قياس التشتت الغير خطية من الجسيمات النانوية Plasmonic واحدة
Summary
Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.
Abstract
Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently.
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches.
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.
Introduction
وقد اجتذب دراسة plasmonics اهتماما كبيرا نظرا لتطبيقاتها في كثير من المجالات المختلفة 1-4. واحدة من أكثر المجالات التحقيق في plasmonics هو plasmonics السطح، الذي التذبذب الجماعي للإلكترونات التوصيل الأزواج مع الموجات الكهرومغناطيسية الخارجية في واجهة بين المعدن وعازلة. وقد تم اكتشاف plasmonics سطح للتطبيقات المحتملة في مجال البصريات subwavelength، بيوفوتونيك، والفحص المجهري 5،6. وقد اجتذب تعزيز الميداني القوي في حجم صغير جدا من الجسيمات النانوية المعدنية بسبب المترجمة مأكل سطح الرنين (LSPR) اهتماما واسعا، ليس فقط بسبب حساسية استثنائية لأحجام الجسيمات، والأشكال الجسيمات، وخصائص عازلة من الوسط المحيط 7 -10، ولكن أيضا بسبب قدرتها على زيادة ضعيفة بطبيعتها التأثيرات البصرية غير الخطية (11). حساسية استثنائية من LSPR هي قيمة لالحيوي الاستشعار عن بعد وشبه التعبير عن عدم الرضاتقنيات التصوير دينار 12،13. من ناحية أخرى، واستقامة تعزيز هياكل plasmonic يمكن استخدامها في الدوائر المتكاملة الضوئية في تطبيقات مثل التبديل البصرية ومعالجة الإشارات جميع البصرية 14،15. ومن المعروف جيدا أن امتصاص plasmonic يتناسب خطيا لشدة الإثارة عند مستويات منخفضة الحدة. عندما الإثارة قوية بما فيه الكفاية، واستيعاب تصل إلى التشبع. يثير الاهتمام والفضول، في شدة أعلى، واستيعاب يزيد مرة أخرى. وتسمى هذه التأثيرات اللاخطية امتصاص تشبع (SA) 15-17 وعكس امتصاص تشبع (RSA) 18، على التوالي.
ومن المعروف أنه نظرا لLSPR، وتشتت قوي بشكل خاص في هياكل plasmonic. على أساس الكهرومغناطيسية الأساسية، يجب أن يكون الرد من نثر مقابل شدة الحادث الخطي. ومع ذلك، في النانوية، وترتبط ارتباطا وثيقا التشتت والامتصاص عن طريق نظرية مي، وكلاهما يمكن أن يكون البريدxpressed من حيث أجزاء حقيقية وخيالية من ثابت العزل الكهربائي. في ظل افتراض أن GNS واحدة تتصرف كما ثنائي القطب تحت إضاءة خفيفة، ونثر معامل (Q هيئة السلع التموينية) ومعامل الامتصاص (Q ABS) من جسيمات متناهية الصغر plasmonic واحدة وفقا لنظرية مي يمكن التعبير عن 19
حيث x هو 2 πa / λ، لهو نصف قطر الكرة، وم 2 غير ε م / ε د. هنا، ε م وε د تتوافق مع الثوابت عازلة للمعدن والعوازل المحيطة بها، على التوالي. منذ شكل نثر معامل مماثلة لتلك التي من عشرمعامل امتصاص الإلكترونية، وبالتالي من المتوقع أن نلاحظ تشتت تشبع في جسيمات متناهية الصغر plasmonic واحدة 20.
في الآونة الأخيرة، وقد تجلى تشتت تشبع غير الخطية في الجسيمات plasmonic معزولة لأول مرة 21. ومن الجدير بالملاحظة أنه في التشبع الشديد، وشدة تشتت في الواقع انخفضت قليلا عندما ازدادت شدة الإثارة. أكثر بشكل ملحوظ، عندما استمرت شدة الإثارة المتزايدة بعد تناثر أصبحت مشبعة، وارتفعت كثافة نثر مرة أخرى، والتي تبين تأثير القابل للإشباع العكس تناثر 20. وقد أظهرت Wavelength- والدراسات التي تعتمد على حجم وجود علاقة قوية بين LSPR وغير الخطية نثر 21. كثافة وطول الموجة الإعتماد من نثر plasmonic هي مشابهة جدا لتلك التي الاستيعاب، مما يشير إلى آلية مشتركة الكامنة وراء هذه السلوكيات غير الخطية.
