Construção e operação de um sistema de Motor controlado por luz ouro Nanorod Rotary

1. circularmente polarizada Pinça óptica para rotação de nanopartículas Construir a configuração em torno de um microscópio invertido adequado e use um laser visível de comprimento de onda vermelho (660 nm). Um esquema da instalação experimental é apresentado na Figura 2. Certifique-se de escolher um laser com uma saída estável de potência até 500 mW (produzindo uma potência no plano de amostra de cerca de 50 mW). Também assegurar que o resto dos componentes bem o comprimento de onda do laser de armadilhagem. Use um objectivo seco com uma abertura numérica (NA) de ampliação de X 0.95 e 40. Sempre use óculos de segurança e manter a segurança de laser boa (especialmente se estiver usando lasers não-visíveis). Execute alinhamento sobre a potência mínima do laser. Encapsule o caminho inteiro do laser para ambos segurança e para evitar a deriva térmica e poeira no caminho de luz.Nota: Dependendo do estado de polarização da saída do laser, a Pinça óptica poderia beneficiar da colocação de um polarizador linear como o componente óptico inicial. Se a polarização do laser já é linear, este componente pode ser omitido. Use um par de lentes positivas em uma configuração de telescópio de Kepler (lentes na inferior da Figura 2) para expandir o feixe de laser, tal que o diâmetro do feixe é ligeiramente maior do que a abertura traseira do objectivo da caça com armadilhas.Nota: Este permite usa do at inteira do objectivo e produzirá um foco de difração limitada da armadilha11, resultando em rigidez de armadilhagem ideal. Certifique-se que o laser de interceptação é colimado corretamente após o expansor de feixe. Isso pode ser feito, certificando-se que o tamanho do feixe é fechar a inalterado ao propagar para o objetivo (ou usando um interferômetro de corte). Use dois espelhos (M1 e M2 na Figura 2), montados em montagens de cinemática espelho (e, se necessário, um estágio da tradução), para direcionar o feixe de laser na configuração do microscópio.Nota 1: Manter espaço suficiente entre os espelhos do laser e microscópio para ser capaz de adicionar elementos ópticos adicionais tais como waveplates e beamsplitters.Nota 2: Certifique-se que o laser é sempre filtrado longe a ocular ou qualquer outra luz acessível saindo o microscópio. Usar um refletor (50/50 transmissão parcial/reflexão é usado aqui, mas um dicroicas poderiam também funcionar bem) dentro do microscópio de luz para o objetivo, sem perder a capacidade de geração de imagens e medição na configuração do microscópio do laser do casal. Incluir uma câmera (ver Figura 2) no setup para posterior Observação experimental e para gravação de dados. Se for utilizado um sistema sem um ocular, isto é vital para qualquer alinhamento. Concentre-se o laser sobre uma lâmina de vidro ou um espelho. Se o laser está alinhado e entra o objetivo em um ângulo correto, o padrão de intensidade do laser é radialmente simétrico quando se muda o foco, acima e abaixo do ponto focal. Ajuste os ângulos dos espelhos do laser (M1 e M2 na Figura 2) para obter o alinhamento ideal do laser (conforme descrito em 1,9). Circularmente polarize a luz do laser. No caminho da luz o objetivo, passar o laser através de uma placa de quarto de onda (QWP; λ/4 na Figura 2) orientada com seu eixo rápido a 45 ° para a polarização linear do laser luz para converter a luz linearmente polarizada em luz circularmente polarizada em o avião de amostra. Configure um polarizador linear rotativo de 360° e um medidor de energia na frente do objetivo. Verificar a polarização girando o polarizador linear e observando o poder máximo e mínimo, correspondente ao eixo principal e secundária ou a elipse de polarização.Nota: A relação deve ser superior a 0,9 para desempenho ideal de rotação. Se isso não for alcançado, consulte Etapa 4.2 para uma solução. Medir a potência do laser para o plano de amostra. Use um medidor de potência óptica para sondar a potência do laser para o plano de amostra. Cuide-se para recolher toda a luz que atravessou o objectivo para uma correta aferição do poder de interceptação. Executar uma varredura linear das potências de saída do laser e gravar os poderes correspondentes no plano de amostra para posterior conversão de densidade de potência na armadilha. Criar um sistema de campo escuro (DF) em Köhler iluminação usando um óleo imerso condensador DF para habilitar a visualização de partículas e eventos de captura. Isto permitirá medições de imagem e espectroscópicas das nanopartículas presas. 