Выполнение спектроскопии на плазмонных наночастиц с передачей на основе Номарски-тип дифференциальной микроскопии интерференции

С 1980-х годов микроскопическая микроскопия дифференциальной интерференции (DIC) в значительной степени рассматривается в качестве важного метода визуализации, предназначенного для микромасштабных объектов в биологических науках. Тем не менее, во время его развития в 1950-х и 1960-х годов, он был задуман как метод для материаловедения¹. С недавними достижениями в материаловедениях, связанных с плазмонными наночастицами, возрос интерес к характеристике материалов с оптической микроскопией.

Многие оптические методы, безусловно, доступны для характеристик наноматериалов (например, темное поле, яркое поле, поляризованный свет, флуоресценция и т.д.). Темное поле широко популярно в исследованиях наночастиц, но оно опирается исключительно на сбор рассеяния и предоставляет ограниченную информацию о сложных образцах². Флуоресценция может быть полезна, но только с образцами, которые люминесцентные или которые могут быть правильно окрашены. Микроскопия DIC имеет несколько признаков, которые делают его ценным инструментом для анализа наночастиц. Наиболее часто заявленные преимущества DIC по сравнению с другими методами и в отношении плазмонных наночастиц являются таковыеокрашивания образцов, нет эффектов гало, неглубокая глубина поля и высокое боковое разрешение 3. DIC имеет дополнительные сильные стороны, которые являются ценными для плазмонных исследований наночастиц. Во-первых, присутствуют два присущих и ортогоналкополя поля поля, и они могут быть измерены одновременно для целей спектроскопии². Во-вторых, деполяризованный сигнал наночастиц незапечатлен на конечном изображении 2, что может стать причиной серьезной обеспокоенности при измерениях спектроскопии темного поля.

Целью данной статьи является предоставление четкой методологии использования передового света номарской МИКРОСКОПии DIC для выполнения спектроскопии плазмонных наночастиц. Хотя DIC является мощным методом, который может быть применен к весьма разнообразным материалам, это также метод, который требует большого мастерства и понимания, чтобы работать над ним должным образом при визуализации наночастиц. Трансмиссия на основе Номарски DIC микроскопии имеет сложный световой путь^1, который будет только кратко рассмотрены здесь. Оптический поезд DIC отображается на рисунке 1. Свет передается через микроскоп, сначала проходя через поляризатор и луч-расщепление призмы Номарски, прежде чем быть сосредоточены конденсатора на образец плоскости. Пройдя через цель, свет сталкивается с луч-комбинируя призму Номарски и анализатор перед выходом на детектор. Два поляризатора и призмы Номарски имеют решающее значение для формирования изображения DIC и отвечают запроизводство двух ортогональных полей поляризации DIC 1. Для читателя заинтересованы в получении дополнительной информации о принципах работы и оптический путь Номарски DIC микроскопов, или различия между Nomarski DIC и других стилей DIC, пожалуйста, обратитесь к другим хорошо написанные счета по этим темам^{1, 4 , 5 , 6 , 7}.

Не менее важно понимать основную природу плазмонных наночастиц перед попыткой выполнения спектроскопии на них, будь то с Nomarski DIC, темным полем или любой другой техникой микроскопии. В области плазмоники наночастицы определяются как частицы с размерами в масштабе 10-100 нм^8,9. Наночастицы могут принимать различные формы (например, сферы, стержни, звезды, гантели и т.д.), и большинство их важных свойств возникают из взаимодействия со светом в ультрафиолетов-видимом-ближнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра. Термин “плазмон” не ограничивается наночастицами^10; однако при обсуждении наночастиц он используется в связи с локализованным поверхностным плазмонным резонансом (LSPR). LSPR является явлением, при котором электроны проводимости в наночастице колеблются из-за взаимодействия Куломбида сэлектромагнитным излучением высокоспецифической и относительно узкой частотной полосы 8. На этих же частотах плазмонные наночастицы обладают повышенной абсорбцией и рассеянием света, что делает их наблюдаемыми с помощью оптической микроскопии. Во многих случаях, предпочтительно наблюдать наночастицы при размещении фильтров bandpass перед конденсатором², чтобы улучшить контраст изображения и устранить свет, который не может вызвать эффект LSPR. Использование фильтров также позволяет проводить эксперименты с спектроскопией отдельных частиц.

