Durchführung der Spektroskopie über plasmonische Nanopartikel mit transmissionsbasierten Nomarski-Typ-Differentialinterferenz-Interferenz-Kontrahenten Mikroskopie

Seit den 1980er Jahren wird die DIC Mikroskopie als wichtige bildgebende Methode angesehen, die mikroskalierend für Mikroobjekte innerhalb der biologischen Wissenschaften reserviert ist. Während seiner Entwicklung in den 1950er und 1960er Jahren war es jedoch als Technik für die Materialwissenschaft 1gedacht. Mit den jüngsten Fortschritten in den Materialwissenschaften im Zusammenhang mit plasmonischen Nanopartikeln hat sich ein erhöhtes Interesse an der Charakterisierung von Materialien mit optischer Mikroskopie vollzogen.

Für die Nanomaterialcharakterisierung gibt es sicherlich viele optische Techniken (z.B. Dunkelfeld, Brightfield, polarisiertes Licht, Fluoreszenz, etc.). Dunkles Feld ist in der Nanopartikelforschung weit verbreitet, aber es stützt sich ausschließlich auf die Sammlung von Streuern und liefertbegrenzte Informationen über komplexe Proben 2. Fluoreszenz kann nützlich sein, aber nur mit Proben, die leuchten oder richtig befleckt werden können. Die DIC-Mikroskopie hat mehrere Eigenschaften, die sie zu einem wertvollen Werkzeug für die Analyse von Nanopartikeln machen. Die am häufigsten genannten Vorteile von DIC im Vergleich zu anderen Methoden und in Bezug auf plasmonische Nanopartikel sind: Keine Probenfärbung^erforderlich, keine Halo-Effekte, flache Tiefenschärfe und hohe seitliche Auflösung 3. DIC verfügt über zusätzliche Stärken, die für die plasmonische Nanopartikelforschung wertvoll sind. Zunächst einmal sind zwei inhärente und orthogonale Polarisationsfelder vorhanden, die gleichzeitig für Spektroskopie-Zwecke gemessen werden können². Zweitens wird das depolarisierte Signal von Nanopartikeln im Schlussbild 2 nicht erfasst, was bei Messungen der Dunkelfeldspektroskopie^Anlasszu ernster Besorgnis geben kann.

Der Zweck dieses Artikels ist es, eine klare Methodik für die Verwendung von übertragbaren Nomarski DIC-Mikroskopie zur Durchführung von Spektroskopie auf plasmonischen Nanopartikeln zu liefern. Obwohl DIC eine leistungsstarke Technik ist, die auf sehr unterschiedliche Materialien angewendet werden kann, ist es auch eine Technik, die großes Geschick und Verständnis erfordert, um sie richtig zu bedienen, wenn Nanopartikel abgebildet werden. Die transmissionsbasierte Nomarski DIC-Mikroskopie hat einen komplexen Lichtweg¹ , der hier nur kurz überprüft wird. Der optische Zug von DIC wird in Abbildung1 dargestellt. Das Licht wird durch das Mikroskop übertragen, indem es zuerst durch einen Polarisator und ein strahlspaltendes Nomarski-Prisma geleitet wird, bevor es vom Kondensator auf die Probenebene fokussiert wird. Nach dem Durchleben des Objekts begegnet das Licht einem strahlenden Nomarski-Prisma und einem Analysator, bevor es zum Detektor geht. Die beiden Polarisatoren und Nomarski-Prismen sind für die Bildung des DIC-Bildes von entscheidender Bedeutung und für die Herstellung der beiden orthogonalen Polarisationsfelder 1 verantwortlich. Für den Leser, der mehr über die Arbeitsgrundsätze und den optischen Weg von Nomarski DIC Mikroskopen oder die Unterschiede zwischen Nomarski DIC und anderen Stilen von DIC erfahren möchte, lesen Sie bitte weitere gut geschriebene Berichte zu diesen Themen^{1, 4 , 5 , 6 , 7}. Platz

