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

1. circular polarizada pinzas ópticas para rotación de nanopartículas Construir la configuración alrededor de un microscopio invertido adecuado y utilice un láser visible de longitud de onda roja (660 nm). Un esquema del montaje experimental se presenta en la figura 2. Asegúrese de elegir un láser con una producción estable de energía hasta 500 mW (producción de energía en el plano de muestra de alrededor de 50 mW). También asegurar que el resto de los componentes bien la longitud de onda de láser de reventado. Utilice un objetivo seco con una apertura numérica (NA) de 0.95 y 40 aumentos. Siempre use gafas de seguridad y mantener la seguridad de laser buena (especialmente si está usando láseres no visibles). Realizar la alineación en la potencia del láser mínimo. Encapsular la trayectoria del laser todo para ambos seguridad y para evitar la deriva térmica y el polvo en la trayectoria de la luz.Nota: Dependiendo del estado de polarización de la salida del láser, las pinzas ópticas podrían beneficiarse colocando un polarizador lineal como el componente óptico inicial. Si la polarización del láser ya es lineal, puede omitirse este componente. Utilizar un par de lentes positivas en una configuración de telescopio de Keplerian (lentes en la parte inferior de la figura 2) para ampliar el haz del láser tal que el diámetro de la viga es ligeramente más grande que la abertura posterior del objetivo de captura.Nota: Esto permite utiliza el NA total del objetivo y va a producir un foco de difracción limitada de la trampa11, resultando en rigidez de captura óptima. Asegúrese de que el láser de reventado es colimado correctamente después el expansor de haz. Esto puede hacerse asegurándose de que el tamaño de la viga se cierra sin cambios a propagar el objetivo (o usando un interferómetro que esquila). Uso de dos espejos (M1 y M2 en la figura 2), montados en soportes de espejo cinemática (y si es necesario, una etapa de la traducción), para dirigir el rayo láser en la configuración del microscopio.Nota 1: Mantenga suficiente espacio entre los espejos láser y microscopio para poder añadir elementos ópticos como waveplates y beamsplitters.Nota 2: Asegúrese de que el láser siempre se filtra lejos del ocular o cualquier otra luz accesible sale el microscopio. Utilizar un beamsplitter (transmisión/reflexión parcial 50/50 se utiliza aquí, pero un dicroico también podría trabajar bien) en el microscopio a la pareja de luz en el objetivo, sin perder la capacidad de medición y proyección de imagen en la configuración del microscopio láser. Incluyen una cámara (ver figura 2) en la configuración para la posterior observación experimental y para la grabación de datos. Si se utiliza un sistema sin un ocular, esto es vital para cualquier alineación. El láser se centran en un portaobjetos de vidrio o un espejo. Si el láser está alineado y entra en el objetivo en un ángulo correcto, el patrón de intensidad de láser es radialmente simétrico al cambiar el foco por encima y por debajo del punto focal. Ajustar los ángulos de los espejos del láser (M1 y M2 en la figura 2) para obtener una alineación láser óptimo (como se describe en 1.9). Circular polarizar la luz láser. En la trayectoria de la luz al objetivo, pasar el láser a través de una placa de cuarto de onda (QWP; λ/4 en la figura 2) orientado con su eje rápido a 45 ° a la polarización lineal del laser de la luz para convertir la luz linealmente polarizada en luz polarizada circularmente en el plano de la muestra. Configurar un polarizador lineal giratoria 360° y un medidor de potencia ante el objetivo. Compruebe polarización girando el polarizador lineal y observando la potencia máxima y mínima, correspondiente a los ejes mayor y menor o la elipse de polarización.Nota: La relación debe ser superior a 0,9 para un rendimiento óptimo de la rotación. Si no se alcanza esto, consulte el paso 4.2 para una solución. Medir la potencia del láser en el plano de la muestra. Utilice un medidor de potencia óptica para probar la potencia del láser en el plano de la muestra. Tenga cuidado en recoger toda la luz pasada a través del objetivo para una medición correcta de la energía de captura. Realizar un barrido lineal de potencias de salida láser y grabar los poderes correspondientes en el plano de la muestra para la conversión subsecuente a la densidad de potencia en la trampa. Establecer un sistema de campo oscuro (DF) en Köhler iluminación usando un aceite inmerso condensador DF para habilitar la visualización de las partículas y los eventos de captura. Esto permite mediciones espectroscópicas e imágenes de las nanopartículas atrapadas. 