Costruzione e funzionamento di un sistema motore basato su luce oro Nanorod Rotary

1. circolarmente polarizzati pinzette ottiche per la rotazione delle nanoparticelle Costruire l’installazione intorno un microscopio invertito adatto e utilizzare un laser visibile a rosso (660 nm). Un disegno schematico dell’apparato sperimentale è presentato nella Figura 2. Assicurarsi di scegliere un laser con un’uscita stabile di potenza fino a 500 mW (producendo una potenza sul piano di campione di circa 50 mW). Anche di garantire che il resto dei componenti svolgere bene la lunghezza d’onda del laser di intrappolamento. Utilizzare un obiettivo asciutto con un’apertura numerica (NA) di 0.95 e 40 ingrandimenti. Sempre indossare occhiali di sicurezza e mantenere la buona laser sicurezza (soprattutto se utilizza i laser non visibili). Eseguire l’allineamento sulla potenza minima laser. Incapsulare il percorso intero laser per la sicurezza e per evitare derive termiche e polvere nel percorso della luce.Nota: A seconda dello stato di polarizzazione dell’uscita del laser, le pinzette ottiche potrebbero beneficiare di un polarizzatore lineare come il componente ottico iniziale di immissione. Se la polarizzazione del laser è già lineare, questo componente può essere omesso. Usare un paio di lenti positive in una configurazione di telescopio kepleriano (lenti inferiore della Figura 2) per espandere il raggio laser, tale che il diametro del fascio è leggermente più grande l’apertura posteriore dell’obiettivo dell’intrappolamento.Nota: Questo consente di utilizzano del NA intero dell’obiettivo e produrranno un focus di diffrazione limitata del trappola11, conseguente rigidità ottimale dell’intrappolamento. Assicurarsi che il laser di intrappolamento è collimato correttamente dopo l’espansore del fascio. Questo può essere fatto facendo in modo che la dimensione del fascio è chiudere a invariato durante la propagazione all’obiettivo (o usando un interferometro di taglio). Utilizzare due specchi (M1 e M2 in Figura 2), montati su specchio cinematica Monti (e, se necessario, una fase di traduzione), per dirigere il fascio laser nel setup del microscopio.Nota 1: Mantenere uno spazio sufficiente tra specchi laser e microscopio per essere in grado di aggiungere elementi ottici supplementari quali birifrangenti e beamsplitters.Nota 2: Assicurarsi che il laser è sempre filtrato dall’oculare o qualsiasi altra luce accessibile uscendo al microscopio. Utilizzare un beamsplitter (trasmissione/riflessione parziale 50/50 è usato qui, ma un dicroico potrebbe anche funzionare bene) dentro il microscopio a luce nell’obiettivo, senza perdere funzionalità di imaging e misura nel setup del microscopio laser in coppia. Includono una fotocamera (Vedi Figura 2) nel setup per successiva osservazione sperimentale e per la registrazione dei dati. Se si usa un sistema senza un oculare, questo è vitale per qualsiasi allineamento. Fuoco il laser su una lastra di vetro o uno specchio. Se il laser è allineato ed entra l’obiettivo ad una corretta angolazione, il modello di intensità laser è radialmente simmetrico quando cambiare la messa a fuoco sopra e sotto il punto focale. Ottimizzare gli angoli degli specchi laser (M1 e M2 in Figura 2) per ottenere l’allineamento ottimale del laser (come descritto in 1,9). Circolarmente polarizzare la luce laser. Il percorso della luce all’obiettivo, passare il laser attraverso una piastrina quarto d’onda (QWP; λ/4 nella Figura 2) orientato con l’asse veloce a 45 ° per la polarizzazione lineare del laser luce per convertire la luce polarizzata linearmente in luce polarizzata circolarmente alla l’aereo di campione. Impostare un polarizzatore lineare ruotabile a 360° e un misuratore di potenza davanti all’obiettivo. Verifica polarizzazione ruotando il polarizzatore lineare e rilevando la potenza massima e minima, corrispondente all’asse principale e secondario o l’ellisse di polarizzazione.Nota: Il rapporto dovrebbe