Оптическое поведение, связанное с LSPR, сильно зависит от размера и формы наночастиц, и его можно исследовать с помощью многих методов оптической микроскопии. Однако для расшифровки информации о ориентации плазмонных наночастиц с анизотропной (т.е. несферической) формой необходимо использовать поляризацию светового поля. Тщательно вращая поле поля поляризации или образцовый субстрат с небольшими приращениями, можно контролировать зависящие от ориентации спектроскопические свойства отдельных наночастиц. Вращение и поляризация могут также помочь в определении того, является ли спектральная особенность обусловлена диполярным или более высоким уровнем колебаний поверхностных электронов наночастиц. Однако в случае изотропных (т.е. сферических) наночастиц спектральный профиль остается практически неизменным при вращении образца под поляризованным светом.

При просмотре через микроскоп DIC(Рисунок2), наночастицы имеют воздушный диск с теневым бело-черным видом на сером фоне. Сферические наночастицы сохранят этот внешний вид при вращении и при смене фильтров bandpass; однако, частицы будут постепенно исчезать из поля зрения, как центральная длина волны фильтра становится еще более отделены от только диполярной длины волны LSPR сферы¹¹. Появление нанородов может измениться довольно резко, как они вращаются². Нанороды имеют две полосы LSPR с диполярным поведением, расположение которых основано на физических размерах нанородов. Когда продольная ось нанорода ориентирована параллельно одному из полей поляризации DIC, воздушный диск будет отображаться все белые или все черные, если рассматривать с bandpass фильтр, связанный с этой длиной волны LSPR. После вращения образца 90 “, он будет принимать на противоположный цвет. Кроме того, поскольку поперечная ось нанорода перпендикулярно продольной оси, стержень будет принимать противоположный цвет при переключении между фильтрами, которые соответствуют длинам волны LSPR для двух осей. В других ориентациях и настройках фильтра нанороды будут больше похожи на сферы, представляющие различные модели воздушного диска, отлитые тенью. Для нанородов с поперечной оси Злт; 25 нм, это может быть трудно обнаружить сигнал на том, что длина волны LSPR с помощью микроскопии DIC.

Для выполнения спектроскопии отдельных частиц важно использовать правильные оптические компоненты и правильно их выравнивать. Необходимо использовать цель, способную микроскопии DIC. Для экспериментов с отдельными частицами, 80x или 100x масляных целей являются идеальными. Номарские призмы DIC обычно бывают трех разновидностей. Идеальный тип сильно зависит от цели эксперимента и размера наночастиц. Стандартные призмы прекрасны для многих экспериментов; но при работе с меньшими наночастицами (злот; 50 нм), высокая контрастность призмы может быть полезным, так как контраст частиц уменьшается, как частицы уменьшаются в размере¹¹. Корректировка контраста DIC достигается либо путем вращения поляризатора, либо путем перевода одной из призмDIC, в зависимости от бренда микроскопа или модели 6.

После установки освещения Kohler и настроек поляризатора, очень важно не сравнять эти параметры при сборе данных спектроскопии. Кроме того, при постоянном переключении между фильтрами и настройками угла необходимо постоянно поддерживать средний фоновый сигнал. Фактическое идеальное фоновое значение зависит от динамического диапазона научной камеры, но в целом фон должен находиться в диапазоне 15-40% от максимального уровня обнаружения камеры. Это снижает вероятность насыщения датчика камеры, обеспечивая при этом оптимальный контраст частиц. Для сбора данных спектроскопии необходимо работать с научной камерой, которая фиксирует изображения в черно-белом цвете, в отличие от цветной камеры.

Подготовка образцов является еще одним важным аспектом визуализации плазмонных наночастиц. Крайне важно, чтобы операторы микроскопии DIC имели представление о оптических свойствах образца и субстрате образца. “Предварительно очищенное” стекло микроскопа недостаточно подготовлено для визуализации наночастиц, и оно должно быть надлежащим образом очищено перед осаждением образца, чтобы обеспечить беспрепятственное наблюдение образца. Многие протоколы очистки для слайдов микроскопа были ранее задокументированы¹², но это не шаг, который обычно сообщается в экспериментальных исследованиях.

Наконец, методы анализа данных являются конечным компонентом спектроскопии отдельных частиц. Максимальная и минимальная интенсивность каждой наночастицы должна быть измерена, а также среднее значение локального фона. Частицы, представляющие интерес, должны располагаться в районах, где нет фонового мусора, дефектов субстрата или неравномерного освещения. Одним из методов определения спектрального профиля наночастиц является вычисление контраста частиц на каждой длине волны, используя уравнение ниже^11,13,14,15

Кроме того, спектр одной частицы может быть разделен на ее индивидуальные максимальные и минимальные компоненты сигнала, которые представляют два поля поляризации DIC, тем самым отображая два одновременно собранных направленно зависимых спектра, через два уравнения,