Plasmoniques nanotiges en or peut être pris au piège dans les liquides et tourné aux fréquences kHz à l’aide de pinces optiques polarisées circulairement. Présentant les outils d’analyse de la dynamique brownienne et léger scatteringspectroscopy conduit à un puissant système de recherche et d’application dans de nombreux domaines de la science.
La possibilité de générer et de mesurer le couple à l’échelle nanométrique est d’un intérêt fondamental pour l’étude et l’application des nanomoteurs biologiques et artificiels et peut fournir de nouvelles routes vers analyse unicellulaires, études de non-équilibre thermodynamique et actionnement mécanique des systèmes nanométriques. Un moyen facile de rotation du disque est d’utiliser la lumière polarisée circulairement laser concentrée dans des pinces optiques. En utilisant cette approche, les nanoparticules métalliques peuvent être utilisés comme très efficaces axée sur la diffusion de moteurs rotatifs tournant à des fréquences de rotation sans précédent dans l’eau.
Dans ce protocole, nous décrivent la construction et l’exploitation des pinces optiques polarisées circulairement pour la rotation de la NANOPARTICULE et décrivent les instruments nécessaires pour l’enregistrement de la dynamique brownienne et la diffusion de Rayleigh de la particule piégée. Le mouvement de rotation ainsi que les spectres de diffusion fournit une information indépendante sur les propriétés de la NANOPARTICULE et son environnement immédiat. La plate-forme expérimentale s’est avéré utile comme un gage de nanoscopiques de viscosité et de la température locale, pour suivre l’évolution morphologique des nanotiges et revêtements moléculaires et en tant que capteur et sonde de photothermique et processus thermodynamiques.
Les méthodes présentées dans cet article reproduit celles utilisées dans notre précédent travail1 pour étudier les effets de photothermique nanométriques qui influent sur les moteurs rotatifs nanotige or axée sur la lumière. Variantes de la plate-forme expérimentale a été utilisée dans plusieurs publications s’y rapportant2,3,4,5,6,7,8, 9.
Des pinces optiques sont largement utilisés pour le contrôle de position, de force et de quantité de mouvement linéaire de transfert à des échelles de longueur réduite en physique, biologie et ingénierie10,11,12,13,14 . Angulaire, porté par la lumière polarisée circulairement peuvent être employée pour la commande d’axes supplémentaires car il transfert en continu couple d’objets piégés15. En combinant transfert linéaire et angulaire optique, il est alors possible de construire non invasif microdispositifs rotatif avec un potentiel pour des applications diverses, telles que l’administration de médicaments dans les cellules individuelles16,17, échelle nanométrique chirurgie18et nanofluidics active19, parmi d’autres.
En utilisant des nanoparticules métalliques comme l’objet d’une légère manipulation conduite, on peut exploiter les avantages des résonances de plasmon de surface localisées (LSPR), qui offrent de grandes coupes optiques, grande sensibilité aux changements environnementaux et grand champ améliorations de22,du21,20,23. Cela a conduit à une profusion d’études à la limite entre la plasmonique et manipulation optique8,24,25,26,27. La forte interaction lumière-matière fournie par LSPR nous a permis de concevoir une plate-forme où les pincettes laser polarisé circulairement sont capables de piloter des nanotiges en or de tourner à des fréquences de rotation record dans l’eau2. En suivant le mouvement brownien d’une nanotige rotatif, des informations détaillées sur son environnement et de la température peuvent provenir de3,5. L’analyse par spectroscopie simultanée fournit un canal d’information indépendants supplémentaires pour l’analyse de la température locale et la stabilité morphologique de la rotation de nanotige1. Une gamme de systèmes et de configurations ont été utilisés pour étudier et appliquer un mouvement rotatif dans des pinces optiques, générant des perspectives importantes dans le champ15,28,29,30 , 31 , 32. Toutefois, la plupart de ces études ont traité avec les objets plusieurs micromètres de diamètre alors qu’une nanotige unique donne accès au régime de taille nanométrique. En outre, lorsque l’or nanotiges sont utilisés comme le nanomotor rotatif, le couple est efficacement transféré principalement via la diffusion2,33. Cela diminue le risque de surchauffe les particules piégées3,34,35.