essere superiore a 0,9 per prestazioni ottimali rotazioni. Se questo non viene raggiunto, vedere il punto 4.2 per una soluzione. Misurare la potenza del laser sul piano del campione. Utilizzare un misuratore di potenza ottica per sondare la potenza del laser sul piano del campione. Fate attenzione a raccogliere tutta la luce passata attraverso l’obiettivo per una corretta misurazione del potere di intrappolamento. Eseguire una scansione lineare di potenze laser e registrare i corrispondenti poteri sul piano del campione per la successiva conversione in densità di potenza nella trappola. Impostare un sistema di campo scuro (DF) in Köhler illuminazione utilizzando un olio immerso condensatore DF per abilitare la visualizzazione delle particelle ed intercettazione degli eventi. Ciò consentirà di misurazioni sia imaging e spettroscopiche delle nanoparticelle intrappolate. 2. Strumentazione per misurazioni di rotazione, la rotazione dinamica browniana e proprietà spettroscopiche Spettroscopia di correlazione di fotone mediante un rivelatore di singolo pixel. Inserire il percorso ottico di un beamsplitter (30R/70T) al fine di estrarne luce retrodiffusa nanoparticella. Collegare un fotodiodo Si veloce singolo pixel a una scheda di acquisizione dati per consentire la registrazione dei segnali.Nota: È importante avere un fotodiodo/DAQ che è in grado di misurare le frequenze di rotazione prevede (diverse decine di kHz). Focalizzare la luce su una fibra collezione fissata in un xy-Monte di traduzione. Inserire un polarizzatore lineare prima la fibra di raccolta. Per allineamento della fibra insieme, coppia luce visibile all’estremità di uscita della fibra per illuminare il substrato. Questo consente la visualizzazione e l’analisi della regione raccolta della fibra. Regolare la posizione della fibra utilizzando il xy-traduzione montare, affinché la sua regione di raccolta coincide con la posizione della trappola ottica. Collegare l’estremità di uscita della fibra al Si-rivelatore e regolare la posizione della fibra per massimizzare la schiena raccolta segnale sparsi. Installazione di spettroscopia del campo scuro. Tenete a mente che la cura deve essere presa nella scelta di tutti i componenti ottici nel percorso tra il campione e lo spettrometro, in modo da non bloccare la luce all’interno della gamma spettrale di interesse. Prendere le dovute precauzioni come luce diretta laser sparsi e/o riflessa potrebbe danneggiare il sensore di spettrometro. Bloccare la luce laser utilizzando filtri appropriati e/o dicroici beamsplitters. Sempre eseguire l’allineamento del setup sulla potenza minima. Inserire un beamsplitter/specchio nel percorso ottico per reindirizzare la luce allo spettrometro (nel presente protocollo, uno spettrometro accoppiato di spazio libero viene utilizzato). Uno dei microscopi uscita porte potrebbero anche essere utilizzati, se adatto. Utilizzare filtri notch per rimuovere la luce di laser di intrappolamento intenso (filtri del totale OD12 alla lunghezza d’onda del laser sono stati necessari per bloccaggio sufficiente nel nostro caso), che in altro caso nasconderà la risposta spettrale della nanoparticella di interesse. Regolare la posizione di pinzette ottiche dagli specchi guida (M1 e M2 in Figura 2) modo coincide con la posizione della fessura spettrometro.Nota 1: Le variazioni nella posizione della trappola ottica richiederà il riallineamento del sistema di misura di correlazione di fotone (istruzioni 2.1.4-2.1.5).Nota 2: La nuova posizione di pinzette ottiche, istruzioni 1.9-1.10 devono essere ripetute per raggiungere una trappola ottica ben allineata. 