Plasmonic gull nanorods kan være fanget i væsker og rotert i kHz frekvenser med sirkulært polarisert optisk pinsett. Innføre verktøy for Brownian dynamics analyse og lys scatteringspectroscopy fører til et kraftig system for forskning og anvendelse i flere felt av vitenskap.
Muligheten til å generere og måle rotasjon og dreiemoment på nanoskala er av grunnleggende interesse for studier og anvendelse av biologiske og kunstig nanomotors og gir nye ruter mot enkelt celle analyse, studier av ikke-likevekt termodynamikk og mekanisk aktivering av nanoskala systemer. En lettvint måte å drive rotasjonen er å bruke fokusert sirkulært polarisert laserlys i optisk pinsett. Bruker denne tilnærmingen, kan metallisk nanopartikler brukes som svært effektiv spredning-drevet roterende motorer spinning på enestående rotasjon frekvenser i vann.
Denne protokollen, vi skissere bygging og drift av sirkulært polarisert optisk pinsett for hydrogenion rotasjon og beskrive instrumentering nødvendig for registrering Brownian dynamikk og Rayleigh-spredning av fanget partikkel. Roterende bevegelse og til spredning spectra gir uavhengig informasjon om egenskapene til hydrogenion og sitt nærmiljø. Eksperimentell plattformen har vist seg nyttig som en nanoscopic måler viskositet og lokale temperatur, for å spore morfologiske endringer i nanorods og molekylære belegg, og som svinger og sonde photothermal og termodynamisk prosesser.
Metodene i denne artikkelen replikerer brukes i vår forrige arbeid1 å studere nanoskala photothermal effekter påvirke lys-drevet gull nanorod roterende motorer. Varianter av eksperimentelle plattformen har blitt brukt i flere beslektede publikasjoner2,3,4,5,6,7,8, 9.
Optisk pinsett brukes for å kontrollere posisjon, kraft og lineær momentum overføring på små lengde skalaer i fysikk, biologi og engineering10,11,12,13,14 . Angular momentum båret av sirkulært polarisert lys kan brukes til flere bevegelseskontroll fordi det har kontinuerlig overføre dreiemoment til fanget objekter15. Ved å kombinere optisk lineær og angular momentum transport, er det da mulig å konstruere ikke-invasiv roterende nanomotors med potensial for forskjellige programmer, for eksempel narkotika-leveranser i enkeltceller16,17, nanoskala kirurgi18og aktive nanofluidics19, blant andre.
Ved hjelp av metalliske nanopartikler som gjenstand for lys drevet manipulasjon, kan en utnytte fordelene med lokaliserte overflaten plasmon resonanser (LSPR’S), som gir store optisk tverrsnitt, høy følsomhet miljøendringer og stort felt forbedringer20,21,22,23. Dette har ført til en rekke studier ved grensen mellom plasmonics og optisk manipulasjon,8,,24,,25,,26,,27. Sterkt lys-saken samspillet av LSPR har gitt oss til å utforme en plattform der sirkulært polarisert laser pinsett er i stand til å kjøre gull nanorods å spinne på posten rotasjon frekvenser i vann2. Ved å spore den Brownsk bevegelsen av en roterende nanorod, kan detaljert informasjon om miljøet og temperatur fås3,5. Samtidige spectroscopic analysen gir en uavhengig tilleggsinformasjon kanal analyse lokale temperaturen og morfologiske stabiliteten av roterende nanorod1. En rekke systemer og konfigurasjoner har blitt brukt for å studere og bruke roterende bevegelse i optisk pinsetter, genererer viktig innsikt i feltet15,28,29,30 , 31 , 32. men de fleste av disse studiene har håndtert objekter flere mikrometer i diameter mens et enkelt nanorod gir tilgang til nanometer størrelse regimet. Videre, når gold nanorods brukes som den roterende nanomotor, dreiemoment effektivt overføres hovedsakelig via spredning2,33. Dette reduserer risiko for overoppheting fanget partikkel3,34,35.
I følgende metoden skissere vi trinnene som kreves for å bygge et system effektiv optisk overlapping og rotasjon av metall nanopartikler. Gull nanorods vurderes i disse studiene har høy spredning tverrsnitt, og strålingstrykket viser seg for å være sterkere enn motvirke gradient kraft i retning forplantning. Hvis du vil likevel begrense partikler i 3D, benytter vi kraftbalansen mellom Coulomb frastøting fra en glassoverflate og laser spredning kraften i retning forplantning. Denne 2D-fangst konfigurasjonen utvider utvalget av oppfangbar partikler, sammenlignet med standard 3D optisk pinsetter, og det kan lett kombineres med mørk-feltet optisk tenkelig og spektroskopi.
En fanget og roterende metall hydrogenion samhandler med omgivelsene, og detaljert informasjon om denne samhandlingen finnes i bevegelse og spektrale egenskapene. Etter beskriver hvordan sirkulært polarisert optisk pinsett, skissere vi derfor også hvordan integrere instrumentering for undersøkelser roterende dynamics og måle Rayleigh-spredning spectra i eksperimentell oppsettet. Resultatet er en allsidig plattform for studier av nanoskala rotasjon fenomener i fysikk, kjemi og biologi.