من ناحية التطبيقات، فمن كنو جيداسفل أن استقامة تساعد على تحسين القرار المجهر الضوئي. في عام 2007، الإثارة المشبعة واقترح (ساكس) المجهري، والتي يمكن أن تعزز القرار عن طريق استخراج إشارة المشبعة عن طريق تعديل الجيبية الزمني للشعاع الإثارة 22. ويستند المجهر ساكس على مفهوم أنه بالنسبة لنقطة بؤرية ليزر، لشدة أقوى في المركز مما كانت عليه في الهامش. إذا كانت إشارة (إما مضان أو نثر) يسلك سلوك التشبع، يجب أن تشبع تبدأ من المركز، في حين لا تزال الاستجابة الخطية في محيط. ولذلك، إذا كان هناك طريقة لاستخراج سوى جزء المشبعة، فإنه سيترك فقط الجزء المركزي في حين رفض الجزء الطرفي، مما يعزز بشكل فعال في القرار المكانية. من حيث المبدأ، لا يوجد الحد الأدنى القرار في SAX المجهر، طالما يتم التوصل إلى التشبع العميق كما وليس هناك ضرر عينة بسبب الإضاءة الشديدة.
وقد تبين أن resolutioن من التصوير مضان ويمكن تعزيز بشكل كبير من خلال الاستفادة من تقنية SAX. ومع ذلك، مضان يعاني من تأثير photobleaching من. الجمع بين اكتشاف نثر استقامة ومفهوم ساكس، فائقة الدقة المجهر على أساس نثر يمكن أن تتحقق 21. مقارنة microscopies فائقة الدقة التقليدية، والتقنية القائمة على نثر يوفر غير التبييض طريقة النقيض من الرواية. في هذه الورقة، وتعطى وصفا خطوة بخطوة لتحديد الإجراءات المطلوبة للحصول على واستخراج استقامة من نثر plasmonic. ووصف طرق تحديد نثر الغير خطية قدمت عن طريق تغيير شدة الحادث. وسيتم توفير مزيد من التفاصيل لكشف كيف تؤثر هذه الصور الغير خطية من الجسيمات النانوية واحدة، وكيف القرار المكانية يمكن تعزيزها وفقا لذلك بواسطة تقنية SAX.
Protocol
Representative Results
Discussion
في البروتوكول، وهناك العديد من الخطوات الحاسمة. أولا، عند إعداد العينات، لا ينبغي أن يكون كثافة الجسيمات النانوية عالية جدا، لتجنب اقتران plasmonic بين الجسيمات. إذا كان اثنان أو أكثر من الجزيئات قريبة جدا من بعضها البعض، ونتائج اقتران في الطول الموجي LSPR التحول نحو الأط?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by Ministry of Science and Technology under NSC-101-2923-M-002-001-MY3 and NSC-102-2112-M-002-018-MY3. This research is also supported by the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) through the “Funding Program for Next Generation World-Leading Researchers (NEXT Program),” initiated by the Council for Science and Technology Policy (CSTP) and JSPS Asian CORE Program.
Materials
| microscope body | Olympus, Japan | BX-51 | |
| objective lens | Olympus, Japan | UPlanSapo, 100X, NA 1.4 | |
| 80-nm gold colloid | BBI Solutions, UK | EM.GC80 | |
| supercontinuum laser | Fianium, United Kingdom | SC400-2-PP | |
| broadband dielectric mirrors | Thorlabs, USA | BB1-E02 | |
| field emission SEM | JEOL, Japan | JSM-6330F | optional |
| spectrometer | Andor Technology, UK | Shamrock 163 | |
| charge-coupled device | Andor Technology, UK | iDus DV420A-OE | |
| acousto-optic modulators | IntraAction Corp., USA | AOM-402AF1 | |
| lock-in amplifier | Stanford Research Systems, USA | SR-830 | |
| MAS-coated slide glass | Matsunami Glass, Japan, | S9215 |
References
- Fang, N., Lee, H., Sun, C., Zhang, X. Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens. Science. 308 (5721), 534-537 (2005).
- Lee, B., Kim, S., Kim, H., Lim, Y. The use of plasmonics in light beaming and focusing. 34 (2), 47-87 (2010).
- Lal, S., Link, S., Halas, N. J. Nano-optics from sensing to waveguiding. Nature Photon. 1 (11), 641-648 (2007).
- Kawata, S., Inouye, Y., Verma, P. Plasmonics for near-field nano-imaging and superlensing. Nature Photon. 3 (7), 388-394 (2009).
- Homola, J., Yee, S. S., Gauglitz, G. Surface plasmon resonance sensors: review. Sensor. Actuat. B-Chem. 54 ((1-2)), 3-15 (1999).