2. instrumentação para medição de rotação, rotação dinâmica Brownian e propriedades espectroscópicas Espectroscopia de correlação de fótons usando um detector de single-pixel. Insira um refletores (30R/70T) o trajeto ótico para extrair luz retroespalhado das nanopartículas. Conecte um fotodíodo de Si rápido single-pixel para uma placa de aquisição de dados para habilitar a gravação de sinais.Nota: É importante ter um fotodíodo/DAQ que é capaz de medir as frequências rotacionais esperadas (várias dezenas de kHz). Foco de luz em uma fibra de coleção fixada em um xy-montagem de tradução. Inserir um polarizador linear antes da fibra da coleção. Para alinhamento de fibra de coleção, um par de luz visível para a saída final da fibra para iluminar o substrato. Isto permite a visualização e análise da região de coleção da fibra. Ajuste a posição da fibra usando o xy-monte de tradução, para que sua região coleção coincide com a posição da armadilha óptica. Conecte a extremidade de saída da fibra para o detector de Si e afinar a posição da fibra para maximizar as costas recolhidas sinal disperso. Instalação de espectroscopia de campo escuro. Tenha em mente que o cuidado deve ser tomado na escolha de todos os componentes ópticos no caminho entre a amostra e o espectrômetro, para não bloquear a luz dentro da faixa espectral de interesse. Tome cuidado como luz laser dispersas e/ou refletida direta pode danificar o sensor do espectrômetro. Bloquear a luz do laser usando filtros apropriados e/ou beamsplitters dicroicas. Sempre execute o alinhamento da instalação sobre a potência mínima do laser. Inserir um espelho/refletores no caminho para redirecionar a luz para o espectrómetro óptico (no presente protocolo, um espectrômetro de acoplamento de espaço livre é usado). Dentre os microscópios saída de portas também podem ser usadas, se apropriado. Use filtros de entalhe para remover a luz do laser intensa captura (filtros de total OD12 no comprimento de onda do laser foram necessários para bloqueio suficiente no nosso caso), que, em outro caso, irá obscurecer a resposta espectral das nanopartículas de interesse. Ajuste a posição da pinça óptica os espelhos orientadores (M1 e M2 na Figura 2) Então, coincide com a posição da fenda espectrômetro.Nota 1: Alterações na posição da armadilha óptica exigirá o realinhamento do sistema de medição do correlação de fótons (2.1.4-2.1.5 de instruções).Nota 2: Na posição nova da pinça óptica, instruções 1.9-1.10 precisam ser repetido para alcançar uma armadilha óptica bem alinhada. 3. o procedimento Preparação de partículas para experimentos. Dilua as partículas em DI-água. Uma concentração adequada de nanorods deve estar em uma faixa entre 0,1-0,01 pM. Proceda à sonicação solução diluída em um banho líquido de limpeza ultra-sônico por 2 min quebrar distante possíveis agregados e homogeneizar a solução. Ajuste a concentração de nanorods na diluição para evitar a captura de várias partículas. Quanto mais tempo o experimento que será executado, quanto menor a concentração necessária para reduzir o risco de interceptação de múltiplas partículas ou contaminações. Preparação da célula de amostra. Lave uma corrediça do microscópio e um vidro de tampa (n. º 1.5) em acetona e, posteriormente, isopropanol sob sonication durante cinco minutos, respectivamente.Nota: Certifique-se que a carga superficial do vidro slide durante o experimento tem a mesma polaridade que as nanopartículas coloidais. Nanopartículas estabilizadas por brometo de hexadeciltrimetilamónio (CTAB) de surfactante estão carregadas positivamente. Coloque uma fita de espaçador de 100 µm bem sobre a lâmina de vidro. Disperse a 2 µ l da solução diluída de nanopartículas do slide de microscópio dentro o bem e 2 µ l sobre o tampa de vidro. Solução em ambas as superfícies permite uma montagem mais controlável da célula de amostra. Conecte as duas partes da célula de amostra juntos, evitando formando as bolhas de ar dentro da câmara. Coloque o celular no palco microscópio e coloque uma gota de óleo de índice de correspondência (imersão) no topo da amostra e uma gota sobre o condensador. Gotas em bolhas de evitar cada lado no óleo que dispersa a luz e reduz o contraste da iluminação DF. Realizando um experimento. Localize uma partícula através da observação do sistema da imagem latente do DF. Um único nanorod geralmente pode ser identificado através da observação de seu movimento browniano (mais instável do que agregados) e cor (correspondente a ressonância LECC mais forte). Início/desbloquear o laser de armadilhagem. Através de uma série de movimentos de palco e correções de foco, empurre a pressão de partícula escolhido através de radiação na direção de propagação do laser para