Meting van Verstrooiing lineariteiten van een Single Plasmonische Nanodeeltje

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

De studie van plasmonics trok veel belangstelling vanwege de toepassingen in vele verschillende gebieden ^1-4. Een van de meest onderzochte velden plasmonics een oppervlaktebehandeling plasmonics, waarbij de collectieve oscillatie van geleidingselektronen paren met een externe electromagnetische golf bij een grensvlak tussen een metaal en diëlektricum. Oppervlak Plasmonics is onderzocht voor zijn potentiële toepassingen in subwavelength optica, biofotonica en microscopie ^5,6. De sterke veldversterking in de ultra-kleine hoeveelheid metallische nanodeeltjes als gevolg van lokale surface plasmon resonance (LSPR) trok veel aandacht, niet alleen vanwege de uitzonderlijke gevoeligheid voor deeltjesgrootten, deeltjesvormen en de diëlektrische eigenschappen van het omringende medium ^{7 -10,} maar ook vanwege zijn vermogen om inherent zwak niet-lineaire optische effecten ¹¹ te verhogen. De uitzonderlijke gevoeligheid van LSPR is waardevol voor bio-sensing en bijna-field beeldvormende technieken ^12,13. Aan de andere kant kan de verbeterde lineariteit van plasmon structuren worden gebruikt in fotonische geïntegreerde schakelingen in toepassingen zoals optische switching en volledig optische signaalverwerking ^14,15. Het is bekend dat de plasmon absorptie lineair evenredig aan de excitatie-intensiteit bij lage intensiteit. Wanneer de excitatie sterk genoeg is, de absorptie bereikt verzadiging. Intrigerend, bij hogere intensiteit, de absorptie verhoogt opnieuw. Deze niet-lineaire effecten zijn verzadigbaar absorptie (SA) ^15-17 genoemd en achteruit verzadigbaar absorptie (RSA) ^18, respectievelijk.

Het is bekend dat als gevolg van de LSPR, verstrooiing is bijzonder sterk in plasmonische structuren. Op basis van fundamentele elektromagnetisme, moet de respons van verstrooiing versus incident intensiteit lineair zijn. Echter, in nanodeeltjes, verstrooiing en absorptie zijn nauw met elkaar verbonden via de Mie theorie, en beide kunnen worden expressed in termen van reële en imaginaire delen van de diëlektrische constante. In de veronderstelling dat een enkele GNS zich gedraagt ​​als een dipool onder licht verlichting, kan de verstrooiing coëfficiënt (Q _SCA) en absorptie coëfficiënt (Q _abs) uit één plasmonische nanodeeltje volgens de Mie theorie worden uitgedrukt als ¹⁹

waarin x 2 πa / λ, a de straal van de bol en m ² is ε _m / ε _d. Hier, ε _m en ε _d overeen met de diëlektrische constanten van het metaal en de omringende diëlektrische resp. Aangezien de vorm van de verstrooiingscoëfficiënt is vergelijkbaar met die van the absorptiecoëfficiënt, wordt daarom verwacht dat verzadigbaar verstrooiing observeren in één plasmonische nanodeeltje ^20.

Onlangs lineaire verzadigbare verstrooiing in een geïsoleerde plasmonische deeltjes werd aangetoond voor het eerst ^21. Het is opmerkelijk dat in diepe verzadiging, de verstrooiingsintensiteit in feite daalde licht wanneer de excitatie-intensiteit verhoogd. Nog meer opvallend wanneer de excitatie-intensiteit een intensievere na verstrooiing verzadigd raakte, de verstrooiingsintensiteit opgestaan, die het effect van omgekeerde verzadigbaar ²⁰ verstrooiing. Wavelength- en grootte-afhankelijke studies hebben aangetoond een sterke relatie tussen LSPR en niet-lineaire verstrooiing ^21. De intensiteit en de golflengte afhankelijkheid van plasmon verstrooiing is vergelijkbaar met de absorptie, suggereert een gemeenschappelijk mechanisme achter deze niet-lineair gedrag.

