基于传输的野武学型差分干涉对比显微镜对等离子体纳米粒子的光谱处理

Summary

该协议的目的是详细介绍一种经过验证的制备等离子体纳米颗粒样品的方法, 以及用差分干涉对比度 (DIC) 显微镜对其进行单粒光谱的方法。

Abstract

差动干涉对比度 (DIC) 显微镜是一种功能强大的成像工具, 最常用于使用可见光对微尺度物体进行成像。该协议的目的是详细介绍一种经过验证的制备等离子体纳米粒子样品的方法, 并利用 DIC 显微镜对其进行单粒光谱。为了进行可重复的光谱实验, 必须仔细遵循几个重要步骤。首先, 可以将地标刻在样品基板上, 这有助于在实验过程中定位样品表面和跟踪感兴趣的区域。其次, 基板必须适当清洗碎片和污染物, 否则可能会阻碍或模糊对样品的检查。正确制备样品后, 显微镜的光学路径必须使用科勒照明。使用标准的 Nomarski 风格 DIC 显微镜, 样品的旋转可能是必要的, 特别是当等离子体纳米粒子表现出与方向相关的光学特性时。由于 DIC 显微镜有两个固有的正交偏振场, 因此与波长相关的 DIC 对比度模式揭示了棒状等离子体纳米粒子的方向。最后, 必须仔细执行数据采集和数据分析。将基于 dic 的光谱数据表示为对比值是很常见的, 但也可以将其表示为强度数据。在这个演示的 DIC 为单粒子光谱, 重点是球面和棒状金纳米粒子。

Introduction

自20世纪80年代以来, 差动干涉对比度显微镜 (DIC) 已被广泛视为生物科学中为微尺度物体保留的一种重要成像方法。然而, 在1950年代和1960年代的发展过程中, 它的目的是作为材料科学^的一种技术1。随着与等离子体纳米粒子相关的材料科学的最新进展, 人们对光学显微镜对材料的表征越来越感兴趣。

许多光学技术当然可用于纳米材料表征 (例如, 暗场、明亮场、偏振光、荧光等)。黑场在纳米粒子研究中广泛流行, 但它完全依赖于散射的收集, 并提供关于复杂样本的有限信息²。荧光是有用的, 但只有样品发光或可以适当染色。DIC 显微镜具有多种特点, 使其成为分析纳米粒子的宝贵工具。与其他方法相比, DIC 最常见的优点是: 无需样品染色、无光晕效应、景深浅、横向分辨率^高3。DIC 具有对等离子体纳米粒子研究有价值的附加优势。首先, 存在两个固有的偏振场和正交偏振场, 它们可以同时测量, 用于光谱^目的2。其次, 在最终图像²中没有捕获纳米粒子的去极化信号, 这可能是暗场光谱测量中严重关注的问题。

本文的目的是为利用透射光诺马尔斯基 DIC 显微镜对等离子体纳米粒子进行光谱研究提供一种清晰的方法。虽然 DIC 是一种功能强大的技术, 可应用于高度多样化的材料, 但它也是一种技术, 在成像纳米粒子时, 需要极大的技巧和理解才能正确操作。基于传输的 Nomarski DIC 显微镜具有复杂的光路径¹ , 仅在此简要介绍。DIC 的光学列车显示在图 1中。光通过显微镜通过显微镜传播, 首先通过偏振器和分束的 Polarizer 棱镜, 然后被冷凝器聚焦到样品平面上。经过目标后, 光线会遇到一个组合 Nomarski 棱镜和分析仪的波束, 然后离开探测器。两个偏振器和 Polarizers 棱镜是 DIC 图像形成的关键, 负责产生 DIC 的两个正交偏振场¹。有兴趣了解 nomarski DIC 显微镜的工作原理和光学路径的读者, 或 Nomarski DIC 与其他 DIC 风格之间的差异, 请参考有关这些主题^的其他写得很好^{的说明 1,4 个,5,6,7}。