2. instrumentación para la medición de la rotación, rotación dinámica browniana y propiedades espectroscópicas Espectroscopia de correlación de fotones usando un detector píxel. Inserte un beamsplitter (30R/70T) en la trayectoria óptica para extraer la retrodispersión de la luz de la nanopartícula. Conectar un fotodiodo de Si rápidamente píxel a una tarjeta de adquisición de datos para habilitar la grabación de señales.Nota: Es importante tener un fotodiodo/DAQ que es capaz de medir las frecuencias de rotación esperadas (varias decenas de kHz). Enfocar luz en una fibra de colección en un xy-montaje de traducción. Colocar un polarizador lineal antes de la fibra de la colección. Alineación de la fibra de colección, pareja luz visible hasta el final de la salida de la fibra para iluminar el sustrato. Esto permite la visualización y análisis de la región de la colección de la fibra. Ajustar la posición de la fibra mediante la xy-traducción de Monte, para que su región colección coincide con la posición de la trampa óptica. Conecte el extremo de salida de la fibra del detector Si y afinar la posición de la fibra para maximizar la espalda recoge señales dispersas. Configuración de la espectroscopia de campo oscuro. Tenga en cuenta que el cuidado debe ser tomado en elegir todos los componentes ópticos de la ruta entre la muestra y el espectrómetro, para no bloquear la luz dentro de la gama espectral de interés. Tener precaución ya que luz láser dispersada o reflejada directa podría dañar el sensor espectrómetro. Bloquear la luz de láser utilizando filtros adecuados o dicroicos beamsplitters. Siempre realizar la alineación de la instalación en la potencia del láser mínimo. Inserte un beamsplitter/espejo en la trayectoria óptica para redirigir la luz al espectrómetro (en este protocolo, se utiliza un espectrómetro acoplado de espacio libre). Uno de los microscopios de salida puertos también podrían ser utilizados, si es conveniente. Utilice filtros notch para eliminar la intensa captura de luz láser (filtros de total OD12 en la longitud de onda de láser necesarios para bloqueo suficiente en nuestro caso), que en otro caso será ocultar la respuesta espectral de la nanopartícula de interés. Ajustar la posición de las pinzas ópticas de los espejos rectores (M1 y M2 en la figura 2) por lo que coincide con la posición de la rendija del espectrómetro.Nota 1: Cambios en la posición de la trampa óptica requieren de realineación de lo sistema de medición de correlación de fotones (instrucciones 2.1.4-2.1.5).Nota 2: En la nueva posición de las pinzas ópticas, instrucciones 1.9 1.10 necesitan repetirse para llegar a una trampa óptica bien alineada. 3. experimental procedimiento Preparación de las partículas para los experimentos. Diluir las partículas en el agua de DI. Una concentración adecuada de nanobarras debe estar en un rango entre 0,1-0,01 pM. Someter a ultrasonidos la solución diluida en un baño limpiador ultrasónico para 2 minutos agregados posibles apartes de romper y homogeneizar la solución. Ajustar la concentración de nanobarras de la dilución para evitar captura de múltiples partículas. Más el experimento que se realizará, menor será la concentración necesaria para reducir el riesgo de atrapar partículas o contaminaciones múltiples. Preparación de la célula de muestra. Lave el portaobjetos de un microscopio y un vidrio de cobertura (Nº 1.5) en acetona y posteriormente isopropanol bajo sonicación durante cinco minutos, respectivamente.Nota: Asegúrese de que la carga de superficie de lo portaobjetos de vidrio durante el experimento tiene la misma polaridad como las nanopartículas coloidales. Nanopartículas estabilizadas por el bromuro de hexadeciltrimetilamonio surfactante (CTAB) están cargadas positivamente. Coloque una cinta de espaciador 100 μm en el portaobjetos de cristal. 2 μl de la solución diluida de nanopartículas se dispersan en el portaobjetos en el pozo y 2 μL en el vidrio de cubierta. Solución en ambas superficies permite un montaje más controlable de la célula de muestra. Conectan las dos partes de la célula de muestra, evitando formar burbujas de aire dentro de la cámara. Coloque la celda en la platina del microscopio y coloque una gota índice emparejado () de aceite de inmersión sobre la muestra y una gota en el condensador. Gotas en cada burbujas de evitar de lado en el aceite que dispersa la luz y reduce el contraste de la iluminación del DF. Realizar un experimento. Localizar una partícula a través de la observación en el sistema de proyección de imagen del DF. Una sola nanorod generalmente puede ser identificado mediante la observación de su movimiento browniano (más errático que los agregados) y color (correspondiente a la resonancia más fuerte de LSPR). Inicio/desbloquear el láser captura. A través de una serie de correcciones de enfoque y movimiento etapa, empujar la partículas solicitadas a través de presión en la dirección de propagación del láser hacia la interfaz de vaso de agua. En la interfaz, el z-movimiento