Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems

1. Zirkular polarisierte optische Pinzette für Nanopartikel Rotation Das Setup um eine geeignete inversen Mikroskop erstellen und verwenden einen sichtbaren rote Wellenlänge Laser (660 nm). Eine schematische Darstellung der Versuchsanordnung ist in Abbildung 2dargestellt. Achten Sie darauf, wählen ein Laser mit einer stabilen Leistung Leistung bis zu 500 mW (Stromerzeugung auf der Ebene der Stichprobe von rund 50 mW). Auch stellen Sie sicher, dass der Rest der Komponenten gut auf die Trapping-Laser-Wellenlänge durchzuführen. Verwenden Sie ein trockenes Ziel mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,95 und 40 X Vergrößerung. Immer tragen Sie Schutzbrille und pflegen Sie gute Laser-Sicherheit (insbesondere bei Verwendung von nicht sichtbaren Laser). Durchführen Sie Ausrichtung auf die minimale Laserleistung. Die ganze Laser Weg, beide aus Sicherheitsgründen und zur Vermeidung von Temperaturdrift und Staub in den Lichtweg zu kapseln.Hinweis: Abhängig von der Polarisationszustand des Ausgangs aus dem Laser, könnten die optische Pinzette profitieren einen linearen Polarisator als die erste optische Komponente platzieren. Wenn die Polarisation des Lasers bereits linear ist, kann diese Komponente weggelassen werden. Verwenden Sie ein paar positive Linsen in einer Keplerschen Fernrohr Konfiguration (Objektive Abbildung 2unten), den Laserstrahl zu erweitern, so dass der Durchmesser etwas größer als die hinteren Blende das Trapping-Ziel ist.Hinweis: Diese ermöglicht es der gesamten na des Ziels verwenden und eine Beugung begrenzt Fokus der Falle11, wodurch optimale Trapping Steifigkeit produzieren. Stellen Sie sicher, dass der Trapping-Laser richtig nach der Beam Expander kollimiert ist. Dies kann erfolgen, indem wir sicherstellen, dass die strahlgröße ist zu unverändert schließen, wenn das Ziel (oder mithilfe einer Schur Interferometer) propagieren. Zwei Spiegel (M1 und M2 in Abbildung 2), montiert auf kinematische Spiegelhaltern verwenden (und ggf. einem Verschiebetisch), um den Laserstrahl in das Mikroskop-Setup zu leiten.Anmerkung 1: Halten Sie genügend Abstand zwischen Laser Spiegel und Mikroskop, um zusätzliche optische Elemente wie wellenplatten und Strahlteilern hinzufügen können.Anmerkung 2: Stellen Sie sicher, dass der Laser immer abseits des Okulars oder jedes andere zugänglich Licht verlassen das Mikroskop gefiltert wird. Verwenden Sie einen Strahlteiler (50/50 teilweise flexionsgrad wird hier verwendet, aber eine dichroitische könnte auch gut funktionieren) in das Mikroskop paar Laser-Licht in das Objektiv ohne Bildgebung und Messung Fähigkeit im Mikroskop-Setup. Eine Kamera enthalten (siehe Abbildung 2) in den Einstellungen für spätere experimentelle Beobachtung und Erfassung der Daten. Wenn ein System ohne ein Okular verwendet wird, ist dies für jede Ausrichtung von entscheidender Bedeutung. Konzentrieren Sie den Laser auf einen Objektträger oder einen Spiegel. Wenn der Laser ausgerichtet wird und das Ziel im richtigen Winkel betritt, ist das Laser Intensität Muster Radial symmetrisch, wenn sich oberhalb und unterhalb der Dreh-und Angelpunkt zu ändern. Optimieren Sie die Winkel der Laser Spiegel (M1 und M2 in Abbildung 2), um optimale Laserausrichtung zu erhalten (wie beschrieben in 1,9). Kreisförmig polarisieren Sie das Licht des Lasers. Auf dem leichten Weg zur Ziel passieren des Lasers durch eine Viertel-Wellenlängen-Platte (QWP; λ/4 in Abbildung 2) ausgerichtet, die schnelle Achse um 45° um die lineare Polarisation des Lasers Licht zirkular polarisiertes Licht auf die linear polarisierte Licht umsetzen die Probe-Ebene. Richten Sie einen 360° drehbaren linearen Polarisator und ein Power-Meter vor dem Ziel. Überprüfen Sie Polarisation durch Drehen der linearen Polarisators und in Anbetracht