Tek plasmonik Nanoparçacığı gelen doğrusal olmayan Saçılma Ölçülmesi
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
Plazmonik çalışma nedeniyle birçok farklı alanda 1-4 uygulamaları büyük ilgi gördü. Plazmonik en araştırılmıştır alanlardan bir yüzeyi plazmonik, olduğu bir metal ve dielektrik arasında bir arayüz de harici bir elektromanyetik dalga ile iletim elektron çiftler kolektif salınım. Yüzey plazmonik subwavelength optik, biofotonik ve mikroskopi 5,6 yılında potansiyel uygulamalar için incelenmiştir. Kısmi yüzey plazmon rezonansı (LSPR) nedeniyle metal nanopartiküllerinin ultra küçük bir hacmi içinde kuvvetli alan geliştirme nedeniyle sadece parçacık boyutları, partikül şekilleri ve çevreleyen ortamın 7 dielektrik özelliklerine olağanüstü duyarlılık, geniş ilgi çekmiştir -10, aynı zamanda, çünkü doğal olarak zayıf doğrusal olmayan optik etkileri 11 artırmak için kabiliyetini. LSPR olağanüstü duyarlılık biyo-algılama ve yakın fie için değerlidirld görüntüleme teknikleri 12,13. Öte yandan, plasmonik yapılarının gelişmiş doğrusal olmayan optik anahtarlama ve tüm optik sinyal işleme 14,15 gibi uygulamalarda fotonik entegre devrelerde kullanılabilir. İyi plasmonik absorpsiyon, düşük yoğunluk seviyeleri uyarma yoğunluğu ile doğrusal olarak orantılı olduğu bilinmektedir. Uyarma yeterince güçlü olduğunda, emme doygunluk ulaşır. İlgi çekici bir yüksek yoğunluklarda, absorpsiyon tekrar artar. Bu doğrusal olmayan etkiler saturable emme (SA) 15-17 olarak adlandırılan ve sırasıyla doyurulabilir emilimi (RSA) 18 ters vardır.
Bu LSPR nedeniyle saçılım plasmonik yapılarda özellikle güçlü olduğu bilinmektedir. Temel elektromanyetik dayanarak, olay yoğunluğu karşısında saçılma cevabı doğrusal olmalıdır. Bununla birlikte, nanopartiküller, yayılma ve emilme yakın Mie teorisi ile bağlı olan, ve her ikisi de, e olabilirdielektrik sabiti gerçek ve hayali parçaları açısından xpressed. Tek bir GNS hafif aydınlatma altında bir dipol gibi davranır varsayımı altında, Mie teorisine göre tek plasmonik nanoparçacık gelen saçılma katsayısı (Q sca) ve soğurma katsayısı (Q abs) 19 olarak ifade edilebilir
x 2 πa burada / λ bir kürenin çapı ve m, 2 ε m / ε d. Burada ε m ve ε d sırasıyla çevredeki Dielektriklerin metal dielektrik sabitleri ve bir karşılık gelmektedir. Saçılma katsayısı şeklinde yana th benzerdire emme katsayısı, bu nedenle tek bir plasmonik nanopartikülün 20 doyabilen saçılma gözlemlemek bekleniyor.
Son zamanlarda, izole bir plasmonik parçacık nonlineer doyabilen saçılma ilk kez 21 gösterilmiştir. Bu uyarım yoğunluğu arttığı derin doymuşluktaki, aslında saçılma şiddeti hafif bir azalma dikkat çekicidir. Uyarma yoğunluğu saçılma doymuş oldu sonra artan sürdürdü bile daha belirgin, saçılma şiddeti doyabilen ters 20 saçılma etkisini gösteren, yine yükseldi. Dalga boyundan ve boyut bağımlı çalışmalar 21 saçılma LSPR ve doğrusal olmayan arasında güçlü bir ilişki olduğunu göstermiştir. Plasmonik saçılma yoğunluğu ve dalgaboyu bağımlılıklar, bu doğrusal olmayan davranışlar altında ortak bir mekanizmayı göstermektedir emme kişilerce çok benzerdir.
Uygulama açısından, iyi kullanımları bilinmektedirwn o nonlineerlik optik mikroskop çözünürlüğü artırmak için yardımcı olur. 2007 yılında, doymuş uyarma (SAX) mikroskopi uyarma kiriş 22 bir zamansal sinüzoidal modülasyonu yoluyla doymuş sinyalini çıkartma ile çözünürlüğünü artırmak, hangi önerilmiştir. SAX mikroskopi, bir lazer odak nokta için, yoğunluk periferinde daha merkezde güçlü kavramına dayanmaktadır. Sinyal (floresan veya saçılma ya) doyma davranışı sergilerse lineer tepki periferdeki kalırken, doygunluk, merkezden başlamak gerekir. Sadece doymuş bir kısmını ayıklamak için bir yöntem varsa periferik kısmını reddederken, bu nedenle, bu nedenle etkili uzaysal çözünürlüğü arttırmak, sadece merkez kısmını bırakacaktır. Prensip olarak, sürece derin doygunluk ulaşıldığında SAX mikroskopi hiçbir düşük çözünürlüklü sınırı yoktur ve yoğun aydınlatma nedeniyle hiçbir örnek hasar var.
Bu çözünürlük gösterilmiştirfluoresans görüntüsü n anlamlı SAX tekniği kullanarak arttırılabilir. Bununla birlikte, floresans ışıkla ağartma etkisi uğrar. Saçılma nonlineer keşfini ve SAX kavramını birleştiren saçılma dayalı süper çözünürlüklü mikroskopi 21 gerçekleştirilebilir. Geleneksel süper çözünürlüklü mikroskop ile karşılaştırıldığında, saçılma tabanlı teknik olmayan yeni ağartma kontrast yöntem sağlar. Bu yazıda, bir adım-adım açıklama elde etmek ve plasmonik saçılma lineer olmayan ayıklamak için gerekli prosedürleri ana hatlarıyla verilir. Olay yoğunluğunu değiştirerek kişiye saçılma doğrusal olmayan belirleme yöntemleri tarif edilmektedir. Daha fazla detay bu nonlinearities tek nanopartiküllerin görüntüleri etkiler ve nasıl uzamsal çözünürlük SAX tekniği ile buna göre artabilir nasıl çözülmeye sağlanacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokolde, birkaç kritik adımlar vardır. Örneklerin hazırlanmasına, ilk olarak, nanopartiküller yoğunluğu parçacıklar arasında plasmonik kaplin önlemek için, çok yüksek olmamalıdır. İki veya daha fazla parçacıkların birbirine çok yakın ise, LSPR dalga boyunda bağlama sonuçları böylece önemli ölçüde lineer olmayan azaltarak, daha uzun dalga boylarına doğru kayması. Ancak, bu görüntüleme tekniği aslında yerine parçacıkların kendilerinin, plasmonik modları dağılımını harita…
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).