3. procedura sperimentale Preparazione di particelle per esperimenti. Diluire le particelle in acqua deionizzata. Una concentrazione appropriata di nanorod dovrebbe essere in un range tra 0.1-0.01 pM. Sonicare la soluzione diluita in un bagno di pulita ad ultrasuoni per 2 min di break apart possibili aggregati e omogeneizzare la soluzione. Ottimizzare la concentrazione di nanorod nella diluizione al fine di evitare l’intrappolamento delle particelle più. Il più a lungo l’esperimento che verrà eseguita, più bassa la concentrazione necessaria per ridurre il rischio di intrappolare più particelle o contaminazioni. Preparazione della cella del campione. Lavare un vetrino da microscopio e una copertura in vetro (n. 1.5) in acetone e successivamente isopropanolo sotto sonicazione per cinque minuti, rispettivamente.Nota: Assicurarsi che la carica superficiale della diapositiva vetro durante l’esperimento ha la stessa polarità come le nanoparticelle colloidali. Le nanoparticelle stabilizzate dal bromuro di esadeciltrimetilammonio tensioattivo (CTAB) sono caricati positivamente. Inserire un nastro distanziatore di 100 µm bene sul vetrino. Disperdere 2 µ l della soluzione diluita di nanoparticelle sul vetrino da microscopio all’interno del pozzo e 2 µ l il vetro di copertura. Soluzione su entrambe le superfici permette un assemblaggio più controllabile della cella del campione. Collegare insieme le due parti della cella del campione, evitando di formare bolle d’aria all’interno della camera. Posizionare la cella sul palco di microscopio e mettere una goccia di olio di indice pari (immersione) sopra il campione ed una goccia sul condensatore. Gocce su bolle di evitare ogni lato nell’olio che disperde la luce e riduce il contrasto dell’illuminazione DF. Esecuzione di un esperimento. Individuare una particella attraverso l’osservazione del sistema di imaging DF. Un singolo nanorod di solito possono essere identificati attraverso l’osservazione delle sue moto browniano (più irregolare rispetto aggregati) e colore (corrispondente alla più forte risonanza LSPR). Inizio/sbloccare il laser di intrappolamento. Attraverso una serie di movimento scenico e correzioni di messa a fuoco, spingere le particelle selezionate tramite pressione di radiazione esercitata nella direzione di propagazione del laser verso l’interfaccia acqua-vetro. A livello di interfaccia, la z-movimento è vincolato da un equilibrio tra la pressione di radiazione e repulsione di Coulomb fra CTAB molecole sulla superficie delle nanoparticelle e la superficie di caricata positivamente. Xy-fluttuazioni sono limitate dalle forze di gradiente nella Pinzetta ottica. Attraverso correzioni piccolo fuoco, massimizzare velocità stabilità o rotazione dell’intrappolamento, desunta dai dati di autocorrelazione (come descritto di seguito in istruzione 3.4). A questo punto, registrare la dinamica di rotazione sia proprietà spettroscopiche del nanorod intrappolati. Vedere istruzioni 3.4 e 3.5 sotto su come questi della sonda. Questo può essere fatto per lunghi periodi di tempo, fino a diverse ore se necessario. Misure la dinamica di rotazione. Assicurarsi di avere un’area di raccolta dalla fibra che è abbastanza grande da racchiudere sempre l’immagine della particella durante il suo moto traslazionale. Raccogliere intensità segnale di oscillazione con la cellula fotoelettrica Si a una data frequenza e raccolta sondaggio appropriata. Scegliere 65536 Hz e tempo di acquisizione 1 s per cominciare e regolare se necessario.Nota: Frequenza di sondaggio deve essere almeno due (e in modo ottimale dieci) volte più grande rispetto alla frequenza di rotazione moltiplicata per il grado di simmetria di rotazione rilevabile (N, vedi sotto). Tempo di raccolta dovrebbe essere abbastanza a lungo per essere in grado di ottenere frequenze significativamente inferiore alla frequenza di rotazione. Dopo aver raccolto un set di dati di fluttuazione di intensità da una nanoparticella rotante, calcolare l’autocorrelazione della fluttuazione di intensità. Questo viene fatto calcolando la correlazione del segnale con una copia ritardata di sé per ogni ritardo tempo τ (i.e.,C(τ) = {ho(τ) · Ho(0)}). Eseguire una misura della funzione di autocorrelazione teoricadove ho0 è l’intensità media, ho1 è l’ampiezza della fluttuazione