der maximalen und minimalen macht, entspricht die Haupt- und Nebenversionen Achse oder die Polarisation Ellipse.Hinweis: Das Verhältnis sollte höher als 0,9 für optimale Rotation Leistung liegen. Wenn dies nicht erreicht wird, siehe 4.2 für eine Lösung. Messen Sie die Leistung des Lasers bei der Probe-Ebene. Verwenden Sie eine optische Leistungsmesser, um die Leistung des Lasers bei der Probe-Ebene zu erforschen. Achten Sie darauf, um das Licht, die für eine korrekte Messung der Überfüllung macht das Ziel durchlaufen zu sammeln. Führen Sie einen lineare Sweep Laser Ausgangsleistungen und erfassen Sie die entsprechenden Befugnisse bei der Probe-Ebene für die anschließende Konvertierung in Leistungsdichte in der Falle. Ein Dunkelfeld (DF) System in Köhler Beleuchtung mit einem Öl eingetaucht DF Kondensator zur Visualisierung von Partikeln und Trapping Veranstaltungen ermöglichen. Dies ermöglicht für Bildgebung und Spektroskopische Messungen der eingeschlossenen Nanopartikel. (2) Instrumentierung für Messungen von Rotation, Rotations Brownschen Dynamik und spektroskopische Eigenschaften Photon Korrelation Spektroskopie mit einem ein-Pixel-Detektor. Legen Sie einen Strahlteiler (30R/70T) in den optischen Pfad um die Nanopartikel rückgestreute Licht entziehen. Verbinden Sie eine schnell Einzelpixel-Si-Photodiode zu einer Datenkarte Erwerb zur Aufnahme der Signale zu ermöglichen.Hinweis: Es ist wichtig, eine Photodiode/DAQ, die für die Messung der rotatorischen Frequenzen erwartet (mehrere Dutzend kHz) ist. Licht auf eine Sammlung Faser fixiert in einem Xy-Übersetzung montieren. Legen Sie einen linearen Polarisator vor der Sammlung-Faser. Für Sammlung Faserausrichtung koppeln Sie sichtbares Licht an der Ausfahrt Ende der Faser, das Substrat zu beleuchten. Dies ermöglicht die Visualisierung und Analyse der Sammlung Region der Faser. Passen Sie die Position der Faser mit dem Xy-Übersetzung zu montieren, so dass seine Sammlung Region deckt sich mit der Position der optischen Falle. Verbinden Sie die Ausfahrt Ende der Faser mit der Si-Detektor und Feinabstimmung die Position der Faser zur Maximierung der gesammelten Rückseite verstreuten Signal. Dunkelfeld-Spektroskopie-Setup. Denken Sie daran, die Sorgfalt werden, bei der Wahl alle optischer Komponenten auf dem Weg zwischen der Probe und Spektrometer, um nicht zu blockieren, Licht in den Spektralbereich von Interesse angewendet muss. Vorsicht, da direkte verstreut und/oder reflektierte Laserlicht die Spektrometer-Sensor beschädigen könnte. Das Laserlicht mit entsprechenden Filtern und/oder dichroitischen Strahlteilern zu blockieren. Führen Sie immer Ausrichtung des Setups auf die minimale Laserleistung. Legen Sie einen Strahlteiler/Spiegel im Strahlengang Licht in das Spektrometer umleiten (in diesem Protokoll wird ein Freiraum-gekoppelte Spektrometer verwendet). Eines der Mikroskope output Ports auch verwendet werden könnte, wenn geeignet. Verwenden Sie Notch Filter, um das intensive Fallenjagd Laserlicht (Filter von insgesamt OD12 auf die Wellenlänge des Lasers wurden für ausreichende Blockade in unserem Fall benötigt), zu entfernen, das in einem anderen Fall die spektrale Nanopartikel von Interesse dunkel wird. Passen Sie die Position der optischen Pinzette von den Leitlinien spiegeln (M1 und M2 in Abbildung 2) damit es deckt sich mit der Position des Schlitzes Spektrometer.Anmerkung 1: Veränderungen der optischen Falle erfordert Neuausrichtung der Photon-Korrelation-Messsystem (Anweisungen 2.1.4-2.1.5).Anmerkung 2: An der neuen Position der optischen Pinzette Anweisungen 1.9 1.10 müssen wiederholt werden, um eine gut abgestimmte optische Falle zu erreichen. 