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공학

Construction et exploitation d’un système de moteur axée sur la lumière or nanotige Rotary

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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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).

Protocol

1. circulairement polarisée pinces optiques pour la Rotation de nanoparticules Construire l’installation autour d’un microscope inversé adapté et d’utiliser un laser de longueur d’onde rouge visible (660 nm). Un schéma de l’installation expérimentale est présenté dans la Figure 2. Veillez à choisir un laser avec une sortie stable de puissance jusqu’à 500 mW (produisant une puissance sur le plan de l’échantillon d’environ 50 mW). Également de veiller à ce que le reste des composants produira bien à la longueur d’onde du laser de piégeage. Utiliser un objectif sec avec une ouverture numérique (NA) de grossissement X 0,95 et 40. Toujours porter des lunettes de sécurité et de maintenir la sécurité laser bon (surtout si l’utilisation de lasers non visibles). Effectuer un alignement sur la puissance du laser minimale. Encapsuler le chemin entier laser pour les deux sécurité et pour éviter la dérive thermique et la poussière dans le trajet de la lumière.Remarque : Selon l’état de polarisation de la sortie du laser, les pinces optiques gagnerait à placer un polariseur linéaire comme le composant optique initial. Si la polarisation du laser est déjà linéaire, ce composant peut être omis. Utilisez une paire de lentilles positives dans une configuration de télescope képlérienne (lentilles au bas de la Figure 2) pour développer le faisceau laser telle que le diamètre du faisceau est légèrement plus grand que l’ouverture arrière de l’objectif de piégeage.Remarque : Ceci permet utilise du NA tout de l’objectif et produira un accent de diffraction limitée du piège11, aboutissant à la rigidité optimale de piégeage. Veillez à ce que le laser de piégeage est correctement collimaté après l’extenseur de faisceau. Ceci est possible en veillant à ce que la taille de faisceau est fermer à inchangée lors de la propagation de l’objectif (ou à l’aide d’un interféromètre de cisaillement). Utiliser deux miroirs (M1 et M2 à la Figure 2), montés sur des montures miroir cinématique (et, le cas échéant, une étape de traduction), pour diriger le faisceau laser dans la configuration de microscope.Note 1 : Gardez un espace suffisant entre les miroirs laser et microscope pour être en mesure d’ajouter des éléments optiques comme waveplates et beamsplitters.Remarque 2 : Assurez-vous que le laser est toujours filtré de l’oculaire ou toute autre lumière accessible sortant du microscope. Utilisez un diviseur de faisceau (50/50 transmission/réflexion partielle est utilisée ici, mais un dichroïque pourrait fonctionner aussi bien) à l’intérieur du microscope à lumière dans l’objectif, sans perdre la capacité d’imagerie et de mesure dans la configuration de microscope laser de couple. Incluent un appareil photo (voir Figure 2) dans le programme d’installation pour des observations expérimentales ultérieures et d’enregistrement de données. Si on utilise un système sans un oculaire, c’est vital pour n’importe quel alignement. Concentrer le laser sur une lame de verre ou un miroir. Si le laser est aligné et entre l’objectif à un angle correct, le modèle d’intensité laser est radialement symétrique lorsque vous changez le focus au-dessus et au-dessous du point focal. Affiner les angles des miroirs laser (M1 et M2 à la Figure 2) pour obtenir un alignement optimal de laser (comme décrit dans la 1.9). Circulairement polarisent la lumière laser. Sur le trajet optique de l’objectif, passer le laser à travers une lame quart d’onde (QWP ; λ/4 dans la Figure 2) axé sur son axe rapide à 45 ° vers la polarisation linéaire du laser lumière pour convertir la lumière polarisée linéairement en lumière polarisée circulairement à le plan de l’échantillon. Mettre en place un polariseur linéaire rotatif 360°- et un mesureur de puissance devant l’objectif. Vérifier la polarisation en tournant le polariseur linéaire et en notant la puissance maximale et minimale, correspondant à l’axe majeur et mineur ou l’ellipse de polarisation.NOTE : Le rapport doit être supérieur à 0,9 pour une performance optimale de rotation. Si ce n’est pas atteint, reportez-vous à l’étape 4.2 pour une solution. Mesurer la puissance du laser sur le plan de l’échantillon. Un wattmètre optique permet de sonder la puissance du laser sur le plan de l’échantillon. Prenez soin de recueillir la totalité de la lumière transmise par le biais de l’objectif pour un calibrage correct du pouvoir de piégeage. Effectuer un balayage linéaire des puissances laser et enregistrer les pouvoirs correspondants sur le plan de l’échantillon pour une conversion ultérieure à la densité de puissance dans le piège. Mis en place un système de champ sombre (DF) dans Köhler illumination à l’aide d’une huile immergée condensateur DF pour permettre la visualisation des particules et des événements de piégeage. Cela permettra des mesures d’imagerie et de spectroscopie des nanoparticules piégées. 