intensità e N è il grado di simmetria di rotazione rilevabile (per asta-come le particelle N = 2)2,3. Dal fit, estrarre l’ora dimarcire e decadimento di rotazione frequenza fdi autocorrelazione segnale τ0 (legate alla dinamica rotazionale moto browniano). Misure spettroscopiche. Registrare uno spettro di luce bianco (iobianco(λ)) attraverso la raccolta di illuminazione luce. Questo può essere fatto mediante dispersione densamente uniformemente scattering perle di polistirolo su una superficie e raccogliendo la loro risposta di scattering. Registrare uno spettro di sfondo (hobkg(λ)) raccogliendo la luce parassita al posto di intrappolamento quando una particella non viene intrappolata.Nota 1: Questo dovrebbe essere fatto per ogni singola misurazione, poiché la proprietà dello sfondo può variare notevolmente fra le cellule differenti del campione e posizioni all’interno di un campione.Nota 2: Registrazione di spettri di sfondo dovrebbe essere fatto per la stessa potenza laser usato per optical trapping. Questo permette di rimuovere qualsiasi possibile auto-fluorescenza dal vetrino, eccitato dall’intensità del laser di alta nel fuoco. Registrare uno spettro scuro (hoscuro(λ)), quando tutta la luce venuta al rivelatore di blocco. Quindi, registrare un spettro grezzo di una nanoparticella intrappolato (hocrudo(λ)). Accedere lo spettro di dispersione delle nanoparticelle effettivo calcolando Per estrarre informazioni circa le posizioni di picco LSPR, forma lo spettro di diffusione di DF in scala di energia con una funzione di raccordo bi-Lorentzian compreso un termine di correzione lineare per transizioni interbanda in oro. La funzione di modello si legge:dove E è l’energia, B è un intensità della linea di base, k la pendenza della correzione lineare, iomi sono massimi di intensità, Γho la larghezza piena a metà maxima (FWHM) e E0, i le posizioni di picco dei due picchi Lorentziana. 4. risoluzione dei problemi e soluzione ai problemi più comuni Problemi legati alla proprietà di nanorod oro. Stabilità di scarsa abbondanza. Assicurarsi che la risonanza principale (solitamente longitudinale risonanza in caso di nanorod) sia sul lato di lunghezza d’onda blu di lunghezza d’onda del laser di intrappolamento. In caso contrario, la forza di gradiente diventerà ripugnante invece di attraente37. Come dimensione di un nanorod diminuisce, il movimento da aumenti di fluttuazioni browniano e allo stesso tempo la forza di stabilizzazione da trascinamento Stokes diminuisce. Assicurare nanorod sono abbastanza grandi per xy-Forza sfumatura per superare queste forze di destabilizzare. Caratteristiche spettrali sovrapposti o ampia. Canne da bisogno di avere un rapporto di aspetto abbastanza grande per i picchi LSPR essere sufficientemente separati per essere risolto individualmente (cfr. Figura 1b).Nota: La lunghezza d’onda laser mette un limite superiore per l’anisotropia di forma, poiché i redshifts LSPR longitudinali per aste più lunghe. Le nanoparticelle dovrebbero preferibilmente essere abbastanza piccole da non supportare modalità LSPR di ordine superiore nel regime del visibile, dato che questo complica l’analisi. Selezione delle nanoparticelle è un equilibrio tra questa considerazione e il problema di stabilità di intrappolamento nell’istruzione 4.1.1.2. Polarizzazione circolare inadeguata del laser di intrappolamento.Nota: Per ottenere le prestazioni ottimali di rotazione della nanoparticella intrappolata, la luce laser, raggiungendo il piano dell’oggetto dovrebbe essere polarizzata circolarmente. Beamsplitters e altri componenti ottici possono essere polarizzazione dipendente, che potrebbe comportare l’impossibilità di ottenere la polarizzazione circolare perfetta utilizzando solo un QWP. Inserire una piastra semionda (HWP; λ/2 nella Figura 2) dopo il QWP nel percorso, per compensare il beamsplitter birifrangenza. Impostare il polarizzatore lineare e la configurazione del misuratore di alimentazione ed eseguire