Nanorods זהב plasmonic יכול להיות לכוד בתוך נוזלים, מסובב בתדרים kHz באמצעות מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי. היכרות עם כלים dynamics בראונית ניתוח של scatteringspectroscopy אור מוביל מערכת חזקה עבור מחקר ויישום בתחומים רבים של המדע.
האפשרות ליצור ולמדוד את הסיבוב, מומנט ננו הוא עניין מהותי ויישום של nanomotors ביולוגי, מלאכותיים, עשוי לספק מסלולים חדשים לקראת ניתוח תא בודד, מחקרים של לא שיווי משקל תרמודינמיקה, הופעה מכני של מערכות ננו. דרך נתיישב סיבוב כונן היא להשתמש אור מקוטב באופן מעגלי לייזר ממוקדת במלקחיים אופטיים. באמצעות גישה זו, חלקיקים מתכתיים יכול להיות מופעל כמו יעילים ביותר מבוססת על פיזור רוטרי מנועים מסתובבים בתדרים סיבוב חסרת תקדים במים.
ב פרוטוקול זה, אנו המתאר את הקמה ותפעול של מקוטב באופן מעגלי מלקחיים אופטיים עבור סיבוב ננו-חלקיק, לתאר את המכשור הדרוש עבור הקלטת את הדינמיקה בראונית ואת פיזור ריילי של החלקיק לכוד. תנועה סיבובית של ספקטרום פיזור מספק מידע עצמאי על המאפיינים של ננו-חלקיק ואת סביבתו הקרובה. פלטפורמה ניסיוני הוכיח שימושי לאמוד nanoscopic של צמיגות ואת הטמפרטורה המקומית, למעקב אחר שינויים מורפולוגיים של nanorods, ציפויים מולקולרית, וכן בדיקה של photothermal ותהליכי תרמודינמי עם מתמר.
השיטות שהוצגו במאמר זה משכפל אלו המשמשים שלנו בעבודה הקודמת1 ללמוד ננו photothermal אפקטים המשפיעים על מנועים רוטרי מונחה-אור nanorod זהב. גרסאות של פלטפורמת ניסיוני שימש מספר פרסומים הקשורים2,3,4,5,6,7,8, 9.
מלקחיים אופטיים נמצאים בשימוש נרחב עבור שליטה העברת מיקום, כוח ו תנע קווי-פיסיקליות קטן ב פיזיקה, ביולוגיה, הנדסה10,11,12,13,14 . יכול להיות מועסק תנע זוויתי נישא על ידי אור מקוטב באופן מעגלי עבור בקרת תנועה נוספים כי זה להעביר מומנט אובייקטים לכוד15ברציפות. על ידי שילוב תמסורת אופטית ליניארי, תנע זוויתי, אז זה אפשרי לבנות לא פולשנית רוטרי nanomotors עם פוטנציאל ליישומים מגוונים, כגון משלוח סמים לתוך16,תאים בודדים17, ננו ניתוח18, nanofluidics הפעילה19, בין השאר.
באמצעות חלקיקים מתכתיים כמו הנושא של טיפול מונע אור, אחד יכולים לנצל את היתרונות של מקומי פלזמון משטח מגנטיים (LSPR של), המספקות חתכי רוחב אופטי גדול, רגישות גבוהה שינויים סביבתיים, תחום רחב שיפורים20,21,22,23. זה הוביל שפע של מחקרים על הגבול בין פלזמוניקה מניפולציה אופטי8,24,25,26,27. האינטראקציה אור-חומר חזק שמספק LSPR אפשרה לנו לעצב פלטפורמה איפה לייזר מקוטב באופן מעגלי פינצטה מסוגלים לנהוג nanorods זהב לסובב בתדרים סיבוב התקליטים מים2. על ידי מעקב של תנועה בראונית של nanorod מסתובב, מידע מפורט אודות הסביבה והטמפרטורה שלו ניתן להשיג3,5. ניתוח spectroscopic בו זמנית מספק ערוץ מידע עצמאי נוסף עבור ניתוח שהטמפרטורה ויציבות מורפולוגי של nanorod סיבוב1. מגוון רחב של מערכות ותצורות שימשו לימוד ויישום לאופקית ב מלקחיים אופטיים, יצירת תובנות חשובות בתוך29,30 28,15,שדה , 31 , 32. עם זאת, רוב המחקרים הללו התמודדו עם אובייקטים מספר מיקרון בזמן nanorod יחיד נותן גישה המשטר בגודל ננומטר. יתר על כן, כאשר זהב nanorods משמשים את nanomotor סיבוביים, מומנט כוח ביעילות מועבר בעיקר באמצעות פיזור2,33. פעולה זו מפחיתה את הסיכון של התחממות יתר חלקיקים לכוד3,34,35.