2. instrumentation pour la mesure de la Rotation, la rotation dynamique brownienne et propriétés spectroscopiques Spectroscopie de corrélation de photons à l’aide d’un détecteur à pixel unique. Insérer un séparateur de faisceau (30R/70 t) dans le chemin optique afin d’extraire la lumière réfléchie de la NANOPARTICULE. Connecter une photodiode de Si vite pixels à une carte d’acquisition de données pour permettre l’enregistrement des signaux.Remarque : Il est important d’avoir une photodiode/acquisition de données qui est capable de mesurer les fréquences de rotationnels prévus (plusieurs dizaines de kHz). Concentrer la lumière sur une fibre de collecte fixée dans un xy-Mont de traduction. Insérer un polariseur linéaire avant la fibre de la collection. Pour l’alignement de fibre collection, couple lumière visible à l’extrémité de sortie de la fibre pour illuminer le substrat. Cela permet la visualisation et l’analyse de la région de la collection de la fibre. Ajustez la position de la fibre à l’aide de la xy-Montez de traduction, de sorte que sa collection région coïncide avec la position du piège optique. Branchez l’extrémité de sortie de la fibre au TR-détecteur et affiner la position de la fibre afin de maximiser l’arrière recueillie éparses de signal. Paramètres de champ sombre de spectroscopie. N’oubliez pas que le soin doit être pris dans le choix de tous les composants optiques dans le chemin d’accès entre l’échantillon et le spectromètre, pour ne pas bloquer la lumière au sein de la gamme spectrale d’intérêt. Prendre des précautions, lumière directe laser épars et/ou réfléchie risquerait d’endommager le capteur du spectromètre. Bloquer la lumière du laser en utilisant les filtres appropriés et/ou beamsplitters dichroïques. Toujours effectuer un alignement de la configuration sur la puissance du laser minimale. Insérer un séparateur de faisceau/miroir dans le chemin optique pour rediriger la lumière vers le spectromètre (dans le présent protocole, un spectromètre couplé de l’espace libre est utilisé). Un des microscopes sortie ports pourraient également être utilisés, si approprié. Filtres notch permet de supprimer la lumière de laser de piégeage intense (filtres de OD12 à la longueur d’onde laser étaient nécessaires pour blocage suffisant dans notre cas au total), qui, dans les autres cas, masquera la réponse spectrale de la NANOPARTICULE d’intérêt. Ajuster la position des pinces optiques par les miroirs directeurs (M1 et M2 à la Figure 2) donc il coïncide avec la position de la fente du spectromètre.Remarque 1 : Changements dans la position du piège optique exigera réalignement du système de mesure de corrélation de photons (instructions 2.1.4-2.1.5).Note 2 : À la nouvelle position des pinces optiques, instructions 1,9-1.10 doivent être répétées pour atteindre un piège optique bien aligné. 3. marche à suivre Préparation de particules expériences. Diluer les particules dans l’eau distillée. Une concentration appropriée de nanotiges devrait être dans une fourchette comprise entre 0,1-0,01 pM. Laisser agir la solution diluée dans un nettoyeur à ultrasons pendant 2 min briser les agrégats possibles apart et homogénéiser la solution. Syntoniser la concentration des nanotiges dans la dilution afin d’éviter la capture de plusieurs particules. Plus l’expérience qui sera effectuée, plus la concentration nécessaire pour réduire le risque de piégeage des particules ou des contaminations multiples. Préparation de la cellule. Laver une lame de microscope et un couvercle en verre (n° 1.5) dans l’acétone et par la suite l’isopropanol sous sonication pendant cinq minutes, respectivement.Remarque : Assurez-vous que la charge de surface de la lame de verre au cours de l’expérience a la même polarité comme les nanoparticules colloïdales. Nanoparticules, stabilisés par le bromure d’hexadécyltriméthylammonium surfactant (CTAB) sont