a interface do copo de água. Na interface, o z-movimento é restrito por um equilíbrio entre a pressão de radiação e a repulsão de Coulomb entre CTAB moléculas na superfície de nanopartículas e a superfície carregada positivamente. O xy-flutuações são confinadas por gradientes forças na Pinça óptica. Através de correcções de foco pequena, maximize a velocidade de estabilidade ou rotação armadilhagem, aferida a partir dos dados de autocorrelação (conforme descrito abaixo na instrução 3.4). Neste ponto, grave dinâmica rotacional e propriedades espectroscópicas do nanorod preso. Consulte as instruções 3.4 e 3.5 abaixo sobre como estas sonda. Isso pode ser feito por longos períodos de tempo, até várias horas, se necessário. Medições de dinâmica rotacional. Certifique-se de ter uma região de coleção da fibra que é grande o suficiente para incluir sempre a imagem da partícula durante o seu movimento de translação. Sinal de oscilação de intensidade coletar com o fotodetector de Si em um momento adequado de frequência e coleção sondagem. Escolher 65536 Hz e 1 tempo de aquisição de s para começar e ajuste se necessário.Nota: Frequência de sondagem deve ser pelo menos duas (e otimamente dez) vezes maior do que a frequência de rotação multiplicada pelo grau de simetria rotacional detectável (N, veja abaixo). Hora da coleta deve ser tempo suficiente para ser capaz de obter frequências significativamente menores que a frequência de rotação. Após ter coletado um conjunto de dados de flutuação de intensidade de uma rotação de nanopartículas, calcule a autocorrelação de flutuação de intensidade. Isto é feito calculando-se a correlação do sinal com uma cópia de si mesmo atraso para cada atraso de tempo τ (i.e.,C(τ) = {eu(τ) · Eu(0)}). Executar um ajuste para a função de autocorrelação teóricaonde eu0 é a intensidade média, 1 é a amplitude de flutuação de intensidade e N é o grau de simetria rotacional detectável (para haste-como partículas N = 2)2,3. Desde o ajuste, extrair a frequência fapodrecer e decadência tempo de rotação do autocorrelation sinal τ0 (relacionados à dinâmica do movimento browniano rotacional). Medições espectroscópicas. Grave um espectro de luz branco (eubranco(λ)) através da recolha de luz de iluminação. Isso pode ser feito por densamente dispersar uniformemente dispersando os grânulos do poliestireno em uma superfície e coletando sua resposta de dispersão. Grave um espectro de fundo (eubkg(λ)) coletando a luz perdida no lugar armadilhas quando uma partícula não está preso.Nota 1: Isto deve ser feito para cada medição individual, desde que Propriedades de plano de fundo podem variar significativamente entre diferentes amostras de células e até mesmo locais dentro de uma amostra.Nota 2: Gravação de espectros de fundo deve ser feito para a mesma potência do laser utilizado para a captura de óptica. Isto permite que se retire a lâmina de vidro, animada com as intensidades de alta do laser no foco de qualquer possível autofluorescência. Gravar um espectro escuro (euescuro(λ)), quando bloquear toda a luz que vem para o detector. Em seguida, grave um espectro cru de um preso de nanopartículas (eucru(λ)). Acessar o espectro de dispersão de nanopartículas real calculando Para extrair informações sobre as posições de pico LECC, encaixe o espectro de dispersão de DF escala de energia com uma função de encaixe bi-Lorentziana incluindo um termo de correção linear para transições interband em ouro. A função de modelo lê-se:onde E é a energia, B é uma intensidade de linha de base, k a inclinação da correção linear, eueu são maxima intensidade, Γeu a largura total em metade maxima (FWHM) e E0, i as posições de pico dos dois picos Lorentzian. 4. resolução de problemas e solução de problemas comuns Problemas relacionados às propriedades de ouro nanorod. Estabilidade de armadilhagem pobre. Certifique-se que a ressonância principal (geralmente longitudinal ressonância em caso de nanorods) está do lado de comprimento de onda azul do comprimento de onda do laser de armadilhagem. Se não, a força de gradiente se tornará repulsiva ao invés de atraente37. Como diminui o tamanho de um nanorod, o movimento de aumentos de Brownian flutuações e ao mesmo tempo diminui a força estabilizadora de arrastar Stokes. Assegurar as nanorods são grandes o suficiente para o xy-gradiente força para ultrapassar essas forças se desestabilizando. Características espectrais sobrepostas ou amplas. As hastes precisam ter uma proporção grande o suficiente para picos de LECC ser suficientemente separados para ser resolvido individualmente (ver Figura 1b).Nota: O comprimento de onda do laser coloca um limite