בהשיטה הבאה, אנחנו חלוקה לרמות את הצעדים הדרושים כדי לבנות מערכת מסוגלת השמנה אופטי יעילים וסיבוב של חלקיקי מתכת. Nanorods זהב נחשב במחקרים אלה יש פיזור גבוה חתכי רוחב, הלחץ קרינה הופך להיות חזק יותר הכוח הדרגתיות מבטלת בכיוון התפשטות. להגבלת עדיין החלקיקים ב- 3D, אנו מנצלים את האיזון בכוח בין סלידה הקולומבית ממשטח הזכוכית ואת הכוח פיזור לייזר בכיוון התפשטות. תצורה זו 2D-השמנה מאוד מרחיבה את טווח החלקיקים ללכידה, לעומת תקן מלקחיים אופטיים תלת-ממד, זה יכול להיות משולב בקלות עם הדמיה אופטית כהה-שדה וספקטרוסקופיה.
Nanoparticle מתכת לכוד על אינטראקציה עם הסביבה, מידע מפורט אודות אינטראקציה זו מכילה את התנועה ואת תכונות ספקטרליות. לאחר המתארות כיצד לבנות את מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי, אנחנו ולכן גם חלוקה לרמות איך לשלב אינסטרומנטציה עבור חיטוט דינמיקה סיבובית, מדידת ספקטרום פיזור ריילי בכיוונון ניסיוני. התוצאה היא פלטפורמה תכליתי ללימודי התופעות סיבוב ננו, פיזיקה, כימיה וביולוגיה.
פרוטוקול זה מבוסס על ההנחה כי החוקר יש גישה מתאימה colloidal חלקיקי מתכת, רצוי אחת nanorods זהב גבישי. Nanorods זהב שניתן לרכוש מחברות מיוחדות או מסונתז בית בשיטת רטוב-כימיה. Nanorods שימוש בניסויים שלנו נעשו על ידי שיטת גידול בתיווך זרע שמתואר Ye et al. 201336. זה יתרון אם התכונות האופטיות של חלקיקים ומורפולוגיה טוב מאופיינים, לדוגמה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) ומדידות הכחדה אופטי. איור 1 מציג נתוני הקליטה של מדידות כאלה nanorod נציג סוגים1.
חלוקה לרמות של הפרוטוקול הוא כדלקמן: בחלק הראשון, אנו מתארים את בניית הפינצטה אופטי מבוסס על קיטוב מעגלי. במקטע השני, אנו נתאר כיצד לחלץ מידע nanomotor ע י הקלטת דינמיקה סיבובית ומאפיינים הפיזור שלו. תדירות הסיבוב, של תנועה בראונית הסיבוב של החלקיק לכוד נמדד באמצעות פוטון המתאם ספקטרוסקופיה לפי להקרין אור לייזר backscattered מתערבבת עם מקטב ליניארי על גלאי מהר פיקסל בודד-3. על-ידי הזזת את הנתונים לכל פונקציה autocorrelation תיאורטיים, תדירות הסיבוב והן הזמן דעיכה של פעפוע בראונית המסתובבת יכול להיות חילוץ2,3. מאפייני לכוד על ננו-חלקיק אופטי נמדדים באמצעות שדה אפל ספקטרוסקופיה, אשר מספק מידע משלים על החלקיק ואת סביבתו. בחלק השלישי, אנו מתארים הליך ניסיוני השמנה והסיבוב של nanorods זהב.
הפרוטוקול המתואר עד לנקודה זו הוא נתיב ישיר למערכת מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי מתפקדת עבור סיבוב nanoparticle. עם זאת, לעיתים מתעוררות בעיות תשומת נוספים לפי דרישה. בחלק הרביעי, אנו מכינים כמה מן הבעיות הנפוצות נתקלנו וכיצד לטפל בהם. אלה כוללים נושאים הקשורים nanoparticle התכונות האופטיות המוביל אל מלכודת המסכן יציבות (4.1), נמוך תדירויות הסיבוב עקב קיטוב מעגלי שיוצרת הנגרמת על ידי שבירה כפולה beamsplitter (4.2), דבק של חלקיקים במשטח זכוכית עקב דחיה הקולומבית לא מספיקות (4.3), סטייה האות autocorrelation אופיינית (4.4).
הגדרת השמנה אופטי שמתואר פרוטוקול זה בנוי סביב מיקרוסקופ הפוכה מסחרי ומשתמש אור לייזר אדום. עם זאת, טכניקות המתוארים הם מגוונים, ניתן להשתמש כדי לבנות מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי סביב מיקרוסקופים הכי מסחרי או מתוצרת בית, שניהם זקופים, הפוכה, עם רק קלה שינויים. ניתן לבחור את אורך הגל של הלייזר השמנה בתוך הספקטרום ניר רחב גלוי–, כל עוד שארית רכיבים אופטיים וגלאי מתפקדים ובאורך הגל הספציפי הזה. יחד עם זאת, בעת בחירת אורך גל לייזר, בקרבת ספקטרלי מגנטיים של החלקיקים להיות מתומרן וגודל יש לקחת בחשבון כי זה ישפיע על השמנה אופטי כוחות ועל ביצועים סיבוב2,5, סדר הגודל של photothermal אפקטים1ו- יציבות השמנה26. בהצלחה בעבר עבדנו עם פינצטה מקוטב באופן מעגלי לייזר באמצעות לייזר אורכי הגל של 660, 785, 830 1064 ננומטר.