chargés positivement. Placer une bande d’entretoise de 100 µm bien sur la lame de verre. Disperser les 2 µL de la solution diluée de nanoparticules sur la lame de microscope dans le puits et 2 µL sur la lamelle couvre-objet. Solution sur les deux surfaces permet un montage plus contrôlable de la cellule. Relier les deux parties de la cellule tout en évitant la formation de bulles d’air à l’intérieur de la chambre. Placer la cellule sur la platine du microscope et déposez une goutte d’huile à indice assortie (immersion) sur le dessus de l’échantillon et une goutte sur le condenseur. Gouttes sur chaque bulles d’eviter de côté dans l’huile qui disperse la lumière et réduit le contraste de l’éclairage de DF. Une expérience de l’artiste. Localiser une particule grâce à l’observation dans le système d’imagerie de DF. Une nanotige unique peut habituellement être identifié grâce à l’observation de son mouvement brownien (plus erratique que les agrégats) et couleur (correspondant à la plus forte résonance LSPR). Démarrer/débloquer le laser de piégeage. Grâce à une série de mouvement de la scène et les corrections de mise au point, pousser la pression de la particule choisie par rayonnement dans la direction de propagation de laser vers l’interface eau-verre. À l’interface, le z-mouvement est contraint par un équilibre entre la pression de radiation et de la répulsion coulombienne entre les molécules CTAB sur la surface des nanoparticules et de la surface chargée positivement. Les xy-fluctuations sont confinés par les forces de gradients dans les pinces optiques. Avec les corrections petit foyer, maximiser la vitesse de stabilité ou de rotation piégeage, évaluée d’après les données de l’autocorrélation (comme décrit ci-dessous dans l’instruction 3.4). À ce stade, enregistrer rotation dynamique ainsi les propriétés spectroscopiques de la nanotige pris au piège. Voir les instructions 3.4 et 3.5 ci-dessous sur la façon de ces sondes. Cela peut être fait sur de longues périodes de temps, jusqu’à plusieurs heures si nécessaire. Mesures de la dynamique de rotation. Assurez vous d’avoir une collection de région de la fibre qui est assez grande pour toujours joindre l’image de la particule au cours de son mouvement de translation. Frais virés intensité signal d’oscillation avec le photodétecteur Si à un moment approprié de fréquence et de la collection poussé. Choisissez 65536 Hz et 1 s de temps d’acquisition d’abord et ajuster si nécessaire.NOTE : Fréquence de sondage devrait être au moins deux (et idéalement dix) fois plus grande que la fréquence de rotation multipliée par le degré de symétrie rotationnelle détectable (N, voir ci-dessous). Temps de collecte doit être suffisamment long pour pouvoir obtenir des fréquences nettement inférieures à la fréquence de rotation. Après avoir amassé un ensemble de données de fluctuations d’intensité d’une NANOPARTICULE tournante, calculer l’autocorrélation de la fluctuation de l’intensité. Cela se fait en calculant la corrélation du signal avec une copie différée de lui-même pour chaque heure de retard τ (i.e.,C(τ) = {I(τ) · J’ai(0)}). Effectuer un ajustement à la fonction d’autocorrélation théoriquej’ai0 correspondant à l’intensité moyenne, j’ai1 est l’amplitude de la fluctuation de l’intensité et N est le degré de symétrie rotationnelle détectable (par bâtonnet particules N = 2)2,3. À partir de la fit, extrayez la rotation fla pourriture et décomposition temps fréquence l’autocorrélation signal τ0 (liés à la dynamique de rotation mouvement brownien). Mesures spectroscopiques. Enregistrer un spectre de lumière blanc (j’aiblanc(λ)) en recueillant l’éclairage. Cela peut être fait par densément disperser uniformément diffusion des billes de polystyrène sur une surface et la collecte de leur réponse de diffusion. Enregistrer un spectre de fond (j’aibkg(λ)) par la collecte de la lumière parasite dans le spot de piégeage lorsqu’une particule n’est pas pris au piège.Remarque 1 : Cela doit être fait pour chaque mesure individuelle, étant donné que les propriétés d’arrière-plan peuvent varier considérablement entre les différentes cellules et même des endroits dans un échantillon.Remarque 2 : Enregistrement de spectres de fond doit être fait pour la même puissance de laser que celui utilisé pour le piégeage optique. Cela permet d’enlever toute possible auto-fluorescence de la lame de verre, excitée par les intensités laser haute dans le foyer. Enregistrer un spectre foncé (j’aifoncé(λ)), quelle bloquant toute la lumière provenant du