Ebenso wichtig ist es, die Grundnatur von plasmonischen Nanopartikeln zu verstehen, bevor man versucht, eine Spektroskopie auf ihnen durchzuführen, sei es mit Nomarski DIC, Dunkelfeld oder einer anderen Mikroskopie-Technik. Im Bereich der Plasmonik werden Nanopartikel als Partikel mit Abmessungen im Maßstab 10-100nm^8,9definiert. Nanopartikel können viele Formen annehmen (z.B. Kugeln, Stäbe, Sterne, Hanteln, etc.), und die meisten ihrer wichtigen Eigenschaften ergeben sich aus Wechselwirkungen mit Licht im ultraviolett-sichtbaren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Der Begriff “Plasmonic” beschränkt sich nicht auf Nanopartikel10; Bei der Diskussion über Nanopartikel wird es jedoch in Bezug auf die lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz (LSPR) verwendet. LSPR ist ein Phänomen, bei dem die Leitungselektronen in einem Nanopartikel durch eine koulomische Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung eines hochspezifischen und relativ engen Frequenzbandes 8 oszillieren. Bei diesen Frequenzen weisen plasmonische Nanopartikel eine erhöhte Absorption und Streuung des Lichts auf, wodurch sie mit der optischen Mikroskopie beobachtet werden können. In vielen Fällen wird es vorgezogen, die Nanopartikel zu beobachten, während Bandpassfilter vor den Kondensator²gestellt werden, um den Bildkontrast zu verbessern und Licht zu eliminieren, das den LSPR-Effekt nicht hervorbringt. Durch den Einsatz von Filtern ist es auch möglich, einzelne Partikelspektroskopie-Experimente durchzuführen.

LSPR-bezogenes optisches Verhalten ist in hohem Maße von der Größe und Form der Nanopartikel abhängig und kann mit vielen optischen Mikroskopie-Techniken untersucht werden. Um die Orientierungsinformationen von plasmonischen Nanopartikeln mit einer anisotropen (d.h. nicht-kugelförmigen) Form zu entschlüsseln, ist es jedoch notwendig, die Polarisierung des Lichtfeldes zu nutzen. Durch das sorgfältige Drehen des Polarisationsfeldes oder des Probensubstrats in kleinen Schritten ist es möglich, die orientierungsabhängigen spektroskopischen Eigenschaften einzelner Nanopartikel zu überwachen. Rotation und Polarisierung können auch dabei helfen, festzustellen, ob ein spektrales Merkmal auf eine dipolare oder höhere Ordnungsschwingung der Oberflächenelektronen des Nanopartikels zurückzuführen ist. Bei isotropen (d.h. kugelförmigen) Nanopartikeln bleibt das Spektralprofil jedoch bei Rotation der Probe unter polarisiertem Licht im Wesentlichen unverändert.

Durch ein DIC-Mikroskop (Abbildung 2) betrachtet, haben Nanopartikel eine luftige Scheibe mit einem schattenspendenden weiß-schwarzen Aussehen vor grauem Hintergrund. Kugelförmige Nanopartikel werden dieses Erscheinungsbild unter Rotation und mit dem Wechsel von Bandpass-Filtern behalten; Die Partikel werden jedoch nach und nach aus dem Blickfeld verblassen, da die zentrale Wellenlänge des Filters weiter von der einzigen dipolaren LSPR-Wellenlänge11 getrennt wird. Das Aussehen von Nanoroden kann sich ziemlich dramatisch verändern, da sie gedreht werden². Nanorods haben zwei LSPR-Bänder mit dipolarem Verhalten, deren Standort auf den physikalischen Dimensionen der Nanorods basiert. Wenn die Längsachse eines Nanorodes parallel zu einem der DIC-Polarisationsfelder ausgerichtet ist, erscheint die luftige Scheibe ganz weiß oder ganz schwarz, wenn sie mit einem Bandpass-Filter betrachtet wird, der mit dieser LSPR-Wellenlänge verbunden ist. Nach dem Drehen der Probe um 90 ° wird die gegenüberliegende Farbe aufgenommen. Da die Querachse eines Nanorodes senkrecht zur Längsachse ist, nimmt die Stange beim Wechsel zwischen Filtern, die den LSPR-Wellenlängen der beiden Achsen entsprechen, die entgegengesetzte Farbe an. Bei anderen Orientierungen und Filtereinstellungen erscheinen Nanoroden eher wie Kugeln und präsentieren eine Vielzahl von schattenspendenden, luftigen Scheibenmustern. Bei Nanoröhren mit einer Querachse < 25 nm kann es schwierig sein, mit Hilfe der DIC-Mikroskopie das Signal an der Wellenlänge des LSPR zu erkennen.

