. Вымойте микроскопа и крышка стекла (№ 1,5) в ацетоне и впоследствии изопропиловый спирт под sonication на пять минут, соответственно.Примечание: Убедитесь, что поверхности заряд стеклянное скольжение во время эксперимента имеет же полярность как коллоидное наночастиц. Наночастицы, стабилизировалась, бромид hexadecyltrimethylammonium поверхностно-активных веществ (CTAB) положительно заряженных. Место ленты распорка 100 мкм на стеклянное скольжение. Разогнать 2 мкл разбавленного наночастиц решения на микроскопа в рамках хорошо и 2 мкл на обложке стекло. Решение на обеих поверхностях позволяет более контролируемым Ассамблеи ячейки выборки. Соедините две части ячейки выборки избегая формирования любой пузырьки воздуха внутри камеры. Поместите ячейки на микроскопа и поместите каплю масла соответствует индекс (погружение) в верхней части образца и одной капли на конденсаторе. Капли на каждой стороне избежать пузырей в масле, которая рассеивает свет и уменьшает контрастность освещения DF. Выполнение эксперимента. Найдите частицы через наблюдения в системе визуализации DF. Один nanorod обычно могут быть определены путем наблюдения за его броуновского движения (больше перекатным чем агрегаты) и цвет (соответствующий сильный резонанс ЛСПР). Начало/Разблокируйте лазер треппинга. Через серию сценическое движение и фокус исправлений нажмите выбранной частицы через давление излучения лазера направлении распространения в интерфейсе стакан воды. На интерфейсе, z-движение сдерживается баланс между давлением излучения и кулоновского отталкивания между CTAB молекул на поверхности наночастиц и положительно заряженной поверхностью. Xy-колебания приурочены силами градиента в Оптический пинцет. Через маленький фокус исправления Максимизируйте треппинга стабильности или вращение скорость, судить по данным автокорреляции (как описано ниже в инструкции 3.4). На данный момент запись вращения динамика и спектральные свойства захваченных nanorod. Смотрите инструкции 3.4 и 3.5 ниже о том, как эти зонд. Это можно сделать в течение длительного времени, вплоть до нескольких часов, если это необходимо. Вращения динамика измерения. Убедитесь в том иметь коллекции региона от волокна, который достаточно большой, чтобы всегда заключайте изображение частиц во время его поступательное движение. Собирать интенсивности колебаний сигнала с Si фотоприемника в соответствующее время зондирующего частоты и коллекции. Выберите 65536 Гц и 1 s приобретение время начать с и корректировать при необходимости.Примечание: Частота зондирующего должно быть по крайней мере два (и оптимально десяти) раз больше, чем частота вращения, умноженное на степень обнаружению вращательная симметрия (N, см. ниже). Время сбора должно быть достаточно долго иметь возможность получить частоты значительно меньше частоты вращения. После собрав набор данных колебаний интенсивности от вращающейся наночастиц, вычислите автокорреляции колебания интенсивности. Это делается путем вычисления корреляции сигнала с несвоевременные копию себя для каждого задержки времени τ (i.e.,C(τ) = {я(τ) · Я(0)}). Выполните fit to теоретической автокорреляционной функциигде я0 средней интенсивности, я1 является амплитуда колебаний интенсивности и N является степень обнаружению вращательная симметрия (для стержня подобных частиц N = 2)2,3. От fit экстракт вращения частоты fгниль и распада время автокорреляции сигнал τ0 (связанные с Динамика вращения броуновское движение). Спектроскопические измерения. Запись белый свет спектра (ябелый(λ)), собирая свет подсветки. Это может быть сделано путем плотно диспергирование равномерно рассеяния шарики полистироля на поверхности и собирая их рассеяния ответ. Запись фонового спектра (яbkg(λ)), собирая рассеянный свет в месте треппинга, когда частица не удерживается.Примечание 1: Это должно делаться для каждого индивидуального измерения, поскольку свойства фона может значительно различаться между различными образец клеток и даже места внутри образца.Примечание 2: Запись спектры фон должно быть сделано для той же мощности лазера, используемого для оптических треппинга. Это позволяет удалить любые возможные auto флуоресценции из стекла слайд, возбужденных высокий лазерного света в центре внимания. Записать темной спектра (ятемный(λ)), когда блокирование всех свет детектора. Затем запишите необработанные спектр захваченных наночастиц (ясырья(λ)). Доступ к фактической наночастиц рассеяния спектра путем вычисления Для получения сведений о позиции пик ЛСПР, подходят спектра рассеяния DF в масштабе энергия с функцией Би псевдоримановом фитинга, включая линейные поправочного междолинное переходов в золоте. Модели функция читает:где E — энергия, яБ является базовой интенсивности, k наклон линейной коррекции, я,я , интенсивность Максима, Γя всю ширину на половину Максима (FWHM) и Е0, i пик позиции двух псевдоримановом пиков. 