détecteur. Ensuite, enregistrer un spectre brut d’une NANOPARTICULE piégé (j’aicru(λ)). Accéder le spectre de diffusion réelle de nanoparticules en calculant Pour extraire des informations sur les positions des pics LSPR, monter le spectre de diffusion DF à l’échelle de l’énergie avec une fonction de raccord bi-fonction lorentzienne comprenant un terme de correction linéaire pour les transitions interbandes en or. La fonction de modèle se lit :où E est l’énergie, j’aiB est d’une intensité de référence, k la pente de la correction linéaire, j’aij’ai sont des maxima d’intensité, Γj’ai la pleine largeur à moitié maxima (FWHM) et Ei 0, les positions des pics des deux sommets lorentziennes. 4. Dépannage et solution aux problèmes communs Problèmes liés aux propriétés de l’or nanotige. Stabilité de piégeage pauvres. S’assurer que la résonance principale (généralement longitudinal résonance dans le cas de nanotiges) est du côté de la longueur d’onde bleue de la longueur d’onde du laser de piégeage. Si ce n’est pas le cas, la force du gradient deviendra répulsive au lieu attrayant37. Comme la taille d’une nanotige diminue, le mouvement de hausses des fluctuations brownienne et en même temps la force de stabilisation de drag Stokes diminue. Assurer les nanotiges sont assez grands pour les xy-force du gradient de vaincre ces forces de déstabilisation. Caractéristiques spectrales larges ou qui se chevauchent. Barres de besoin d’avoir un ratio d’aspect assez grand pour LSPR pics soient suffisamment séparées pour être résolus individuellement (voir Figure 1 b).Remarque : La longueur d’onde laser met une limite supérieure pour l’anisotropie de la forme, depuis les redshifts LSPR longitudinale des tiges plus longues. Les nanoparticules devraient de préférence être assez petits pour ne supporte pas les modes d’ordre élevé LSPR dans le régime visible, car cela complique l’analyse. Sélection de nanoparticules est un équilibre entre cet examen et le problème de stabilité du piégeage dans l’instruction 4.1.1.2. Polarisation circulaire inadéquate du laser de piégeage.Remarque : Pour obtenir les performances optimales de la rotation de la NANOPARTICULE piégée, la lumière laser pour atteindre le plan de l’échantillon doit être polarisée circulairement. Beamsplitters et autres composants optiques peuvent être dépendante, de polarisation qui pourrait le rendre impossible d’obtenir le parfait polarisation circulaire en utilisant seulement un QWP. Insérer une plaque de demi-onde (HWP ; λ/2 dans la Figure 2) après la QWP dans le chemin d’accès, pour compenser la biréfringence de diviseur de faisceau. Mettre en place le polariseur linéaire et la configuration du compteur électrique et effectuer une analyse de l’état de polarisation de laser (comme dans les instructions 1.11.2-1.11.3). Pour chaque poste par tranches de cinq degrés de le QWP, faites pivoter le HWP grâce à sa gamme entière angulaire (90°) par paliers de cinq degrés et mesurer le rapport de puissance pour chaque poste. S’efforcer de trouver les angles de QWP et HWP qui optimise le rapport entre la puissance maximale et minimale.NOTE : D’après notre expérience, le rapport maximal entre les puissances maximales et minimales était 0,75 sans et 0,98 avec la correction HWP. Particules collent à interface au laser puissance insuffisante pour confiner les particules dans les xy-avion. Syntoniser la concentration de stabilisant agent tensio-actif, grâce à une particule de lavage intérieur et subséquent re-dispersion de la nanotiges dans une concentration contrôlée de CTAB. Centrifuger la solution mère de nanoparticules jusqu’en sédiments particules (~ 5 min à 600g). Retirer le liquide de la suspension. Re-se dispersent dans l’eau. Cela dilue le contenu CTAB de la solution mère. Répétez les étapes 4.3.1.1. et 4.3.1.2. une fois de plus.Remarque : Puisque CTAB agit comme agent stabilisant colloïde, éviter les temps de centrifugation excessive et vitesse dans les étapes de lavage puisque le risque d’agrégation augmente à mesure que le CCCC est rongée. La plupart des surfactants CTAB dans la solution colloïdale originale est maintenant retirée et une nouvelle, bien contrôlée, concentration de CTAB peut être introduite à la colloïde. D’après notre expérience, dispersant la solution dans l’eau avec 20 µM de CTAB et dilution subséquente de l’eau distillée aux résultats de la concentration de la solution expérimentale dans une couverture de surface qui produit la répulsion coulombienne suffisante. Réglage fin possible de la concentration