3. Versuchsdurchführung Vorbereitung der Partikel für Experimente. Die Partikel in VE-Wasser zu verdünnen. Eine entsprechende Konzentration des Laptops sollte in einem Bereich zwischen 0,1-0.01 Uhr. Beschallen Sie die verdünnte Lösung in ein Ultraschallbad Reiniger für 2 min zu brechen auseinander möglich Aggregate und Lösung zu homogenisieren. Optimieren Sie die Konzentration des Laptops in der Verdünnung um Trapping von mehreren Partikeln zu vermeiden. Je länger das Experiment, das ausgeführt wird, desto geringere die Konzentration verpflichtet das Risiko von trapping mehrere Teilchen oder Verunreinigungen. Vorbereitung der Sample-Zelle. Waschen Sie einen Objektträger und einem Deckglas (Nr. 1.5) in Aceton und anschließend Isopropanol unter Beschallung für fünf Minuten, bzw..Hinweis: Stellen Sie sicher, dass die Oberflächenladung der Objektträger während Experiment die gleiche Polarität wie die kolloidale Nanopartikel hat. Nanopartikel durch die Tensid Hexadecyltrimethylammonium Bromid (CTAB) stabilisiert sind positiv geladen. Legen Sie eine 100 µm Abstandhalter Maßband auf dem Objektträger. 2 µL der verdünnten Nanopartikel-Lösung auf den Objektträger in den Brunnen und 2 µL auf dem Deckglas zu zerstreuen. Lösung auf beiden Oberflächen ermöglicht ein kontrollierbarer Montage von Sample-Zelle. Verbinden Sie die beiden Teile des Sample-Zelle unter Vermeidung von Luftblasen im Inneren der Kammer bilden. Legen Sie die Zelle auf den Mikroskoptisch und geben Sie einen Tropfen des Index angepasst () Immersionsöl auf die Probe und ein Tropfen auf den Kondensator. Tropfen auf jeder Seite vermeiden Sie Luftblasen im Öl, das streut das Licht und reduziert den Kontrast der DF-Beleuchtung. Ein Experiment durchführen. Suchen Sie ein Teilchen durch Beobachtung in der DF-imaging-System. Eine einzelne Nanorod kann in der Regel durch Beobachtung der Brownschen Bewegung (mehr als Aggregate unregelmäßig) und Farbe (entsprechend der stärkste LSPR Resonanz) identifiziert werden. Start/Entsperren des Trapping-Lasers. Durch eine Reihe von Bewegung und Fokus Korrekturen Drücken der gewählten Teilchen über Strahlungsdruck in Ausbreitungsrichtung der Laser auf das Wasserglas Interface. An der Schnittstelle, die Z-Bewegung wird durch ein Gleichgewicht zwischen Strahlungsdruck und Coulomb-Abstoßung zwischen CTAB Moleküle auf der Oberfläche der Nanopartikel und der positiv geladenen Oberfläche eingeschränkt. Die Xy-Schwankungen sind durch gradient Kräfte in der optischen Pinzette beschränkt. Durch kleine Fokus Korrekturen Trapping Stabilität oder Rotation Geschwindigkeit, gemessen von der Autokorrelation Daten (wie im Unterricht 3.4 beschrieben) zu maximieren. An dieser Stelle nehmen Sie Rotations Dynamik und spektroskopischen Eigenschaften der eingeschlossenen Nanorod auf. Siehe 3.4 und 3.5 unten auf, wie diese zu untersuchen. Dies kann über einen längeren Zeitraum hinweg, bis zu mehreren Stunden bei Bedarf erfolgen. Rotations-Dynamik Messungen. Achten Sie auf eine Sammlung-Region von der Faser, die groß genug ist, immer das Bild des Teilchens während seiner Translationsbewegung umschließen. Sammeln Intensität Oszillation Signal mit der Si-Photodetektor zu einem geeigneten Zeitpunkt für kritische Frequenz und Sammlung. Wählen Sie 65536 Hz und 1 s Erfassungszeit mit zu beginnen und bei Bedarf anpassen.Hinweis: Probing Frequenz sollten mindestens zwei (und optimal zehn) mal größer als die Drehfrequenz multipliziert mit dem Grad der nachweisbaren Rotationssymmetrie (N, siehe unten) sein. Abholzeit sollte lang genug, um Frequenzen deutlich niedriger als die Drehfrequenz beschaffen zu können. Berechnen Sie nach einer Intensität Fluktuation Datenmenge aus einer rotierenden Nanopartikel gesammelt die Autokorrelation der Intensität Fluktuation. Dies geschieht durch die Berechnung der Korrelation des Signals mit einer zeitlich verzögerten Kopie von sich selbst für jede Verzögerung Zeit τ (i.e.,C(τ) = {ich(τ) · Ich(0)}). Führen Sie eine Anpassung an die theoretische