4. Устранение неисправностей и решение общих проблем Проблемы, связанные с золотой nanorod свойства. Бедные треппинга стабильности. Убедитесь, что основной резонанс (обычно продольной резонанс в случае наностержни) находится на стороне голубой волны волны лазерного треппинга. Если нет, то градиент силы станут отталкивающее вместо привлекательным37. Как nanorod размер уменьшается, движение от броуновского колебания увеличивается и в то же время стабилизирующей силой от Стокса сопротивления уменьшается. Заверить наностержни являются достаточно большими для xy-градиента силы преодолеть эти дестабилизирующие силы. Перекрывающиеся или широкой спектральной функции. Стержней необходимо иметь достаточно большой пропорции ЛСПР пиков достаточно отделить индивидуально решить (см. рис. 1b).Примечание: Длина волны лазера ставит верхний предел для формы анизотропии, с продольной ЛСПР красных смещениях для более стержней. Наночастицы предпочтительно должен быть достаточно небольшим, чтобы не поддерживают высокий порядок ЛСПР режимы в видимый режим, так как это затрудняет анализ. Выбор наночастиц является баланс между этой рассмотрение и проблема стабильности треппинга в инструкции 4.1.1.2. Неадекватные круговой поляризации лазерного треппинга.Примечание: Для получения оптимальной производительности вращения захваченных наночастиц, лазерного света, достигающего плоскости образца должна быть циркулярно поляризованных. Лучеделители и других оптических компонентов может быть зависимыми, поляризации, которая может сделать невозможным получить идеальный круговой поляризации, используя только QWP. После QWP в пути, чтобы компенсировать светоделитель двулучепреломления вставьте Полуволновые плиты (ЗДТ; λ/2 на рис. 2). Настроить линейный поляризатор и мощности метр конфигурации и выполнять анализ состояния поляризации лазерного (как в инструкции 1.11.2-1.11.3). Для каждой позиции с шагом в пять степеней QWP поверните HWP через его весь угловой диапазон (90°) в шаги пяти градусов и измерить коэффициент мощности для каждой позиции. Попытаться найти углы QWP и HWP, которые максимально соотношение между минимальной и максимальной мощности.Примечание: В нашем опыте, Максимальное соотношение между максимальной и минимальной державами был 0,75 без и 0,98 с коррекцией HWP. Частицы, придерживаясь интерфейс на лазерные власти недостаточно ограничиться частиц в xy-плоскость. Настройка концентрация стабилизации ПАВ, через частицы, мойки процедуры и последующего повторного распыления наностержни в контролируемой концентрации CTAB. Центрифуга Стоковый раствор наночастиц до частицы отложений (~ 5 мин на 600g). Удалите жидкость подвеска. Повторного разгона в воде. Это разбавляет CTAB содержание Стоковый раствор. Повторите шаги 4.3.1.1. и 4.3.1.2. еще раз.Примечание: Поскольку CTAB действует как агент коллоидной стабилизирующим, Избегайте чрезмерного центрифугирования и скорость в последующие стирки шаги, поскольку риск агрегации увеличивается как CTAB смыты. Большинство CTAB ПАВ в оригинальной коллоидного раствора теперь удаляется и новые, хорошо контролируемых, концентрация CTAB могут быть введены коллоид. Из нашего опыта диспергирование Стоковый раствор в воде с 20 мкм CTAB и последующего разведения ди воды на результаты экспериментальной решения концентрации в поверхности покрытия, которая производит достаточно отталкивание кулона. Возможность тонкой настройки CTAB концентрации могут потребоваться для создания соответствующей частиц/поверхности отталкивания для конкретного пакета используется наночастиц. Выполнить итерацию в описанной выше процедуры и слегка изменить концентрации CTAB, чтобы найти правильное. Стеклянная поверхность мойки отрицательно заряд поверхности.Примечание: Эта процедура Стиральная производит отрицательно заряженный поверхности, которые будут покрыты с бесплатным CTAB молекул в экспериментальной решения, делая его положительные и электростатического отталкивания частиц во время 2D треппинга. Возьмите микроскопа и очистить его в смеси воды и 2 wt % основных моющего средства, нагревают до 80 ° C около 10 минут, пока поверхность заметно гидрофильные.Примечание: Избегайте, мытье стеклянных скольжениях слишком долго или жестко, так как это может сделать стеклянной поверхности пористой и производят множество частиц загрязнения. Проблемы с Фотон автокорреляции спектроскопии. Низкая амплитуда колебаний интенсивности или шумных сигнала. Полосовой фильтр (BP на рис. 2) вставьте перед коллекции волокно, которое проходит свет лазера и блоков темно поле освещение света.Примечание: В принципе, измерение работает при сборе всех свет также. Однако, неполяризованное белый свет DF освещения будоражит эффективно из плоскости режимы, и поскольку nanorod вращается вокруг своей короткой оси в плоскости, перпендикулярной оптической оси, это вне плоскости поперечного ЛСПР. Этот режим не носить любые формы анизотропии во время вращения и собирать свет от него только уменьшает сигнал шум измерения. Дополнительные распада в автокорреляционной функции. Убедитесь, что основной размер коллекции волокна достаточно большим, чтобы содержать изображение наночастиц в ходе всех своих экскурсий за счет трансляционной броуновского движения. Если используется волокно с размером слишком малый сердечник, замените его на диск большего размера. Проверьте выравнивание нового волокна, как в инструкции 2.1.4-2.1.5.