de CTAB peut-être être nécessaires pour créer la répulsion de la particule/surface appropriée pour le lot particulier de nanoparticules utilisées. Effectuer une itération de la procédure ci-dessus et légèrement modifier la concentration de CTAB pour trouver un bon. Surface en verre de lavage de la surface de charge négative.Remarque : Cette procédure de lavage produit une surface chargée négativement qui sera enduite molécules libres de CTAB dans la solution expérimentale, rendant positive et électrostatique répulsive pour la particule lors de piégeage 2D. Prendre une lame de microscope et lavés dans un mélange d’eau et 2 % en poids de base détergent chauffé à 80 ° C pendant environ 10 minutes jusqu’à ce que la surface est visiblement hydrophile.NOTE : Évitez de laver les lames de verre trop longtemps ou trop sévèrement, car cela peut rendre la surface de verre poreux et produisent une multitude de particules de contamination. Problèmes avec la spectroscopie d’autocorrélation de photon. Faible amplitude des oscillations de l’intensité ou signal bruyant. Insérer un filtre passe-bande (filtre de BP à la Figure 2) avant la fibre de la collection, qui transmet la lumière laser et blocs fond noir éclairage.Remarque : En principe, la mesure fonctionne lorsque l’on recueille toute la lumière aussi bien. Cependant, éclairage en lumière blanche non polarisée DF efficacement excite des modes plan et depuis une nanotige tourne sur son axe court dans un plan perpendiculaire à l’axe optique, c’est le sort de transversal de l’avion LSPR. Ce mode ne porte pas toute anisotropie de forme au cours de la rotation et collecte de lumière de lui seulement réduit le signal sur bruit de la mesure. Décomposition supplémentaires dans la fonction d’autocorrélation. Assurez-vous que la taille de la base de la fibre de la collection est assez grande pour contenir l’image de la NANOPARTICULE tout au long de ses excursions dû à un mouvement brownien translationnelle. Si on utilise une fibre avec une taille trop petit noyau, remplacez-le par un plus grand. Vérifier l’alignement de la nouvelle fibre, comme dans 2.1.4-2.1.5 des instructions.

Representative Results

La rotation et rotation mouvement brownien d’une nanotige d’or qui est correctement pris au piège dans la pince à épiler polarisée circulairement laser peuvent être sondée en enregistrant des fluctuations d’intensité de diffusion de la lumière (Figure 3 a) à l’aide d’un détecteur à pixel unique. Un spectre d’autocorrélation de ce signal contient un composant oscillatoire, similaire à celui illustré à la Figure 3 b. qui peut être adapté à une fonction d’autocorrélation théorique. Le raccord permet l’extraction de la fréquence de rotation et le temps de décroissance d’autocorrélation, qui est lié aux fluctuations browniens rotationnels, de la nanotige. Comme mentionné dans le protocole (instruction 4.4.2), il est essentiel d’utiliser un noyau de fibre suffisamment épaisse pour collecter la lumière laser rétrodiffusée pour la spectroscopie de corrélation de photons. Si ce n’est pas le cas, un terme de décomposition supplémentaires lié à la traduction de la particule dans et hors du volume de la sonde sera présent dans la fonction de corrélation, voir la Figure 4. Grâce à une analyse minutieuse, cela pourrait fournir plus d’informations sur le système ; Toutefois, cela complique l’analyse de la dynamique brownienne rotation contenue dans les données. Pour obtenir les spectres de diffusion DF correctes de nanoparticules piégées, comme décrit dans la section 3.5, les données spectrales brutes doivent être calibré. Cela, en enregistrant le spectre de lampe d’éclairage, mais aussi un éventail de fond (Figure 5 a). Lorsqu’on se concentre la lumière laser intense à une surface de verre, comme le substrat contre lequel les nanotiges sont pris au piège, certains fluorescence peut être générée (voir la contribution spectrale rouge dans le spectre de l’arrière-plan de la Figure 5 a). Cette contamination de fluorescence peut être réduite en utilisant des substrats de silice fondue. Toutefois, il est quand même fortement recommandé d’enregistrer un spectre de fond avec des pinces optiques vides à la puissance du laser correcte. Quand un spectre de diffusion est enregistré et toutes les composantes spectrales non liés à la dispersion des nanoparticules réelles ont été indemnisées pour, le spectre peut être monté à l’échelle d’énergie avec une fonction de raccord bi-fonction lorentzienne pour extraire des informations relatives à la Positions des pics LSPR (Figure 5 b). Figure 1 : images de SEM et spectres d’extinction ensemble pour deux lots de nanoparticules représentatif. un) Barre d’échelle est de 200 nm. b) le bleu/rouge bordé images SEM dans un) correspondent au spectre rouge/bleu, respectivement. Les pics spectraux associés aux LSPRs transversales et longitudinales sont clairement reconnaissables. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 2 : illustration schématique de l’installation de pinces optiques pour les mesures de rotation NANOPARTICULE. Lumière laser est collimatée et élargie à travers un télescope képlérienne et guidée par la suite vers l’objectif par le biais de deux miroirs mobiles (M1, M2) et un diviseur de faisceau (BS). Deux waveplates dans le chemin de laser optimiser la polarisation circulaire des pinces optiques (λ/2, λ/4). La lumière laser rétrodiffusée peut être collectée après un polariseur linéaire pour la spectroscopie de corrélation de photons et de mesures de la dynamique de rotation. Après avoir retiré la lumière laser, lumière blanche diffusée est guidé vers un spectromètre ou un appareil photo. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 3 : données représentatives d’intensité et d’autocorrélation avec courbe digne d’un nanotige pris au piège et tournantes. un) Fluctuations d’intensité enregistrées par le détecteur seul pixel après un polariseur linéaire pour 1 s et une intrigue zoomée à des fluctuations. b) autocorrélées recueillies des fluctuations d’intensité pour une rotation nanotige or (points bleus), de la lumière laser rétrodiffusée. Les données montrent une oscillation qui se désintègre après quelques périodes. L’oscillation est reliée à la fréquence de rotation de la nanotige, alors que la décroissance est dû à un mouvement brownien rotation. A s’adapter à la fonction d’autocorrélation théorique est effectué (ligne rouge) pour extraire une fréquence de rotation de f = 24285 ± 45 Hz et une corrélation de désintégration temps τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. Les incertitudes de0 f et τreprésentent des intervalles de confiance de 95 % de l’ajustement, qui a un coefficient de détermination (R2) de 0,9877. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 4 : problème avec un volume trop petite sonde en mesures de spectroscopie de corrélation photon. un) Autocorrélation données pour une rotation nanotige or, recueillies à l’aide d’une grosse (données de 400 µm, bleu) et un mince (62,5 µm, alerte rouge) fibre. Collection à l’aide d’une fibre épaisse assure que le nanotige est toujours limité dans le volume de la sonde et que la fonction d’autocorrélation mesures de rotation dynamique seulement. Un terme de décomposition supplémentaires dû à un mouvement brownien translationnel est présent lorsque le volume de la sonde est insuffisant. En b) et c), illustrations schématiques de l’effet et des images de la collection rétro-éclairé de la région sont indiqués. Barreaux de l’échelle est 2 µm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 5 : les spectres de diffusion rasant exemplaire enregistrement pour une nanotige or optique piégé par la lumière laser 660 nm. Le domaine spectral que 630-670 nm (1,85-1,97 eV) est déformé à cause des filtres notch nécessaires pour bloquer la lumière de laser de piégeage. un) des spectres de diffusion Raw (bleu foncé) affichant les fonctionnalités qui ne sont pas inhérentes à la diffusion de la particule et doivent être calibrées pour. Il s’agit du spectre de fond (rouge), qui contient l’autofluorescence excités par la lumière laser fortement focalisée, et le spectre d’excitation de lumière blanche (orange, enregistré sans filtre notch). Après calibration, le spectre de diffusion a été corrigé (bleu clair) montre deux pics LSPR distincts comme prévu. Les flèches indiquent l’échelle pour chaque gamme. b) spectre de diffusion pour une nanotige piégée (points bleus) ainsi qu’un accès à la fonction de modèle bi-fonction lorentzienne (rouge) avec ses composantes (bleu clair et orange). Le domaine spectral déformé est ignoré dans l’ajustage de précision des données et la fit a un R2 de 0.9975. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

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.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

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
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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).
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