In termen van toepassingen, is het goed known lineariteit die helpt optische microscopie resolutie te verbeteren. In 2007, verzadigd excitatie (SAX) microscopie werd voorgesteld, die resolutie kan verbeteren door het extraheren van de verzadigde signaal via een tijdelijke sinusvormige modulatie van de excitatiebundel ^22. SAX microscopie is gebaseerd op het concept dat een laser brandpunt, de intensiteit sterker in het midden dan aan de rand. Als het signaal (ofwel fluorescentie of verstrooiing) vertoont saturatiegedrag, moet de verzadiging starten van het centrum, terwijl de lineaire respons blijft aan de periferie. Daarom, als er een methode om alleen het gedeelte verzadigde extract, het zal alleen laat het middengedeelte en de verwerping het randdeel, dus effectief verbeteren van de ruimtelijke resolutie. In principe is er geen lagere resolutie limiet in SAX microscopie, mits diepe verzadiging bereikt is en er geen monster schade als gevolg van de intense verlichting.

Aangetoond is dat de resolution fluorescentiebeeldvorming kan aanzienlijk worden verbeterd door gebruikmaking van de SAX techniek. Echter, lijdt de fluorescentie fotobleken effect. Het combineren van de ontdekking van verstrooiing lineariteit en het concept van SAX, kan superresolutietechnieken basis van verstrooiing worden gerealiseerd ^21. Vergeleken met conventionele superresolutie microscopie, de verstrooiing gebaseerde techniek verschaft een nieuwe niet-blekende contrast methode. In dit artikel wordt een stap-voor-stap beschrijving gegeven om de vereiste te verkrijgen en halen de niet-lineariteit van plasmonische verstrooiing procedures te schetsen. Werkwijzen voor het identificeren verstrooiing lineariteiten geïntroduceerd door het veranderen van de invallende intensiteit beschreven. Meer informatie zal worden verstrekt om te ontrafelen hoe deze lineariteiten invloed beelden van enkele nanodeeltjes en hoe ruimtelijke resolutie kan dienovereenkomstig door de SAX techniek worden verbeterd.

Protocol

1. GNS Monstervoorbereiding Voor de monsterbereiding, ultrasone trillingen 1 ml GNS colloïdale oplossing ten minste 15 minuten bij ongeveer 40 kHz tot deeltjesaggregatie, wat kan leiden tot de LSPR piek verschuiven voorkomen. Drop 100-200 ul van GNS colloïden op een dia glas met commerciële magnesiumaluminiumsilicaat (MAS) coating aan het GNSS te lossen. Na ten minste 1 min, verwijder de extra colloïde door te spoelen met gedestilleerd water. De wachttijd is afhankelijk van de gewenste…

Representative Results

Figuur 6 toont het gemeten spectrum van een 80 nm GNS. Een berekende curve op basis van de Mie theorie wordt gegeven in dezelfde plot, toont uitstekende overeenkomst. De LSPR piek ligt rond de 580 nm. In het volgende experiment, de laser golflengte was 532 nm, die werd gekozen omdat het zich in het plasmonische band optische verstrooiing met plasmon effect te versterken en mogelijk verstrooiing verzadiging 21. Figuur 7 presenteert verstrooiing bee…

Discussion

In het protocol zijn er verschillende kritische stappen. Ten eerste, de voorbereiding van de monsters, de dichtheid van nanodeeltjes moet niet te hoog zijn, plasmon koppeling tussen deeltjes te voorkomen. Als twee of meer deeltjes zeer dicht bij elkaar, de koppeling resulteert in de LSPR golflengteverschuivende richting van langere golflengten, waardoor de lineariteit aanzienlijk verminderen. Echter, deze beeldvormende techniek daadwerkelijk brengt de verdeling van plasmonische wijzen, in plaats van de deeltjes zelf. Da…

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