シングルプラズモニックナノ粒子からの散乱非線形性の測定
Summary
Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.
Abstract
Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently.
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches.
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.
Introduction
プラズモニクスの研究では、様々な分野への応用1-4による大きな関心を集めています。プラズモニクスの中で最も研究さフィールドのうちの1つは、金属と誘電体との界面での外部の電磁波との伝導電子の集団振動カップル表面プラズモニクス、です。表面プラズモニクスは、サブ波長光学、バイオフォトニクス、および顕微鏡5,6におけるその潜在的用途のために検討されています。局在表面プラズモン共鳴（LSPR）による金属ナノ粒子の超小体積の強い場の増強が原因粒子サイズ、粒子形状、及び7周囲媒体の誘電特性に対する卓越した感度だけでなく、広範な関心を集めています-10だけでなく、本質的に弱いため、非線形光学効果11をブーストする能力。 LSPRの例外的な感度バイオセンシングおよび近FIEのための価値がありますLDイメージング技術12,13。一方、プラズモン構造の強化非線形性は、光スイッチング及び全光信号処理14,15のような用途における光集積回路に利用することができます。これはよくプラズモン吸収が低い強度レベルでの励起強度に線形に比例することが知られています。励起が十分に強い場合、吸収が飽和状態に達します。興味深いことに、より高強度で、吸収が再び増加します。これらの非線形効果は、可飽和吸収（SA）15〜17と呼ばれ、それぞれ、可飽和吸収（RSA）18を逆にしています。
これは、LSPRによる、散乱がプラズモニック構造において特に強いことが知られています。基本的な電磁気学に基づいて、入射強度対散乱の応答は線形でなければなりません。しかし、ナノ粒子に、散乱及び吸収が密接Mie理論を介して連結されており、両方が電子であることができます誘電率の実部と虚部の面でxpressed。単一GNSは、光照射下での双極子として振る舞うという仮定の下では、ミー理論による単一プラズモニックナノ粒子からの散乱係数（Qの SCA）と吸収係数（Qの ABS）は 19のように表すことができます。
xは 2πa/λであり、aが球の半径であり、m 2は 、εM /εdです。ここで、εmと εdは 、それぞれ、金属のと周囲の誘電体の誘電率に対応しています。散乱係数の形態は、目と同様であるのでEの吸収係数は、従って、単一のプラズモンナノ粒子20で飽和散乱を観察することが期待されます。
最近では、孤立したプラズモニック粒子中の非線形飽和散乱は初めて21実証されました。これは、励起強度が増加したときに深い飽和状態で、実際には散乱強度がわずかに減少していることが顕著です。励起強度は散乱が飽和になった後に増加し続けた場合であってもより顕著に、散乱強度は20散乱 、逆飽和の効果を示す、再び上昇しました。 、波長およびサイズ依存の研究では、21散乱 LSPRと非線形の間に強力な関係を示しています。プラズモン散乱の強度および波長依存性は、これらの非線形行動の根底にある共通のメカニズムを示唆し、吸収のものと非常に似ています。
アプリケーションの観点においては、よく自演さその非線形性WN光学顕微鏡の分解能を改善するのに役立ちます。 2007年には、飽和励起（SAX）顕微鏡は、励起光22の時間的な正弦波変調を経て飽和した信号を抽出することにより、解像度を向上させることができる、提案されました。 SAX顕微鏡は、レーザー焦点のため、強度が周辺部よりも中央で強い概念に基づいています。信号（蛍光または散乱のいずれか）が飽和挙動を示す場合、線形応答は周囲のまま、彩度は、中央から開始する必要があります。唯一の飽和部分を抽出する方法がある場合は、周辺部を排除しつつ、それが効果的に空間分解能を向上させる、中央部のみを残します。原則的に、SAX顕微鏡には低解像度の制限がない限り、深い飽和状態に達しており、強烈な照明のために何のサンプルの損傷はありません。
これはresolutioことが示されています蛍光イメージングのnが著しくSAX技術を利用することによって向上させることができます。しかし、蛍光は光漂白効果に苦しんでいます。非線形散乱の発見およびSAXの概念を組み合わせて、散乱に基づく超解像顕微鏡21を実現することができます。従来の超解像顕微鏡法に比べて、散乱に基づく技術は、新規な非漂白コントラスト方法を提供します。本論文では、ステップバイステップの説明が取得し、プラズモン散乱の非線形性を抽出するために必要な手順の概要を説明するために与えられています。入射強度を変化させることによって導入された散乱非線形性を同定する方法が記載されています。詳細は、これらの非線形性は、単一のナノ粒子の画像をどのように影響するかを解明するために提供され、どのように空間分解能は、SAXの手法により適宜向上させることができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコルでは、いくつかの重要なステップがあります。サンプルを調製する際にまず、ナノ粒子の密度は、粒子間のプラズモンカップリングを避けるために、高すぎてはなりません。二つ以上の粒子が互いに非常に接近している場合は、LSPR波長の結合の結果、大幅非線形性を減少させる、より長い波長に向かってシフトします。しかし、このイメージング技術は、実際には代わりに粒子自…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by Ministry of Science and Technology under NSC-101-2923-M-002-001-MY3 and NSC-102-2112-M-002-018-MY3. This research is also supported by the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) through the “Funding Program for Next Generation World-Leading Researchers (NEXT Program),” initiated by the Council for Science and Technology Policy (CSTP) and JSPS Asian CORE Program.
Materials
| microscope body | Olympus, Japan | BX-51 | |
| objective lens | Olympus, Japan | UPlanSapo, 100X, NA 1.4 | |
| 80-nm gold colloid | BBI Solutions, UK | EM.GC80 | |
| supercontinuum laser | Fianium, United Kingdom | SC400-2-PP | |
| broadband dielectric mirrors | Thorlabs, USA | BB1-E02 | |
| field emission SEM | JEOL, Japan | JSM-6330F | optional |
| spectrometer | Andor Technology, UK | Shamrock 163 | |
| charge-coupled device | Andor Technology, UK | iDus DV420A-OE | |
| acousto-optic modulators | IntraAction Corp., USA | AOM-402AF1 | |
| lock-in amplifier | Stanford Research Systems, USA | SR-830 | |
| MAS-coated slide glass | Matsunami Glass, Japan, | S9215 |
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