Denne protokollen antar at forskeren har tilgang til passende kolloidalt metall nanopartikler, fortrinnsvis enkelt krystallinsk gull nanorods. Gull nanorods kan være kjøpt fra spesialiserte eller syntetisert i huset med våt-kjemi metoder. Nanorods brukes i vårt forsøk ble gjort av frø-mediert vekst metoden beskrevet i dere et al. 201336. Det er en fordel hvis morfologi og optiske egenskaper av nanopartikler blir godt preget, for eksempel bruke skanning elektronmikroskop (SEM) og optiske utryddelse målinger. Figur 1 viser data registrert fra slike målinger for representant nanorod typer1.
En disposisjon av protokollen er som følger: I den første delen, vi beskrive byggingen av optisk pinsett basert på sirkulær polarisering. I den andre delen beskriver vi hvordan å trekke ut informasjon fra nanomotor ved sin roterende dynamikk og spredning egenskaper. Rotasjon hyppigheten og roterende Brownsk bevegelse av fanget partikkel måles med Foton korrelasjon spektroskopi prosjektering backscattered laserlys filtrert gjennom en lineær polarisatoren på en rask én piksel detektor3. Ved å tilpasse dataene til en teoretisk autokorrelasjon funksjon, kan både rotasjon frekvensen og nedbrytning tiden på roterende Brownian spredningen være utdraget2,3. Den optiske egenskapene av det fanget og roterende hydrogenion måles med mørke felt spektroskopi, som gir utfyllende informasjon om partikkel og omgivelsene. I den tredje delen beskriver vi den eksperimentelle prosedyren for overlapping og rotasjon av gull nanorods.
Protokollen beskrevet hittil er en enkel bane til en fungerende sirkulært polarisert optisk pinsett system for hydrogenion rotasjon. Men oppstå noen ganger problemer som krever ekstra oppmerksomhet. I den fjerde delen skissere vi noen av de vanlige problemene som vi har støtt og løse dem. Dette omfatter problemer knyttet til hydrogenion optiske egenskaper fører til dårlig felle stabilitet (4.1), lav rotasjon frekvenser grunn suboptimal sirkulær polarisering forårsaket av beamsplitter birefringence (4.2), stikker av nanopartikler på glassplaten utilstrekkelig Coulomb frastøting (4.3) og avvik fra det karakteristiske autokorrelasjon signalet (4.4).
Optisk overlapping oppsettet beskrevet i denne protokollen er bygget rundt kommersielle invertert mikroskop og bruker rød laserlys. Imidlertid teknikker skissert er allsidig og kan brukes til å konstruere sirkulært polarisert optisk pinsett rundt mest kommersielle eller hjemme-bygget mikroskoper, begge oppreist og invertert, bare med små endringer. Overlapping laser bølgelengden kan velges i en bred synlig–NIR spekteret, som resten av optisk komponentene og detektorer er funksjonell for dette bestemt bølgelengde. Likevel, når du velger en laser bølgelengde, størrelse og spectral nærhet resonanser av partikler kan manipuleres anses fordi dette vil påvirke optisk overlapping styrker og rotasjon ytelse2,5, omfanget av photothermal effekter1og overlapping stabilitet26. Tidligere har vi har jobbet med sirkulært polarisert laser pinsett bruker laser bølgelengder av 660, 785, 830 og 1064 nm.
En av de viktigste komponentene for optisk overlapping er mikroskop målet. Målet i denne protokollen er en tørr målsetting med NA = 0.95. Bruk av en tørr målsetting er eksperimentelt enklere realisering av oppsettet; men fører det til optiske avvik på grunn av lysbrytning i eksempel celle grensesnitt. I denne saken er resultatet en litt forstørret fokus spot (~1.2 µm) sammenlignet Diffraksjon grensen (~0.4 µm), men dette ikke vesentlig endrer generelle eller roterende ytelsen til plattformen. I prinsippet, kan en rekke mikroskop mål brukes, forutsatt at de har god overføring ved overlapping bølgelengde, god polarisering vedlikehold og lang nok arbeidsavstand utføre overlapping gjennom et mikroskop cover slip og laget av vann. Ved 2D overlapping, kan NA være relativt lav, som gjør hele eksperimentet enklere og gir renere sirkulær polarisering i fokus. Imidlertid kan høyere laser makt være nødvendig enn ved en høy NA målsetting. I vår erfaring, den beste ytelsen for overlapping, rotasjon og mørke felt spektroskopi er oppnådd med målene NA 0,7-0.95, men det er mulig å bruke lavere samt høyere NA mål.
For å få god Foton korrelasjon målinger av roterende bevegelse, er en rask én piksel detektor nødvendig. Velg en detektor med en båndbredde minst to, fortrinnsvis ti, ganger høyere enn forventet rotasjon frekvensen multiplisert med figuren degenerasjon faktor og høy følsomhet på overlapping bølgelengden brukes. Forsterket Si photodetectors, enkelt Foton teller APDs, og PMTs har blitt brukt med suksess i forskjellige oppsett i våre laboratorier. Tilleggsinformasjon, for eksempel på felle stivhet, kan fås ved å måle og analysere partikkel translasjonsforskning forskyvning med veletablerte teknikker som makt spektral analyse5. En rekke tidligere publikasjoner beskriver forskjellige varianter av denne teknikken38,39. DF spektroskopi kan utføres ved hjelp av en rekke gratis-plass eller fiber kombinert spektrometre, og valget bør være basert på spectral utvalg og bølgelengde og midlertidig løsning nødvendig for planlagte studien.
Når du utfører en overlapping eksperiment, kan ekstra partikler tilfeldigvis angi fellen. Dette kan oppdages ved å overvåke rotasjon frekvensen, som vil variere sterkt på grunn av forstyrrelse. Visuell inspeksjon av DF mikroskopi kan brukes til å bekrefte tilstedeværelse av en ekstra partikkel, da scenen kan flyttes for å unngå ytterligere forstyrrelser eller eksperimentet må startes.
Systemet beskrevet ovenfor er en enkel og effektiv måte å realisere 2D confinement og rotasjon av metallisk nanopartikler. Men for enkelte programmer, den ekstra grad av friheten for manipulasjon som følger med 3D overlapping er viktig, og den gjeldende konfigurasjonen er derfor en begrensning. 3D confinement og rotasjon kan imidlertid være oppnåelig ved å benytte counter spre laser pinsett eller mer eksotiske overlapping konfigurasjoner.
Selv om parameterne partikkel og systemet omtalt her kan optimaliseres for å redusere photothermal oppvarming til under ~ 15 K4, kan temperaturøkningen knyttet plasmonic magnetisering av metall nanopartikler være problematisk i visse programmer. En mulig rute mot videre varme reduksjon er å bruke høy-indeks dielektrisk nanopartikler istedenfor plasmonic partikler. Slike partikler støtter sterk Mie-type spredning resonanser, men samtidig viser lav iboende absorpsjon koeffisienter. Vi har nylig vært i stand til å produsere kolloidalt resonans Si nanopartikler som kan være nyttige i denne respekt40,41.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Knut og Alice Wallenberg Foundation, svenske forskningsråd og Chalmers området forhånd nanovitenskap og nanoteknologi.
Gold nanoparticles | Purchased or home-grown | ||
Commersial inverted microscope | Nikon | Eclipse TI | |
Trapping laser | Cobolt | Flamenco 05-01 | 660 nm |
Objective | Nikon | CFI Plan Apo Lambda 40X | |
Laser safety googles | Thorlabs | LG4 | |
Assorted optomechanical components for mounting optics. | A range of mounts, posts and components from any company | ||
Lens 1 Keplarian telescope | Thorlabs | AC254-035-A-ML | |
Lens 2 Keplarian telescope | Thorlabs | LA1725-A-ML | |
Silver coated mirrors | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
Kinematic mirror mounts | Thorlabs | KM100 | |
Translation stage | Thorlabs | PT1/M | Quantity: 2 |
50/50 R/T Beamsplitter | Chroma | 21000 | |
CMOS camera | Andor | Zyla 5.5 | |
Quarter waveplate (QWP, λ/4) | Thorlabs | AQWP05M-600 | |
Power meter | Thorlabs | PM100USB | |
Photodiode Power Sensors | Thorlabs | S121C | |
Linear polarizer | Thorlabs | LPVIS050 | For laser polarization measurement |
360° rotation mount | Thorlabs | RSP1/M | |
Half waveplate (HWP, λ/2) | Thorlabs | AHWP05M-600 | Used if polarization is not sufficient with only QWP |
Oil DF condenser | Nikon | C-DO Dark Field Condenser Oil | |
30/70 R/T Beamsplitter | Chroma | 21009 | |
Fast Si detector | Thorlabs | PDA36A-EC | |
Data Acquisition Module | National Instruments | USB-6361 | |
Fiber 400 µm core size | Thorlabs | M74L01 | |
xy-translation mount | Thorlabs | LM1XY/M | |
Linear polarizer | Thorlabs | LPVIS050 | |
Spectrometer | Princeton Instruments | IsoPlane SCT320 | |
CCD camera for spectrometer | Princeton Instruments | PyLoN | |
Notch filter | Semrock | NF03-658E-25 | |
Notch filter | Thorlabs | NF658-26 | |
Ultrasonic cleaner bath | Branson | Branson 3510 | |
Microscope slide | Ted Pella | 260202 | |
No. 1.5 Coverslips | VWR | 630-2873 | |
Aceton | |||
Isopropanol | |||
Basic detergent | Hellma | Hellmanex III | Cleaning if particle sticking is an issue |
Secure-Seal Spacer | Thermo Fisher | S24735 | Spacer tape with hole, for making sample cell |
Immersion Oil | Zeiss | 444960-0000-000 | |
PS beads | Microparticles GmbH | PS-R-5.0 | |
Spectrophotometer | Agilent | Cary 5000 UV-Vis-NIR | |
SEM | Zeiss | Ultra 55 FEG SEM | |
Tweezers | Any brand |