Dans la méthode suivante, nous décrivons les étapes nécessaires à la construction d’un système capable de piégeage optique efficace et rotation de nanoparticules métalliques. L’or nanotiges pris en considération dans ces études ont élevé des sections efficaces de diffusion, et la pression de radiation s’avère pour être plus forte que la force du gradient antagoniste dans la direction de propagation. Toujours limiter les particules en 3D, nous utilisons l’équilibre des forces entre la répulsion coulombienne d’une surface de verre et de la force de diffusion de laser dans la direction de propagation. Cette configuration 2D-piégeage élargit considérablement l’éventail des particules peut être interceptées, comparativement à des pinces optiques 3D standards, et il peut être facilement combiné avec la spectroscopie et imagerie optique fond noir.
Une NANOPARTICULE métallique piégée et rotation interagit avec son environnement, et des informations détaillées sur cette interaction sont contenues dans son mouvement et les propriétés spectrales. Après avoir décrit comment construire les polarisation des pinces optiques, nous avons donc aussi mettre en évidence comment intégrer une instrumentation pour sonder la dynamique de rotation et pour mesurer les spectres de diffusion Rayleigh dans le montage expérimental. Le résultat est une plate-forme polyvalente pour l’étude des phénomènes de rotation échelle nanométrique en physique, chimie et biologie.
Ce protocole suppose que le chercheur ait accès à adapté nanoparticules métalliques colloïdales, préférence seul nanotiges or cristalline. Nanotiges en or peuvent être achetés auprès des sociétés spécialisées ou synthétisé dans la maison à l’aide de méthodes de chimie humide. Les nanotiges utilisées dans nos expériences ont été faites par la méthode de croissance induite par la semence décrite dans Ye et al. 2013,36. Il est avantageux si la morphologie et les propriétés optiques des nanoparticules sont bien caractérisées, par exemple en utilisant la microscopie électronique à balayage (SEM) et les mesures d’extinction optique. Figure 1 affiche les données enregistrées à partir de ces mesures pour nanotige représentant les types1.
Un aperçu du protocole est le suivant : dans la première section, nous décrivons la construction des pinces optiques basés sur la polarisation circulaire. Dans la deuxième section, nous décrivons comment extraire des informations de la nanomotor en enregistrant ses propriétés de diffusion et de rotation dynamique. La fréquence de rotation et le mouvement brownien rotation de la particule piégée est mesurée à l’aide de la spectroscopie de corrélation de photons par projection laser rétrodiffusée lumière filtrée à travers un polariseur linéaire sur un détecteur rapide pixels3. En ajustant les données pour une fonction d’autocorrélation théorique, la fréquence de rotation et le temps de décroissance de la diffusion rotationnelle brownien peuvent être extrait2,3. Les propriétés optiques de la NANOPARTICULE piégée et rotation sont mesurées en utilisant la spectroscopie de champ sombre, qui fournit des informations complémentaires sur la particule et de son environnement. Dans la troisième section, nous décrivons la procédure expérimentale pour le piégeage et la rotation des nanotiges en or.
Le protocole décrit jusqu’ici est un simple chemin d’accès à un système de pinces optiques polarisée circulairement fonctionne pour la rotation de la NANOPARTICULE. Cependant, parfois les problèmes surviennent cette attention supplémentaire de la demande. Dans la quatrième section, nous présentons quelques uns des problèmes communs que nous avons rencontrés et comment y remédier. Ceux-ci incluent des questions liées aux propriétés optiques de nanoparticules conduisant à la stabilité de mauvais piège (4.1), basses fréquences de rotation en raison de la polarisation circulaire sous-optimal, causée par le diviseur de faisceau biréfringence (4.2), collage des nanoparticules à la surface du verre en raison de la répulsion coulombienne insuffisante (4.3) et déviation du signal caractéristique autocorrélation (4.4).
L’installation de piégeage optique décrite dans le présent protocole est construite autour d’un microscope inversé commercial et utilise la lumière laser rouge. Cependant, les techniques décrites sont polyvalents et peuvent servir à construire des pinces optiques polarisées circulairement autour de microscopes de plus commerciales ou maison construite, les deux debout et inversé, avec seulement de légères modifications. La longueur d’onde du laser de piégeage peut être choisi dans un spectre NIR large visible–, aussi longtemps que le reste des composants optiques et détecteurs sont fonctionnels à cette longueur d’onde spécifique. Néanmoins, lors du choix d’une longueur d’onde du laser, la taille et la proximité spectrale des résonances des particules pour être manipulée devraient considérer parce que cela aura une incidence sur les forces de piégeage optique et la rotation performance2,5, l’ampleur des photothermique effets1et le piégeage stabilité26. Nous avons travaillé avec succès avec des pincettes laser polarisé circulairement en utilisant des longueurs d’onde de laser de 660, 785, 830 et 1064 nm.