está limitado por un equilibrio entre la presión de la radiación y la repulsión coulombiana entre moléculas en la superficie de la nanopartícula de CTAB y la superficie de carga positiva. Xy-fluctuaciones están confinadas por las fuerzas de gradiente en las pinzas ópticas. A través de correcciones de pequeño foco, maximizar velocidad estabilidad o rotación de captura, medida de los datos de autocorrelación (como se describe a continuación en la instrucción 3.4). En este punto, registrar propiedades espectroscópicas de nanorod atrapado y dinámica rotacional. Vea las instrucciones 3.4 y 3.5 a continuación cómo estas sonda. Esto puede hacerse durante largos períodos de tiempo, hasta varias horas si es necesario. Mediciones de dinámica rotacional. Asegúrese de que tiene una región de la colección de la fibra que es lo suficientemente grande como para incluir siempre la imagen de la partícula durante su movimiento traslacional. Cobrar intensidad señal de oscilación con el fotodetector Si en el momento adecuado de sondeo frecuencia y colección. Elegir para empezar con 65536 Hz y tiempo de la adquisición de 1 s y ajuste si es necesario.Nota: Frecuencia de sondeo debe ser por lo menos dos (y óptimamente diez) veces más grande que la frecuencia de rotación, multiplicada por el grado de simetría rotacional detectable (N, ver más abajo). Tiempo de colección debe ser lo suficientemente largos para poder obtener frecuencias significativamente inferiores a la frecuencia de rotación. Después de haber recogido un conjunto de datos de fluctuaciones de intensidad de una nanopartícula de rotación, calcular la autocorrelación de la fluctuación de la intensidad. Esto se hace calculando la correlación de la señal con una copia de tiempo-retrasado de sí mismo para cada tiempo de retardo τ (i.e.,C(τ) = {(τ) · Me(0)}). Realizar un ajuste a la función de autocorrelación teóricadonde I0 es la intensidad media I1 es la amplitud de la fluctuación de la intensidad y N es el grado de simetría rotacional detectable (para barra-como las partículas N = 2)2,3. De ajuste, extraer la frecuencia fputrefacción y decaimiento tiempo de rotación de la autocorrelación señal τ0 (relacionado con la dinámica rotacional movimiento browniano). Medidas espectroscópicas. Registrar un espectro de luz blanco (blanco(λ)) por la recogida de luz de la iluminación. Esto puede hacerse por densamente dispersar uniformemente dispersa granos del poliestireno en una superficie y recoger su respuesta de dispersión. Registrar un espectro de fondo (bkg(λ)) por la recogida de la luz en el lugar de captura cuando una partícula no es atrapada.Nota 1: Esto debe hacerse para cada medición individual, puesto que las propiedades de fondo pueden variar significativamente entre las células de muestra diferentes e incluso lugares dentro de una muestra.Nota 2: Registrar espectros de fondo debe ser hecho para la misma potencia del láser utilizado para la captura óptica. Esto permite eliminar cualquier posible auto-fluorescencia de lo portaobjetos de vidrio, emocionado por la intensidad de láser de alta en el foco. Registrar un espectro oscuro (oscuro(λ)), cuando toda la luz que entra al detector de bloqueo. A continuación, registrar un espectro crudo de una nanopartícula atrapada (crudo(λ)). Accede el espectro de dispersión de nanopartículas reales mediante el cálculo de Para extraer información sobre las posiciones de máximo LSPR, ajustar el espectro de dispersión DF en escala de la energía con una función de conexión bi-Lorentzian incluyendo un término de corrección lineal para transiciones interbanda en oro. La función de modelo dice:donde E es la energía, B es una intensidad de línea de base, k la pendiente de la corrección lineal, son los máximos de intensidad, Γ el ancho total a media maxima (FWHM) y Ei 0, la posición de pico de los dos picos de Lorentz. 4. solución de problemas y solución a problemas comunes Problemas relacionados con propiedades nanorod oro. Estabilidad pobre reventado. Asegúrese de que la principal resonancia (resonancia generalmente longitudinal en el caso de nanobarras) es en el lado de longitud de onda azul de la longitud de onda de láser de reventado. Si no es así, el gradiente de fuerza será repulsiva en lugar de atractiva37. A medida que disminuye el tamaño de un nanorod, el movimiento aumenta las fluctuaciones browniano y al mismo tiempo disminuye la fuerza estabilizadora de fricción de Stokes. Asegurar las nanobarras son lo suficientemente grandes como para xy-gradiente de fuerza para superar estas fuerzas de desestabilización. Características espectrales superpuestas o amplia. Las barras deben tener una proporción suficientemente grande de picos LSPR a separarse suficientemente para resolverse individualmente (ver Figura 1b).Nota: La longitud de onda de láser pone un límite superior para la anisotropía de