superior para a anisotropia da forma, desde os redshifts LECC longitudinais para hastes mais tempo. As nanopartículas de preferência devem ser pequenas o suficiente para não suporta modos de LECC de ordem mais elevados no regime visível, já que isso complica a análise. Seleção de nanopartículas é um equilíbrio entre esta consideração e o problema de estabilidade de interceptação em instrução 4.1.1.2. Polarização circular inadequada do laser de armadilhagem.Nota: Para obter o desempenho ideal de rotação das nanopartículas a presa, a luz do laser atingindo o avião de amostra deve ser circularmente polarizada. Beamsplitters e outros componentes ópticos podem ser polarização dependente, que pode torná-lo impossível obter polarização circular perfeita, usando apenas um QWP. Inserir uma placa de meia onda (HWP; λ/2 na Figura 2) após o QWP no caminho, para compensar a birrefringência de refletores. Configurar o polarizador linear e a configuração do medidor de energia e realizar uma análise do estado de polarização do laser (como em 1.11.2-1.11.3 de instruções). Para cada posição em incrementos de cinco graus do QWP, rode o HWP através da sua gama inteira angular (90°), em passos de 5 graus e medir a relação de poder para cada posição. Nos esforçamos para encontrar os ângulos de QWP e HWP que maximizar a relação entre potência máxima e mínima.Nota: Na nossa experiência, a relação máxima entre as potências máximas e mínimas foi 0,75 sem e 0,98 com a correção de HWP. Partículas aderindo a interface no poder inadequado confinar partículas no xydo laser-avião. Ajuste a concentração de surfactante, através de uma partícula lavando o procedimento e a subsequente re-dispersão do nanorods em uma concentração controlada de CTAB de estabilização. Centrifugue a solução-mãe de nanopartículas até sedimentos de partículas (~ 5 min 600g). Retire o líquido de suspensão. Re-disperse na água. Isto dilui o conteúdo do CTAB da solução-mãe. Repita as etapas 4.3.1.1. e 4.3.1.2. mais uma vez.Nota: Desde CTAB atua como o agente de estabilização coloide, evite o tempo de centrifugação excessiva e velocidade em sucedendo etapas de lavagem, uma vez que aumenta o risco de agregação, como o CTAB é lavada. A maioria dos tensoactivos CTAB na solução coloidal original é removido e uma nova, bem controlada, concentração de CTAB pode ser introduzida para o coloide. De nossa experiência, dispersando a solução em água com 20 µM de CTAB e subsequente DI-água diluição para os resultados de concentração de solução experimental em uma cobertura de superfície que produz suficiente repulsão de Coulomb. Sintonia fina possível da concentração do CTAB pode ser necessários para criar repulsão de partículas/superfície apropriada para o lote particular de nanopartículas usados. Iterar o procedimento acima e alterar ligeiramente a concentração de CTAB para encontrar um adequado. Lavar a superfície de carga negativa de superfície de vidro.Nota: Este procedimento de lavagem produz uma superfície carregada negativamente que será revestida com moléculas CTAB livre na solução experimental, tornando-se positiva e eletrostaticamente repulsivo para a partícula durante captura 2D. Levar uma lâmina de microscópio e limpe-a em uma mistura de água e 2% em peso de base detergente aquecido a 80 ° C por aproximadamente 10 minutos até que a superfície é visivelmente hidrofílica.Nota: Evite lavar lâminas de vidro, muito longa ou severamente, pois isso pode tornar a superfície de vidro poroso e produzir uma infinidade de partículas de contaminação. Problemas com a espectroscopia de fótons autocorrelação. Baixa amplitude das oscilações de intensidade ou sinal ruidoso. Inserir um filtro passa-banda (filtro de BP na Figura 2) antes da fibra de coleção, que passa a luz do laser e a luz de iluminação de campo escuro de blocos.Nota: Em princípio, a medição funciona quando coletando toda a luz também. No entanto, iluminação de luz branca unpolarized DF eficientemente excita sem modos de avião, e desde que uma nanorod gira sobre seu eixo curto num plano normal ao eixo óptico, isto é fora da transversal do avião LECC. Este modo não exerce qualquer forma de anisotropia durante a rotação e coleta de luz de apenas reduz o sinal à relação de ruído da medição. Deterioração adicional da função de autocorrelação. Certifique-se que o tamanho do núcleo da fibra coleção é grande o suficiente para conter a imagem da nanopartículas durante todo suas excursões devido ao movimento browniano translacional. Se for usada uma fibra com um tamanho muito pequeno núcleo, substituí-lo com uma maior. Verifique o alinhamento da fibra novo, como em 2.1.4-2.1.5 de instruções.