un’analisi dello stato di polarizzazione del laser (come istruzioni 1.11.2-1.11.3). Per ciascuna posizione in incrementi di cinque gradi del QWP, ruotare il HWP attraverso la sua intera gamma angolo (90°) a cinque gradi e misurare il rapporto di potenza per ogni posizione. Sforzarsi di trovare gli angoli di QWP e HWP che massimizzare il rapporto tra potenza massima e minima.Nota: Nella nostra esperienza, il rapporto massimo tra le potenze massime e minime era 0,75 senza e 0,98 con la correzione HWP. Particelle che attacca all’interfaccia a laser di potenza insufficiente per confinare le particelle in xy-aereo. Ottimizzare la concentrazione di tensioattivo, attraverso una particella procedura e successiva ri-dispersione di nanorod di lavaggio in una concentrazione controllata di CTAB di stabilizzazione. Centrifugare la soluzione madre di nanoparticelle fino al sedimento di particelle (~ 5 min a 600g). Rimuovere il liquido della sospensione. Ri-disperdere in acqua. Questo diluisce il contenuto CTAB della soluzione madre. Ripetere i passaggi da 4.3.1.1. e 4.3.1.2. una volta di più.Nota: Poiché CTAB agisce come agente di stabilizzazione coloida, evitare eccessiva centrifugazione tempo e velocità nelle successive fasi di lavaggio, poiché aumenta il rischio di aggregazione come il CTAB è lavato via. La maggior parte dei tensioattivi CTAB nella soluzione colloidale originale viene rimosso e una nuova, ben controllata, concentrazione di CTAB può essere introdotto al colloide. Dalla nostra esperienza, disperdendo la soluzione di riserva in acqua con 20 µM di CTAB e successiva acqua DI diluizione per i risultati di concentrazione di soluzione sperimentale in una copertura superficiale che produce sufficiente repulsione di Coulomb. Possibile messa a punto della concentrazione CTAB potrebbe essere necessario creare repulsione di particelle/superficie appropriata per il batch particolare delle nanoparticelle utilizzate. Ripetere la procedura sopra descritta e leggermente alterare la concentrazione CTAB per trovare un posto adeguato. Superficie di vetro di lavaggio alla superficie di carica negativamente.Nota: Questa procedura di lavaggio produce una superficie carica negativa che sarà rivestita con molecole CTAB nella soluzione sperimentale, rendendolo elettrostaticamente ripugnante per la particella e positivo durante la cattura 2D. Prendere un vetrino da microscopio e pulirlo in una miscela di acqua e 2% in peso di base detergente riscaldato a 80 ° C per circa 10 minuti fino a quando la superficie è visibilmente idrofila.Nota: Evitare di lavare vetrini troppo lungo o troppo duramente, poiché questo può rendere la superficie di vetro poroso e produrre un gran numero di particelle di contaminazione. Problemi con spettroscopia di autocorrelazione di fotoni. Bassa ampiezza del segnale rumoroso o oscillazioni di intensità. Inserire un filtro passa-banda (BP filtro nella Figura 2) prima la fibra di raccolta, che passa la luce laser e la luce di illuminazione in campo scuro di blocchi.Nota: In linea di principio, la misurazione funziona quando si raccolgono tutte le luce pure. Tuttavia, illuminazione a luce bianca non polarizzato DF eccita in modo efficiente dalla modalità aereo, e poiché un nanorod ruota attorno al proprio asse corto in un piano normale all’asse ottico, questo è il fuori trasversale aereo LSPR. Questa modalità non comporta alcuna anisotropia di forma durante la rotazione e solo raccogliendo la luce da esso riduce il segnale di rumore della misurazione. Supplementari di deperimento in funzione di autocorrelazione. Assicurarsi che la dimensione del nucleo della fibra insieme è abbastanza grande per contenere l’immagine della nanoparticella durante tutte le sue escursioni a causa del moto browniano traslazionale. Se viene utilizzata una fibra con una dimensione troppo piccolo nucleo, sostituirlo con uno più grande. Controllare l’allineamento della nuova fibra, come in 2.1.4-2.1.5 di istruzioni.