forma, desde los redshifts LSPR longitudinal para cañas más largas. Las nanopartículas preferiblemente deben ser lo suficientemente pequeñas como para no apoyar modos LSPR de orden superiores en el régimen visible, ya que esto complica el análisis. Selección de nanopartículas es un equilibrio entre este examen y el tema de estabilidad de captura en la instrucción 4.1.1.2. Inadecuada polarización circular del laser de la captura.Nota: Para obtener el rendimiento óptimo de la rotación de la nanopartícula atrapada, la luz del láser alcanza el plano del espécimen debe ser circularmente polarizada. Beamsplitters y otros componentes ópticos pueden ser polarización dependiente, que podría hacer imposible obtener polarización circular perfecto usando sólo un QWP. Insertar una placa de media onda (HWP; λ/2 en la figura 2) después de QWP en la ruta, para compensar la birrefringencia del beamsplitter. Configurar el polarizador lineal y medidor de energía la configuración y realizar un análisis del estado de polarización del láser (como en las instrucciones 1.11.2-1.11.3). Para cada posición en incrementos de cinco grados de la QWP, gire la armonización a través de su gama angular (90°) en pasos de 5 grados y medir la relación de potencia para cada posición. Se esfuerzan por encontrar los ángulos de QWP y armonización que maximicen la relación entre la potencia máxima y mínima.Nota: En nuestra experiencia, la relación máxima entre las potencias máximas y mínimas fue 0.75 sin y 0.98 con la corrección de HWP. Las partículas que se pega a la interfaz en laser de potencia insuficiente para confinar las partículas en el xy-plano. Ajustar la concentración de surfactante, a través de una partícula procedimiento y posterior re-dispersión de las nanobarras de lavado en una concentración controlada de CTAB de estabilizar. Centrifugue la solución de nanopartículas hasta sedimentos de partículas (~ 5 minutos a 600g). Retire el líquido de la suspensión. Volver a dispersar en el agua. Esto diluye el contenido CTAB de la solución madre. Repita los pasos 4.3.1.1. y 4.3.1.2. una vez más.Nota: Puesto que el CTAB actúa como el agente estabilizador coloidal, evite tiempo de centrifugación excesiva y la velocidad en posteriores pasos de lavado ya que aumenta el riesgo de agregación como el CTAB es arrastrado. Ahora se elimina la mayoría de los tensioactivos CTAB en la original solución coloidal y una concentración de CTAB nuevo, bien controlada, puede ser introducida al coloide. Desde nuestra experiencia, dispersión de la solución stock en agua con 20 μm de CTAB y posterior dilución de agua desionizada a los resultados de la concentración de solución experimental en una cobertura de superficie que produce suficiente repulsión de Coulomb. Posible puesta a punto de la concentración de CTAB se podría necesitar para crear repulsión apropiado/superficie de la partícula para el lote determinado de nanopartículas utiliza. Repita el procedimiento anterior y alterar ligeramente la concentración de CTAB para encontrar uno adecuado. Superficie de cristal que se lava a la superficie de carga negativa.Nota: Este procedimiento de lavado produce una superficie negativamente cargada que estará cubierta con moléculas CTAB libres en la solución experimental, lo que es positivo y electrostático repulsión por la partícula durante captura 2D. Tomar un portaobjetos de microscopio y limpiar en una mezcla de agua y 2% en peso de detergente básico calentada a 80 ° C durante unos 10 minutos hasta que la superficie es hidrofílica visiblemente.Nota: Evite lavar portaobjetos demasiado largo o duramente, ya que esto puede hacer que la superficie de vidrio poroso y producen una multitud de partículas de contaminación. Problemas de autocorrelación espectroscopia de fotones. Baja amplitud de las oscilaciones de intensidad o señal ruidosa. Inserte un filtro pasabanda (filtro de BP en la figura 2) antes de la fibra de la colección, que pasa la luz láser y la luz de la iluminación de campo oscuro de bloques.Nota: En principio, la medida funciona al recoger toda la luz así. Sin embargo, iluminación de luz blanca no polarizada DF excita eficazmente de modos de plano, y un nanorod gira sobre su eje corto en un plano normal al eje óptico, esto es del transversal plano LSPR. Este modo no tiene ningún anisotropía de forma durante la rotación y sólo recoger luz de él reduce la señal a ruido de la medida. Adicional del decaimiento en función del autocorrelation. Asegúrese de que el tamaño del núcleo de la fibra de la colección es lo suficientemente grande para contener la imagen de la nanopartícula durante todas sus excursiones debido a la traslación de movimiento browniano. Si se utiliza una fibra con un tamaño demasiado pequeño núcleo, sustituirla por una más grande. Revise la alineación de la fibra nueva, como en las instrucciones 2.1.4-2.1.5.