Representative Results

Вращения и вращения броуновского движения Золотой nanorod, который должным образом оказавшихся в циркулярно поляризованных лазерного пинцета может быть исследован путем записи рассеяния света интенсивность колебаний (рис. 3a) с использованием одного пиксельный детектор. Автокорреляция спектр этот сигнал содержит компонент колебательной, аналогичный показанному на рисунке 3b. который может поместиться в теоретической автокорреляционной функции. Установка позволяет извлечения времени распада автокорреляции, которое связано с вращения броуновского колебания, nanorod и частоты вращения. Как уже упоминалось в протоколе (инструкция 4.4.2), важно использовать ядро достаточно толстые волокна для сбора рассеяния лазерного света для спектроскопии корреляции фотонов. Если это не так, дополнительные распада термин, связанных с переводом частиц и уменьшать объем зонда будет присутствовать в функции корреляции, см. Рисунок 4. Путем тщательного анализа это может предоставить больше информации о системе; Однако это усложняет анализ динамики вращательного броуновского, содержащихся в данных. Чтобы получить правильный спектры рассеяния DF из захваченных наночастиц, как описано в разделе 3.5, спектральные данные необходимо откалибровать. Это делается путем записи спектр лампы освещения, а также разнообразные фона (Рисунок 5a). При фокусировке интенсивного лазерного света на поверхности стекла, такие как субстрат, против которого наностержни оказались в ловушке, некоторые флуоресценции могут быть выданы (см. красный спектральных вклад в спектре фоновый Рисунок 5a). Это флуоресценции загрязнение может быть уменьшена с помощью кварцевого субстратов. Однако в любом случае настоятельно рекомендуется записать фонового спектра с пустой Оптический пинцет в правильной лазерного луча. Когда регистрируется спектра рассеяния и всех спектральных компонентов, не связанных с фактическим наночастиц рассеяния получили компенсацию за спектра могут быть установлены в масштабе энергия с Би псевдоримановом установку функции для извлечения информации, связанные с Рамные ЛСПР наивысшие позиции (Рисунок 5b). Рисунок 1: SEM изображения и спектры вымирания ансамбль для двух пакетов представитель наночастиц.) Линейки шкалы составляет 200 Нм. b) синий/красный граничит с SEM изображений в) соответствуют красного и синего спектра, соответственно. Спектральных пиков, связанные с поперечной и продольной LSPRs ясно distinguishable. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 2: Схематическое изображение Оптический пинцет установки для измерения вращения наночастиц. Лазерный свет коллимированного и расширил кеплеровской телескоп и впоследствии руководил цели с помощью двух подвижных зеркал (M1, M2) и светоделитель (BS). Два волновые пластинки в лазерной пути оптимизации круговой поляризации Оптический пинцет (λ/2, λ/4). Рассеяния лазерного света могут быть собраны после линейный поляризатор для спектроскопии корреляции фотонов и вращения динамика измерения. После удаления лазерного света, рассеянного белого света руководствуется спектрометра или фотоаппарат. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 3: представитель интенсивности и автокорреляции данных с кривой, пригодный для захваченных и вращающегося nanorod.) Колебания интенсивности записанных одного пиксельный детектор линейный поляризатор 1s, и увеличенной в участок колебаний. b) Autocorrelated данных колебаний интенсивности для вращающихся золото nanorod (синий очков), собранных из рассеяния лазерного света. Данные показывают колебания, что разлагается после нескольких периодов. Колебание связано с частоты вращения nanorod, в то время как распад из-за вращения броуновского движения. A, подходят для теоретической автокорреляционная функция выполняется (красная линия) для извлечения частоты вращения f = 24285 ± 45 Гц и корреляция распад время τ0 = 40.9 ± 1.06 МКС. F и τ0 неопределенности представляют 95% доверительных интервалов по размеру, который имеет коэффициент определения (2R) 0.9877. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4: проблема с тома слишком маленький зонда измерения спектроскопии корреляции фотонов.) Автокорреляции для вращающихся Золотой nanorod, собранные с помощью толстый (400 мкм, синий данные) и тонкой (62,5 мкм, красная) волокна. Коллекции, используя толстые волокна гарантирует, что nanorod всегда ограничивается объем зонда и что автокорреляционная функция меры вращения динамика только. Дополнительные распада срок благодаря поступательной броуновского движения присутствует, когда объем зонд является недостаточным. В b) и c), схематические иллюстрации эффекта и изображения области задней подсветкой коллекции отображаются. Масштаб гистограммы являются 2 мкм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 5: спектры рассеяния образцовое темного поля записаны для Золотой nanorod, оптически захваченных 660 нм лазерного света. Спектральная область, в которую 630-670 нм (1.85-1,97 eV) искажено вследствие режекторные фильтры необходимо блокировать треппинга лазерного света. ) Raw рассеяния спектры (синий) функций, которые не присущи рассеяния частиц и должен быть откалиброван для отображения. К ним относятся фонового спектра (красный), который содержит аутофлюоресценция возбуждается узкоспециализированных лазерного света, и белый свет возбуждения спектра (оранжевый, записанный без узкополосный режекторный фильтр). После калибровки исправленные рассеяния спектра (светло-голубой) показывает два различных ЛСПР вершины, как ожидалось. Стрелки показывают масштаб для каждого спектра. b) рассеяние спектра для захваченных nanorod (синий очков) вместе с нужным Би псевдоримановом модель функции (красный) с его компонентов (светло-синий и оранжевый). Искаженные области спектра игнорируется в установку данных и fit имеет R2 0.9975. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Установки оптических треппинга, указанных в настоящем Протоколе построен вокруг коммерческих инвертированным микроскопом и использует красный лазерный свет. Однако изложенные методы универсальны и могут использоваться для построения циркулярно поляризованных Оптический пинцет вокруг наиболее коммерческих или постройки дома Микроскопы, оба вертикально и перевернутый, с только незначительные изменения. Длина волны лазера треппинга могут быть выбраны в рамках спектра NIR широко видимых–, а остальные оптических компонентов и детекторы работают на этой определенной длины волны. Тем не менее при выборе длины волны лазера, размер и спектральные близости резонансы частиц манипулировать следует рассматривать, поскольку это повлияет на оптических треппинга силах и вращение производительности2,5, величина яркостной эффекты1и треппинга стабильности26. Ранее мы успешно сотрудничали с циркулярно поляризованных лазерного пинцета с использованием лазерных длин волн 660, 785, 830 и 1064 нм.