Für die Durchführung einer einzelnen Partikelspektroskopie ist es wichtig, die richtigen optischen Komponenten zu verwenden und richtig auszurichten. Es muss ein Ziel der DIC-Mikroskopie verwendet werden. Für Einzelpartikelversuche sind 80x oder 100x Ölziele ideal. Nomarski DIC Prismen gibt es in der Regel in drei Varianten: Standard, hoher Kontrast und hohe Auflösung. Der ideale Typ hängt stark vom Zweck des Experiments und der Größe der Nanopartikel ab. Standard-Prismen sind für viele Experimente in Ordnung; Aber bei der Arbeit mit kleineren Nanopartikeln (< 50 nm) können kontrastreiche Prismen von Vorteil sein, da der Partikelkontrast abnimmt, da die Partikel in der Größe¹¹abnehmen. Die Anpassung des DIC-Kontrastes erfolgt entweder durch Drehen eines Polariszers oder durch die Übersetzung einer der DIC-Prismen, je nach Mikroskop-Marke^{oder Modell 6}.

Nach der Einstellung der Kohler-Beleuchtung und der Polarisator-Einstellungen ist es wichtig, diese Einstellungen nicht zu ändern, während Spektroskopie-Daten gesammelt werden. Darüber hinaus muss bei der Datenerfassung jederzeit ein konstantes durchschnittliches Hintergrundsignal beibehalten werden, auch beim Wechsel zwischen Filtern und Winkeleinstellungen. Der eigentlich ideale Hintergrundwert hängt vom dynamischen Bereich der wissenschaftlichen Kamera ab, aber im Allgemeinen sollte der Hintergrund im Bereich von 15% liegen – 40% des maximalen Erkennungsniveaus der Kamera. Dadurch sinkt die Wahrscheinlichkeit, den Kamerasensor zu sättigen und gleichzeitig einen optimalen Partikelkontrast zu ermöglichen. Für das Sammeln von Spektroskopie-Daten ist es notwendig, mit einer wissenschaftlichen Kamera zu arbeiten, die im Gegensatz zu einer Farbkamera Bilder in Schwarz-Weiß erfasst.

Die Probenvorbereitung ist ein weiterer kritischer Aspekt der Bildgebung von Plasmonikarnen. Es ist zwingend erforderlich, dass die Bediener der DIC-Mikroskopie die optischen Eigenschaften der Probe und das Substrat der Probe verstehen. Das “vorgereinigte” Mikroskop-Glas ist für die Abbildung von Nanopartikeln nicht ausreichend vorbereitet und muss vor der Probenablagerung gründlich wiedergereinigt werden, um eine ungehinderte Beobachtung der Probe zu gewährleisten. Viele Reinigungsprotokolle für Mikroskop-Dias wurden zuvor dokumentiert 12^,aber es ist kein Schritt, der normalerweise in experimentellen Studien berichtet wird.

Schließlich sind die Methoden der Datenanalyse die letzte Komponente der einzelnen Teilchenspektroskopie. Die Maximal-und Minimalintensitäten für jeden Nanopartikel müssen gemessen werden, ebenso wie der lokale Hintergrunddurchschnitt. Interessenspartikel sollten sich in Gebieten befinden, in denen es keinen Hintergrundschutt, Substratfehler oder eine ungleichmäßige Beleuchtung gibt. Eine Methode zur Bestimmung des Spektralprofils eines Nanopartikels ist die Berechnung des Partikelkontrums auf jeder Wellenlänge,^wobeidieGleichung unter 11^,13^{, 14,15verwendet}wird:

Alternativ kann das Spektrum eines einzelnen Teilchens in seine individuellen Maximal-und Minimalsignalkomponenten unterteilt werden, die die beiden Polarisationsfelder von DIC darstellen und so die beiden gleichzeitig gesammelten, richtungsabhängigen Spektren anzeigen, Durch die beiden Gleichungen: