단일 플라즈몬 나노 입자에서 비선형 산란 측정

이 실험의 전반적인 목표는 플라스모닉 나노구조의 비선형 산란을 이용한 해상도 향상을 입증하는 것입니다. 광학 현미경 분야에서 대비(contrast)와 해상도는 가장 중요한 요소입니다. 본 기술은 대비에 기반한 새로운 산란 방식을 통해 초고해상도 영역으로 확장됩니다.

이 기술의 주요 장점은 나노입자의 산란이 강하고 매우 비선형적이며 탈색되지 않는다는 점입니다. 시연은 저희 실험실의 우수한 학생인 Hsuan Lee가 진행하겠습니다.

실험은 광학 벤치에서 수행됩니다. 이곳에는 현미경과 두 개의 레이저 광원이 있습니다. 첫 번째 레이저 광원은 이미징에 사용되는 532 nanometer 연속파 레이저입니다.

두 번째는 분광 측정에 사용되는 슈퍼 컨티뉴엄 레이저입니다. 이것은 이미징과 분광법 모두를 위한 기본 설정의 모식도입니다. 시료는 공초점 현미경의 피에조 전기 정밀 스테이지 위에 장착됩니다.

532 nm 레이저의 빛이 중성 밀도 필터를 통과합니다. 빔 분할기에 의해 유도된 빔은 갈바노 미러로 향하며, 이 미러는 공초점 현미경 대물렌즈의 초점 평면에서 래스터 스캐닝을 수행합니다. 후방 산란광은 대물렌즈에 의해 수집되어 검출기에 집중됩니다.

먼저 현미경의 백색광 조명 경로를 정렬하십시오. 커러 조명(curler illumination) 아래의 할로겐 광원을 사용하십시오. 내부 조리개의 정렬 상태를 확인하려면, 접안렌즈나 CCD를 통해 팔각형의 가장자리가 뚜렷하게 보이는지 반드시 확인하십시오.

다음으로, 종이 한 장을 사용하여 외부 광로를 확인합니다. 종이를 광로를 따라 이동시키며 빔 분할기에 의해 빔이 부분적으로 반사되어 레이저 방향으로 전파되는지 확인합니다. 이제 추가 정렬에 도움이 될 종이 타겟을 준비합니다.

타겟은 동심원이 그려진 얇은 종이여야 합니다. 이 타겟들을 할로겐 빔과 일직선이 되도록 빔 경로를 따라 배치하십시오. 여기서는 타겟이 대물렌즈의 후방 개구부에 위치해 있습니다.

이것은 광로를 따라 배치된 또 다른 타겟입니다. 다음으로, 정렬을 위해 이미징에 사용되는 532 nanometer 레이저를 켭니다. 할로겐 빔 반대편의 입사 레이저 광을 콜리메이션하는 데 종이 타겟을 활용하십시오.

타겟을 제거하고 진행하기 전에 레이저 빔의 정렬을 더 세밀하게 조정하십시오. 레이저 정렬 후, 실험을 위해 준비된 금 나노구체 샘플을 준비합니다. 이 샘플은 오일에 분산된 80 nanometer 크기의 금 나노구체로 구성되어 있습니다.

혼합물을 두 개의 유리 플레이트 사이에 밀봉합니다. 샘플을 현미경 스테이지에 장착하고 대물렌즈 오일을 추가하여 계속 진행합니다. 이 시점에서 이미징을 위해 검출 시스템을 준비하십시오.

광학 경로 끝에 있는 광전증배관을 사용하여 산란광을 수집합니다. 광선 경로를 따라 역방향으로 20 µm 직경의 핀홀을 배치하여 초점이 맞지 않는 산란광이 광전증배관으로 들어오는 것을 차단합니다. 갈바노 미러와 광전증배관의 전원을 켜서 이미징을 진행합니다.

컴퓨터 모니터를 통해 금 나노입자의 신호에 대한 후방 스캐너를 관찰하십시오. 핀홀 위치와 샘플 스테이지의 높이를 조정하여 후방 스캐너 신호를 최대화하십시오. 공초점 현미경의 정렬을 마친 후, 샘플의 산란 비선형성을 특성화하십시오.

이를 위해, 우선 파워 미터를 사용하여 대물렌즈 후단의 레이저 출력을 측정하십시오. 측정값은 10 µW 미만이어야 하며, 이는 10⁴ W/cm² 미만의 여기 강도에 해당합니다. 그런 다음, 광전증배관(PMT)을 사용하여 금 나노입자의 이미지를 획득하십시오.

캡처한 이미지를 이미지 분석 소프트웨어로 열어 산란 강도 프로파일을 특성화합니다. 이미지 내의 금 나노구체 중 하나를 선택하여 그 가로 방향으로 선을 긋습니다. 그런 다음, 소프트웨어의 절차에 따라 산란 프로파일을 추출합니다.

프로파일을 가우시안 분포에 맞추어 이미징 시스템의 정렬 상태를 추가로 확인합니다. 이제 여기 강도를 체계적으로 스캔하기 시작합니다. 먼저, 중성 농도 필터를 변경하여 여기 강도를 높입니다.

새로운 여기 강도를 결정하고 해당 강도 수준에서 후방 산란 이미지를 기록합니다. 이전과 동일하게 이미지를 사용하여 나노구체의 산란 프로파일을 추출합니다. 산란 프로파일을 도식화하고 구체 중심에서의 값을 산란 신호로 식별합니다.

산란 신호와 여기 강도의 관계를 나타내는 그래프를 작성하기 위해 이 단계들을 여러 번 반복하십시오. 이 그림에서 파란색 점은 데이터를 나타내며, 빨간색 선은 다항식 피팅 결과입니다.

산란 신호와 낮은 값의 들뜸 에너지 사이에는 선형 관계가 존재합니다. 이 선형 관계 아래로 신호가 떨어지는 것은 포화가 일어났음을 나타냅니다. 다음 단계는 단일 금 나노구에 대해 분광법을 수행하는 것입니다.

이 모식도는 장치 구성의 개요를 제공합니다. 파장 범위가 450-1750 nanometers인 슈퍼컨티뉴엄 레이저 광원을 사용하십시오. 또한, 가시광선 영역 전체에 걸친 스펙트럼 커버리지를 확보하기 위해 광대역 50/50 빔스플리터를 사용하십시오.

광전증배관 앞에 플리핑 미러를 배치하여 빛을 분광계로 유도합니다. 이 분광계에는 전하결합소자가 장착되어 있습니다. 슈퍼컨티뉴엄 레이저는 532 nanometer 레이저와 동일한 절차를 사용하여 정렬해야 합니다.

슈퍼컨티뉴엄 레이저의 출력단에서 시스템의 과도한 적외선 전력을 제거하기 위해 몇 가지 예방 조치를 취하십시오. 빔을 현미경으로 보내기 전, 레이저 출력 직후의 광로에 가시광선 반사 거울을 배치하십시오. 거울과 함께 빔 덤프를 사용하여 시스템에 손상을 줄 수 있는 적외선 복사 에너지를 수집하십시오.

레이저 정렬이 완료되면, 금 나노구체의 이미지를 획득합니다. 이미지를 살펴보고 연구 대상이 될 단일 나노구체를 식별합니다. 입사되는 광대역 광의 초점을 선택한 나노구체에 맞춥니다.

다음으로, 분광계가 광경로 내에 있는지 확인하십시오. 이 위치에서 플리핑 미러(flipping mirror)는 입사광을 광증배관(photo multiplier tube)으로 유도합니다. 미러의 방향을 조정하여 입사광이 분광계로 향하도록 하십시오.

단일 금 나노입자의 산란 스펙트럼 데이터를 수집하십시오. 본 예시와 같이, 측정된 스펙트럼은 나노구체 산란과 반사로 인한 배경 신호가 혼합된 형태가 됩니다. 스펙트럼 측정을 마친 후, 플리핑 미러를 원래 위치로 되돌리십시오.

광전증배관(photo multiplier tube)을 향해 직접 빛이 가도록 조절하십시오. 금 나노입자의 위치가 변하지 않았는지 확인하기 위해 이미지를 다시 촬영하십시오. 다음으로, 광대역광(broadband light)의 초점을 입자가 없는 지점으로 이동시키십시오.

거울을 다시 조정하여 분광계로 빛을 유도하고, 또 다른 스펙트럼 측정을 진행합니다. 이 새로운 스펙트럼은 배경 스펙트럼입니다. 이는 금 나노구체(gold nanosphere)의 스펙트럼에서 차감될 것입니다.

금 나노구체가 포함된 스펙트럼에서 배경 스펙트럼을 차감하여 얻은 선명한 후방 산란 스펙트럼입니다. 시료의 포화 여기 현미경 관찰에는 다른 설정이 필요합니다. 이것은 포화 여기 현미경의 모식도입니다.

레이저 광원은 532 nanometer 레이저입니다. 50/50 빔 분할기를 사용하여 레이저 광원에서 두 개의 빔을 생성합니다. 각 빔을 별도의 음향 광 변조기로 통과시킵니다.

서로 다른 변조기 주파수는 포화 여기 신호의 변조 주파수로 사용될 맥놀이 주파수를 생성합니다. 음향 광 변조기에서 회절된 1차 빔들을 또 다른 50/50 빔 분할기로 결합하십시오. 시간적 변조를 모니터링하려면 유리 슬라이드를 사용하여 레이저 광의 일부를 광검출기로 분리하십시오.

시스템을 점검하려면 광검출기를 오실로스코프에 연결하십시오. 샘플이 배치되지 않았는지 확인하십시오. 오실로스코프에서 광검출기 신호를 평가하십시오.

변조와 빔 중첩이 정확하다면 신호는 비트 주파수에서 사인파 형태여야 합니다. 본 실험에서 예상되는 비트 주파수는 10 kilohertz입니다. 비선형성을 최소화하여 가능한 한 완벽한 사인파를 얻도록 노력하십시오.

다음 단계는 시스템에 락인 증폭기(lock-in amplifier)를 통합하는 것입니다. 포화 여기 현미경법(saturated excitation microscopy)에서 락인 증폭기는 광검출기와 광전증배관으로부터 입력을 받습니다. 오실로스코프에서 광검출기의 출력을 분리하여 증폭기의 기준 입력(reference input)에 연결하십시오.

광전증배관(photo multiplier tube)의 출력을 록인 앰플리파이어(lock-in amplifier)의 신호 입력단에 연결하십시오. 앰플리파이어의 출력을 데이터 수집 카드로 전송하십시오. 이 시점에서 시료를 현미경 스테이지에 장착하십시오.

두 유리판 사이에 오일로 밀봉된 80 nanometer 금 나노구체가 포함된 동일한 샘플을 사용하십시오. 측정하는 동안 락인 앰프(lock-in amplifier)로 되돌아가십시오. 앰프가 전압 신호의 절대 크기를 출력하도록 설정하십시오.

이 경우, 채널 1 디스플레이 패널에서 R"을 선택합니다. 기준 채널의 고조파 성분 설정을 변경하여 포화 여기 단일 진폭을 얻습니다. 이 컬러 이미지들은 록인 증폭기의 신호와 갈바노 모터의 구동 전압을 동기화하고 결합하기 위해 제작된 전용 소프트웨어를 사용하여 생성되었습니다.

주사 전자 현미경 이미지는 비교용입니다. 해당 이미지들은 서로 다른 고조파 성분에 따른 해상도 향상을 보여줍니다. 80 nanometer 금 나노구체의 측정된 스펙트럼은 빨간색으로 표시되어 있습니다.

Mie 이론을 사용하여 계산한 실선 곡선은 매우 일치하는 결과를 보여줍니다. 국소 표면 플라스몬 공명은 580 nanometers에서 나타납니다. 위의 산란 이미지와 아래의 라인 프로파일은 들뜸 강도에 따라 서로 다른 특징을 보입니다.

낮은 강도에서 점 확산 함수는 표준 가우시안 프로파일을 나타냅니다. 강도가 높아지면 함수가 평탄해지고 넓어지며 이는 포화를 의미합니다. 더 높은 값에서는 중심 강도가 최대치가 아니게 되어 도넛 모양의 점 확산 함수가 나타납니다.

결국, 역포화 과정 동안 중심 강도가 다시 정점에 도달하게 됩니다. 서로 다른 들뜸 강도에서의 중심 강도를 나타낸 이 그래프의 파란색 데이터 포인트는 포화 및 역포화 거동을 모두 보여줍니다. 데이터 포인트는 빨간색으로 표시된 5차 다항식으로 피팅되었습니다.

이 데이터는 조화 주파수 성분을 추출하는 데 사용할 수 있습니다. 조화 성분은 락인 앰플리파이어(lock-in amplifier)를 사용하여 직접 찾을 수도 있습니다. 왼쪽 그래프는 실험 데이터입니다.

오른쪽 그래프는 5차 다항식 피팅을 이용한 계산 결과입니다. 두 그래프 모두 곡선을 따라 특정 강도에서 딥(dip)이 나타납니다. 예를 들어, 2차 고조파에서 세 개의 딥이 관찰됩니다.

또한 각 그래프에서 각 고조파 차수에 대해, 첫 번째 하강 지점 이후 기울기가 증가합니다. 이 기술을 숙달하면 적절하게 수행할 경우 3시간 이내에 완료할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 정현파 변조의 품질, 검출 시스템의 선형성 및 시료의 기계적 안정성을 확인하는 것이 중요합니다.

이 영상을 시청한 후, 여러분은 플라스모닉 나노구조의 비선형 산란을 기반으로 한 해상도 향상을 달성하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 이 기술은 초고해상도 현미경 분야의 연구자들이 다른 기본적인 빛-물질 상호작용에서 새로운 대비(contrast)를 탐구할 수 있는 유망한 샘플을 제공합니다.