- Nie, S., Emory, S. R. Probing single molecules and single nanoparticles by surface-enhanced Raman scattering. Science. 275 (5303), 1102-1106 (1997).
- Hache, F., Ricard, D., Flytzanis, C. Optical nonlinearities of small metal particles – surface-mediated resonance and quantum size effects. J. Opt. Soc. Am. B. 3 (12), 1647-1655 (1986).
- Balamurugan, B., Maruyama, T. Evidence of an enhanced interband absorption in Au nanoparticles: Size-dependent electronic structure and optical properties. Applied Physics Letters. 87 (14), 143105 (2005).
- Link, S., El-Sayed, M. A. Size and temperature dependence of the plasmon absorption of colloidal gold nanoparticles. J. Phys. Chem. B. 103 (21), 4212-4217 (1999).
- Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J. Phys. Chem B. 107 (3), 668-677 (2003).
- Kauranen, M., Zayats, A. V. Nonlinear plasmonics. Nature Photon. 6 (11), 737-748 (2012).
- Homola, J. Present and future of surface plasmon resonance biosensors. Anal Bioanal Chem. 377 (3), 528-539 (2003).
- Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Au nanoparticles target cancer. Nano Today. 2 (1), 18-29 (2007).
- Wada, O. Femtosecond all-optical devices for ultrafast communication and signal processing. New J. Phys. 6 (183), .
- Elim, H. I., Yang, J., Lee, J. Y., Mi, J., Ji, W. Observation of saturable and reverse-saturable absorption at longitudinal surface plasmon resonance in gold nanorods. Appl. Phys. Lett. 88 (8), 083107 (2006).
- Ros, I., Schiavuta, P., Bello, V., Mattei, G., Bozio, R. Femtosecond nonlinear absorption of gold nanoshells at surface plasmon resonance. Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (41), 13692-13698 (2010).
- De Boni, L., Wood, E. L., Toro, C., Hernandez, F. E. Optical Saturable Absorption in Gold Nanoparticles. Plasmonics. 3 (4), 171-176 (2008).
- Gurudas, U., et al. Saturable and reverse saturable absorption in silver nanodots at 532 nm using picosecond laser pulses. J. Appl. Phys. 104 (7), 073107 (2008).
- Bohren, C. F., Huffman, D. R. . Absorption and scattering of light by small particles. , (1983).
- Chu, S. W., et al. Saturation and reverse saturation of scattering in a single plasmonic nanoparticle. ACS Photon. 1 (1), 32-37 (2014).
- Chu, S. W., et al. Measurement of a saturated emission of optical radiation from gold nanoparticles: application to an ultrahigh resolution microscope. Phys. Rev. Lett. 112 (1), 017402 (2014).
- Fujita, K., Kobayashi, M., Kawano, S., Yamanaka, M., Kawata, S. High-resolution confocal microscopy by saturated excitation of fluorescence. Phys. Rev. Lett. 99 (22), 228105 (2007).
- Smith, K. C. A., Oatley, C. W. The scanning electron microscope and its fields of application. Brit. J.Appl. Phys. 6 (11), (1955).
- Yu, J. Y., et al. A diffraction-limited scanning system providing broad spectral range for laser scanning microscopy. Rev. Sci. Instru. 80 (11), 113704 (2009).
- Lee, H., et al. Point spread function analysis with saturable and reverse saturable scattering. Opt. Express. 22 (21), 26016-26022 (2014).
- Gustafsson, M. G. L. Nonlinear structured-illumination microscopy: Wide-field fluorescence imaging with theoretically unlimited resolution. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102 (37), 13081-13086 (2005).
- Yonemaru, Y., Yamanaka, M., Smith, N. I., Kawata, S., Fujita, K. Saturated Excitation Microscopy with Optimized Excitation Modulation. ChemPhysChem. 15 (4), 743-749 (2014).
- Betzig, E., et al. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science. 313 (5793), 1642-1645 (2006).
- Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316 (5828), 1153-1158 (2007).
- Huang, B., Wang, W. Q., Bates, M., Zhuang, X. W. Three-dimensional super-resolution imaging by stochastic optical reconstruction microscopy. Science. 319 (5864), 810-813 (2008).
- Heintzmann, R., Jovin, T. M., Cremer, C. Saturated patterned excitation microscopy – a concept for optical resolution improvement. J. Opt. Soc. Am. A. 19 (8), 1599-1609 (2002).
- Tzang, O., Pevzner, A., Marvel, R. E., Haglund, R. F., Cheshnovsky, O. Super-Resolution in Label-Free Photomodulated Reflectivity. Nano Lett. 15 (2), 1362-1367 (2015).