Autokorrelationsfunktionwo ich0 ist die durchschnittliche Intensität, ich1 ist die Amplitude der Intensität Fluktuation und N ist der Grad der nachweisbaren Rotationssymmetrie (für stabförmige Partikel N = 2)2,3. Extrahieren Sie die Passform die Frequenz fFäulnis und Zerfall Umlaufzeit der Autokorrelation Signal τ0 (bezogen auf Rotations Brownsche Bewegung Dynamik). Spektroskopische Messungen. Nehmen Sie ein weißes Lichtspektrum (ichweiß(λ)) durch das Sammeln von Beleuchtung Licht. Dies kann durch dicht Verteilen gleichmäßig Streuung Polystyrol-Kügelchen auf einer Oberfläche und sammeln ihre Streuung Reaktion erfolgen. Zeichnen Sie ein Hintergrund-Spektrum (ichBkg(λ)) durch das Sammeln von Streulicht in der Trapping-Stelle, wenn ein Teilchen nicht eingeklemmt wird.Anmerkung 1: Für jede einzelne Messung, dies sollte da Hintergrundeigenschaften zwischen verschiedenen Sample-Zellen und sogar Standorte innerhalb einer Probe erheblich variieren können.Anmerkung 2: Aufnahme Hintergrund Spektren sollte für die gleichen Laserleistung für optische fallen verwendet erfolgen. Dies erlaubt es, alle möglichen Auto-Fluoreszenz aus der Glas-Folie, angeregt durch die hohe Laser-Intensitäten im Fokus zu entfernen. Aufzeichnen einer dunklen Spektrum (ichdunkel(λ)), wenn blockiert alle das Licht, das auf den Detektor. Notieren Sie ein rohes Spektrum an ein eingeschlossenes Nanopartikel (ichroh(λ)). Zugriff auf das tatsächliche Nanopartikel Streuung Spektrum durch die Berechnung Um Informationen über die LSPR Gipfel Positionen zu extrahieren, passen Sie die DF Streuung Spektrum Energie Skala mit einer Bi-Lorentzian Montage-Funktion auch eine lineare Korrekturterm für interband Übergänge in Gold. Die Modellfunktion lautet:wo E ist die Energie, ichB ist eine Basislinie Intensität, k die Steigung der linearen Korrektur, ichich Intensität Maxima, Γich die volle Breite am halben Maxima (FWHM) und E0, i Peak-Positionen der beiden Lorentzian Gipfel. 4. Fehlerbehebung und Lösung gemeinsamer Probleme Probleme im Zusammenhang mit gold Nanorod Eigenschaften. Schlechte Fangmethoden Stabilität. Stellen Sie sicher, dass die wichtigsten Resonanz (in der Regel längs Resonanz bei Laptops) auf der blauen Wellenlänge die Trapping-Laser-Wellenlänge ist. Ist dies nicht der Fall, die Neigungskraft werden anstelle von attraktiven37abstoßend. Eine Nanorod Größe abnimmt, verringert sich die Bewegung von Brownsche Schwankungen erhöht und gleichzeitig die stabilisierende Kraft von Stokes ziehen. Versichern, die Laptops sind groß genug für die Xy-Neigungskraft, diese destabilisierende Kräfte zu überwinden. Überlappende oder Breite spektrale Eigenschaften. Stangen eine groß genug Seitenverhältnis für LSPR Gipfel ausreichend getrennt werden, um individuell gelöst werden müssen (siehe Abbildung 1 b).Hinweis: Die Wellenlänge des Lasers stellt eine Obergrenze für die Anisotropie Form seit der longitudinalen LSPR Rotverschiebungen für längere Stäbe. Vorzugsweise sollte die Nanopartikel klein genug, um LSPR Moden höherer Ordnung nicht im sichtbaren Regime zu unterstützen, da dies die Analyse erschwert. Nanopartikel-Auswahl ist ein Gleichgewicht zwischen dieser Prüfung und die Fangmethoden Stabilitätsproblem in Anleitung 4.1.1.2. Unzureichende zirkulare Polarisation der Trapping-Laser.Hinweis: Um die optimale Leistung der Drehrichtung der eingeschlossenen Nanopartikel zu erhalten, sollte das Licht des Lasers erreicht der Objektebene Zirkular polarisiert werden. Strahlteilern und andere optischen Komponenten kann Polarisation abhängige, die perfekte zirkulare Polarisation mit nur einem QWP erhalten unmöglich machen könnte. Fügen Sie eine Halbwellen-Platte (HWP; λ/2 in Abbildung 2) nach QWP auf dem Weg zum Ausgleich Strahlteiler Doppelbrechung. Die linearen Polarisator und Power-Meter-Konfiguration einrichten und Durchführen