Одним из наиболее важных компонентов установки оптических треппинга является целью микроскопа. Цель в этом протоколе является сухой цель с NA = 0,95. Использование сухой цель экспериментально является простой реализации установки; Однако это привести к оптических аберраций из-за рефракции в интерфейсах ячейки выборки. В данном случае результатом является слегка увеличенной фокус пятно (~1.2 мкм) по сравнению с дифракционный предел (~0.4 мкм), но это не существенно изменить общего или роторный производительности платформы. В принципе широкий спектр целей микроскоп может быть использован, при условии, что они имеют хорошие передачи на волны треппинга, поддержание хороших поляризации и достаточно долго рабочее расстояние для выполнения треппинга через микроскоп крышка выскальзования и слой воды. В случае 2D треппинга, НС может быть относительно низким, который упрощает весь эксперимент и обеспечивает более чистых круговой поляризации, в центре внимания. Однако высшие силы лазер может потребоваться чем в случае высокой цели NA. По нашему опыту, наилучшую производительность для треппинга, вращение и темно поле спектроскопии получается с целями с NA 0,7-0,95, но это можно использовать как нижней, так и высших целей NA.

Чтобы получить хороший Фотон корреляция измерения вращательного движения, необходимо быстро сингл пиксельный детектор. Выберите детектор с пропускной способностью, по крайней мере два, предпочтительно десять, раз выше, чем ожидаемые вращения, умноженное на коэффициент формы вырождения и высокая чувствительность на длине волны треппинга используется. Усиленные Si фотоприемников, одиночных фотонов, считая APDs и ПМЦ были использованы с успехом в различных установок в наших лабораториях. Дополнительную информацию, например о ловушку жесткость, можно получить путем измерения и анализа частиц моментных установившимися методами, как спектральный анализ питания5. Ряд предыдущих публикаций описать различные варианты этой техники38,39. Спектроскопия DF может производиться с использованием широкого диапазона свободного пространства или волокна в сочетании спектрометры и выбор должен основываться на спектральном диапазоне и волны и временное разрешение, необходимое для запланированного исследования.

При выполнении эксперимента треппинга, дополнительные частицы могут случайно ввести ловушку. Это могут быть обнаружены путем мониторинга частоты вращения, которая будет сильно колебаться в зависимости от нарушения. Визуальный осмотр по микроскопии DF может использоваться для проверки наличия дополнительных частиц, в этом случае стадии могут быть перемещены, чтобы избежать дальнейших беспорядков или эксперимент должен быть перезапущен.

Описанной выше системы это простой и эффективный способ реализовать 2D родов и вращение металлических наночастиц. Однако для некоторых приложений, дополнительная степень свободы для манипуляции, которая поставляется с 3D треппинга важна, и текущая конфигурация таким образом ограничение. Однако 3D родов и вращения можно достичь, используя счетчик распространения лазерного пинцета или более экзотические настройки треппинга.

Хотя обсуждаемые здесь параметров частиц и системы могут быть оптимизированы для уменьшения нагрева ниже ~ 15 K4яркостной, повышение температуры, связанные с плазмонных возбуждения металлических наночастиц может быть проблематичным в некоторых приложения. Возможный путь к дальнейшему сокращению тепла является использование высоким индексом диэлектрической наночастиц вместо плазмонных частиц. Такие частицы поддерживают сильное резонансы рассеяния Ми типа, но в то же время экспонат низкой абсорбцией Встроенные коэффициенты. Мы недавно были в состоянии производить коллоидных резонансных Si наночастицы, которые могут оказаться полезными в этом отношении40,41.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана кнут и Фонд Рауля Валленберга Alice, Шведский исследовательский совет и района Chalmers заранее нанонауки и нанотехнологий.

Materials

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. , (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. , (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. , (2018).

Tags

Gold NanorodRotary MotorOptical TweezersCircularly Polarized LightNano ParticleBrownian DynamicsLight Scattering SpectroscopyOptical Angular MomentumOptical Tweezer SetupLinearly Polarized LaserKeplerian Telescope50-50 Beam SplitterTrapping ObjectiveQuarter Wave Plate

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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image