L’objectif de microscope, c’est une des composantes plus importantes de l’installation de piégeage optique. L’objectif de ce protocole est un objectif sec avec NA = 0,95. L’utilisation d’un objectif sec est expérimentalement une réalisation plus simple de l’installation ; Cependant, elle aboutit à des aberrations optiques en raison de la réfraction dans les interfaces de cellule d’échantillon. Dans le cas présent, le résultat est une tache de focale légèrement agrandie (~1.2 µm) par rapport à la limite de diffraction (~0.4 µm), mais cela ne modifie pas sensiblement les performances générales ou rotatifs de la plate-forme. En principe, une vaste gamme d’objectifs de microscope peut être utilisé, à condition qu’ils aient bonne transmission à la longueur d’onde de piégeage et d’entretien de la bonne polarisation assez longue distance de travail pour effectuer le piégeage par une lamelle de microscope et de la couche d’eau. En cas de piégeage 2D, la NA peut être relativement faible, qui simplifie l’expérience entière et fournit plus propre polarisation circulaire dans le foyer. Toutefois, des puissances supérieures de laser peuvent être requises que dans le cas d’un objectif élevé de NA. Dans notre expérience, les meilleures performances pour le piégeage, spectroscopie de rotation et le fond noir est obtenue avec les objectifs avec NA 0,7-0,95, mais il est possible d’utiliser des objectifs NA plus bas mais aussi plus élevés.
Pour obtenir le bon photon mesures de corrélations de mouvement rotatif, un détecteur rapide pixels est nécessaire. Choisir un détecteur avec une bande passante au moins deux, utilisé de préférence dix, fois plus élevée que la fréquence de rotation prévue multipliée par le coefficient de la dégénérescence et la haute sensibilité à la longueur d’onde de piégeage. Amplifié Si photodétecteurs, single photon comptant APDs et PMT ont été utilisés avec succès dans différentes configurations dans nos laboratoires. On trouvera des renseignements supplémentaires, par exemple sur la rigidité du piège, en mesurant et en analysant le déplacement translationnelle de particules à l’aide de techniques bien établies telles que l’ analyse spectrale de puissance5. Un certain nombre de publications précédentes décrire les différentes variantes de cette technique38,,39. Spectroscopie de DF peut être effectuée à l’aide d’un large éventail en espace libre ou fibre couplée spectromètres et le choix doit reposer sur la plage spectrale et la longueur d’onde et la résolution temporelle nécessaire pour l’étude prévue.
Lors d’une expérience de piégeage, particules additionnelles peuvent entrer accidentellement dans le piège. Cela peut être détecté en contrôlant la fréquence de rotation, qui peuvent fluctuer fortement en raison de la perturbation. Examen visuel par microscopie DF peut être utilisé pour vérifier la présence d’une particule supplémentaire, auquel cas la scène peut être déplacée pour éviter de nouvelles perturbations ou l’expérience doit être redémarré.
Le système décrit ci-dessus est un moyen simple et efficace pour réaliser le confinement 2D et la rotation des nanoparticules métalliques. Toutefois, pour certaines applications, le degré de liberté supplémentaire pour la manipulation qui vient avec piégeage 3D est important, et la configuration actuelle est donc une limitation. Cependant, rotation et confinement 3D pourraient être réalisables en utilisant le compteur de multiplication pincettes laser ou des configurations plus exotiques de piégeage.
Bien que les paramètres système et les particules discutés ici peuvent être optimisés pour réduire les photothermique chauffage au dessous de ~ 15 K4, l’augmentation de la température associée à une excitation plasmonique de nanoparticules métalliques peut être problématique dans certains applications. Une voie possible vers une nouvelle réduction de chaleur consiste à utiliser des nanoparticules diélectriques haut indice au lieu de particules plasmoniques. Ces particules fortes résonances de diffusion de Mie-type de soutien mais en même temps présentent des coefficients d’absorption intrinsèque faible. Récemment, nous avons été en mesure de fabriquer des nanoparticules Si résonnantes colloïdales qui pourraient s’avérer utiles à cet égard40,41.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par le Knut et Alice Wallenberg Foundation, le Conseil de recherche suédois et la zone de Chalmers de Advance nanosciences et nanotechnologies.
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 |