einer Analysis der Polarisationszustand des Lasers (wie in der Anleitung 1.11.2-1.11.3). Für jede Position in Schritten von fünf Grad der QWP HWP durch seine gesamte Winkelbereich (90°) in Schritten von fünf Grad zu drehen und Messen der Leistungsverhältnis für jede Position. Wollen Sie den Winkel der QWP und HWP zu finden, die das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Leistung zu maximieren.Hinweis: Nach unserer Erfahrung war das maximale Verhältnis zwischen der maximalen und minimalen Mächten 0,75 ohne und 0,98 mit der HWP-Korrektur. Teilchen festhalten an Interface Laserleistung unangemessen beschränken, Partikel in die Xy-Ebene. Stimmen Sie die Konzentration Tensid, durch ein Teilchen waschen Verfahren und anschließender Re Verbreitung von den Laptops in einer kontrollierten Konzentration von CTAB zu stabilisieren. Zentrifugieren der Stammlösung von Nanopartikeln bis Partikel Sediment (~ 5 min bei 600g). Entfernen Sie die Suspension Flüssigkeit. Neu im Wasser auflösen. Dies schwächt die CTAB Inhalt der Vorratslösung. Wiederholen Sie die Schritte 4.3.1.1. und 4.3.1.2. einmal mehr.Hinweis: Da CTAB als Kolloid Stabilisierungsmittel fungiert, vermeiden Sie übermäßige Zentrifugation Zeit und Geschwindigkeit in den folgenden Waschschritte, da das Risiko der Aggregation erhöht, da die CTAB weggewaschen wird. Die meisten der CTAB Tenside in der ursprünglichen kolloidale Lösung wird nun entfernt und eine neue, gut kontrollierte, Konzentration von CTAB auf das Kolloid eingeführt werden kann. Aus unserer Erfahrung Dispergieren Vorratslösung in Wasser mit 20 µM CTAB und anschließende DI-Wasser-Verdünnung in der experimentellen Konzentration ergibt sich eine Abdeckung, die ausreichend Coulomb-Abstoßung produziert. Mögliche Feinabstimmung der CTAB Konzentration kann erforderlich sein, entsprechende Partikeloberfläche Abscheu für die bestimmten Charge von Nanopartikeln verwendet erstellen. Durchlaufen Sie das oben beschriebene Verfahren und verändern Sie geringfügig die CTAB Konzentration um eine richtige zu finden. Glasoberfläche an negativ kostenlos Oberfläche waschen.Hinweis: Dieses Waschvorgangs produziert eine negativ geladene Oberfläche, die mit freien CTAB Moleküle in der experimentellen Lösung, so dass es positive und elektrostatisch abstoßend für die Partikel während 2D Trapping beschichtet wird. Nehmen Sie einen Objektträger und reinigen Sie sie in eine Mischung aus Wasser und 2 Gew.-% der grundlegenden Reinigungsmittel auf 80 ° C für ca. 10 Minuten, bis die Oberfläche sichtbar hydrophilen erhitzt.Hinweis: Vermeiden Sie Glas-Objektträger zu waschen, zu lange oder zu hart, denn damit kann die Glasoberfläche porös und eine Vielzahl von Schmutzpartikel produzieren. Probleme mit dem Photon Autokorrelation Spektroskopie. Niedrige Amplitude der Intensität Schwingungen oder lauten Signal. Legen Sie einen Bandpassfilter (BP-Filter in Abbildung 2) vor der Sammlung-Faser, die das Laserlicht und Blöcke dunkel-Bereich Beleuchtung Licht geht.Hinweis: Im Prinzip funktioniert die Messung bei allen Licht sowie der Erhebung. Jedoch unpolarisierten Weißlicht DF Beleuchtung effizient erregt aus Flugzeug-Modi, und da eine Nanorod um die kurze Achse in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse dreht, dies ist die Ebene quer LSPR. In diesem Modus trägt keine Form Anisotropie während der Rotation und sammeln Licht daraus nur das Signal Rauschabstand der Messung reduziert. Weitere Verfall in Autokorrelationsfunktion. Stellen Sie sicher, dass der Kern der Sammlung Faser groß genug, um das Bild der Nanopartikel während aller seiner Exkursionen durch translationale Brownsche Bewegung enthalten ist. Wenn eine Faser mit einer zu kleinen Kern Größe verwendet wird, durch eine größere ersetzen. Prüfen Sie die Ausrichtung der neuen Faser, wie in der Anleitung 2.1.4-2.1.5.