אחד המרכיבים החשובים ביותר של ההתקנה השמנה אופטי הוא המטרה מיקרוסקופ. המטרה של פרוטוקול זה היא מטרה יבש עם NA = 0.95. השימוש של מטרה יבש הוא השפעול הבנה פשוטה של ההתקנה; עם זאת, הדבר עלול להוביל סטיות אופטי עקב שבירה ממשקי תא הדגימה. במקרה הנוכחי, התוצאה היא נקודת המוקד מעט מוגדלת (~1.2 מיקרומטר) לעומת המגבלה עקיפה (~0.4 מיקרומטר), אך אפשרות זו אינה משנה באופן משמעותי את הביצועים הכללי או חוגה של הפלטפורמה. שבעיקרון מגוון רחב של מטרות מיקרוסקופ יכול להיות בשימוש, סיפק שלהם שידור טוב על הגל השמנה, תחזוקה טובה קיטוב, מספיק זמן ומרחק עבודה לבצע השמנה דרך מיקרוסקופ כיסוי slip שכבה של מים. במקרה של השמנה 2D, NA יכול להיות נמוך יחסית, אשר הופך את הניסוי כולו פשוט ומספק כלי הניקוי קיטוב מעגלי בפוקוס. עם זאת, הכוחות לייזר ייתכן שיהיה צורך יותר במקרה של מטרה נה גבוהה. מניסיוננו, הביצועים הטובים ביותר להשמנה, ספקטרוסקופיה סיבוב ושדה כהה מתקבל עם מטרות עם נה 0.7-0.95, אך ניתן להשתמש מטרות נה נמוך יותר, כמו גם גבוה יותר.
כדי להשיג פוטון טוב מידות המתאם לאופקית, גלאי מהר פיקסל בודד-נחוץ. בחרו גלאי עם רוחב פס לפחות שניים, רצוי עשר, פעמים גבוה יותר מאשר תדירות הסיבוב הצפוי מוכפל את צורת מקרה מנוון גורם ורגישות גבוהה הגל השמנה בשימוש. רסיברים צילום סי מוגבר, פוטון יחיד סופר APDs, PMTs שימשו עם הצלחה setups שונים במעבדות שלנו. ניתן לקבל פרטים נוספים, לדוגמה על מלכודת נוקשות, על ידי מדידת וניתוח הזחה translational חלקיקים באמצעות טכניקות ומבוססת כגון ניתוח ספקטרלי כוח5. מספר הפרסומים הקודמים מתארים וריאציות שונות של38,זו טכניקה39. DF ספקטרוסקופיה יכול להתבצע באמצעות מגוון רחב חינם-רווח או סיבים מצמידים ספקטרומטרים ואת הבחירה צריכה להתבסס על טווח הספקטרום, אורך גל, רזולוציה טמפורלית לצורך המחקר המתוכנן.
בעת ביצוע ניסוי השמנה, חלקיקים נוספים עשויים בטעות ייכנס למלכודת. זה ניתן להבחין באמצעות ניטור תדר הסיבוב אשר משתנים חריפה בשל ההפרעה. בדיקה ויזואלית על ידי מיקרוסקופ DF יכול לשמש כדי לוודא המצאות חלקיקים נוספים, ובמקרה ניתן להעביר את הבמה כדי למנוע הפרעה או הניסוי צריך להפעיל מחדש.
המערכת שתוארה לעיל היא דרך פשוטה ויעילה להבין כליאה 2D וסיבוב של חלקיקים מתכתיים. עם זאת, עבור יישומים מסוימים, החופש של תואר נוסף עבור מניפולציה שמגיע עם השמנה תלת-ממד חשוב, ולכן התצורה הנוכחית מגבלה. עם זאת, כליאה 3D וסיבוב ייתכן ניתנים להשגה על-ידי ניצול נגד הפצת לייזר פינצטה או תצורות השמנה אקזוטי יותר.
למרות ניתן למטב את הפרמטרים של חלקיקים ומערכת שנדונו כאן כדי להפחית photothermal חימום מתחת K ~ 154, העלייה בטמפרטורה המשויך plasmonic עירור של חלקיקי מתכת יכול להיות בעייתיים מסוימים יישומים. מסלול אפשרי לקראת הפחתת החום נוספת היא להשתמש חלקיקים מבודד גבוהה-אינדקס במקום חלקיקים plasmonic. חלקיקים כאלה תמיכה חזקה מסוג Mie פיזור מגנטיים אבל באותו זמן התערוכה מקדמי ספיגה פנימית נמוכה. לאחרונה היינו מסוגלים לייצר colloidal חלקיקי סי התהודה עשוי להוכיח שימושי40,41זה כבוד.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי את קנוט, אליס ולנברג קרן, המועצה למחקר השבדי האזור צ’אלמרס מראש וננו -טכנולוגיה.
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 |