同样重要的是, 在尝试对其进行光谱学之前, 了解等离子体纳米粒子的基本性质, 无论是使用 Nomarski DIC、暗场, 还是任何其他显微镜技术。在等离子体领域, 纳米粒子被定义为尺寸为10-100 纳米^8,9的颗粒。纳米粒子可以具有多种形状 (例如, 球体、棒、星、哑铃等), 它们的大部分重要特性来自于电磁波谱的紫外线可见光近红外范围内与光线的相互作用。”等离子体” 一词并不限于纳米粒子¹⁰;然而, 在讨论纳米粒子时, 它被用于局部表面等离子体共振 (LSPR)。LSPR 是一种现象, 其中纳米粒子中的导电电子由于与高度特定和相对较窄的频带⁸的电磁辐射的库仑相互作用而振荡。在这些相同的频率下, 等离子体纳米粒子表现出更大的吸收和散射光, 使他们可以通过光学显微镜观察到。在许多情况下, 最好在冷凝器2之前放置带通滤波器^时观察纳米颗粒, 以提高成像对比度并消除无法诱导 lspr 效应的光线。使用过滤器还可以进行单粒光谱实验。

Lspr 相关的光学行为高度依赖于纳米粒子的大小和形状, 可以用多种光学显微镜技术进行研究。然而, 为了破译具有各向异性 (即非球面) 形状的等离子体纳米粒子的取向信息, 有必要利用光场的极化。通过以较小的增量仔细旋转偏振场或样品基板, 可以监测单个纳米粒子的方向依赖性光谱特性。旋转和极化还可以帮助确定光谱特征是由于纳米粒子表面电子的双极振荡还是高阶振荡造成的。然而, 在各向同性 (即球形) 纳米粒子的情况下, 在偏振光下旋转样品时, 光谱剖面基本保持不变。

通过 DIC 显微镜观察时 (图 2), 纳米粒子有一个通风的圆盘, 在灰色背景下出现阴影的白色和黑色外观。球状纳米颗粒在旋转和带通滤波器的变化下将保持这种外观;然而, 当滤波器的中心波长与球体唯一的双极 LSPR^{波长 11只}进一步分离时, 粒子将逐渐从视野中消失。纳米棒的外观可以发生相当大的变化, 因为他们是旋转²。纳米棒有两个具有双极行为的 LSPR 波段, 其位置基于纳米棒的物理尺寸。当纳米体的纵轴与一个 DIC 偏振场平行定向时, 如果使用与 LSPR 波长相关的带通滤波器查看, 则通风盘将显示为全白色或全黑色。旋转90°后, 它将采用相反的颜色。或者, 由于纳米轴的横轴垂直于纵轴, 因此在两个轴的 LSPR 波长匹配的滤波器之间切换时, 棒将采用相反的颜色。在其他方向和滤波器设置中, 纳米棒将更像球体, 呈现各种阴影投射的通风圆盘图案。对于具有 < 25 纳米的横向轴的纳米棒, 使用 DIC 显微镜在 LSPR 的波长处检测信号是很困难的。

要执行单个粒子光谱, 重要的是使用正确的光学元件并正确对齐它们。必须使用能够使用 DIC 显微镜的客观特性。对于单粒子实验, 80x 或100x 油目标是理想的。Nomarski DIC 棱镜通常有三个品种: 标准、高对比度和高分辨率。理想类型在很大程度上取决于实验的目的和纳米粒子的大小。标准棱镜适用于许多实验;但当使用较小的纳米粒子 (< 50 纳米) 时, 高对比度棱镜可能是有益的, 因为颗粒对比度会随着颗粒^尺寸的减小而减小。根据显微镜品牌或型号⁶的不同, 通过旋转偏光片或翻译其中一个 dic 棱镜来调整 dic 对比度。

设置科勒照明和偏光片设置后, 在收集光谱数据时不重新调整这些设置是至关重要的。此外, 在数据收集过程中, 即使在滤波器和角度设置之间切换, 也必须始终保持恒定的平均背景信号。实际理想的背景值取决于科学相机的动态范围, 但一般来说, 背景应在相机最大检测水平的 15%-40% 的范围内。这降低了相机传感器饱和的可能性, 同时实现了最佳的粒子对比度。为了收集光谱数据, 有必要使用科学相机来捕捉黑白图像, 而不是彩色相机。

样品制备是成像等离子体纳米粒子的另一个关键方面。DIC 显微镜的操作人员必须了解样品的光学特性和样品的基板。”预清洁” 显微镜玻璃没有为纳米颗粒的成像做好充分准备, 在样品沉积之前必须对其进行适当的再清洗, 以确保样品的观察不受阻碍。许多显微镜幻灯片的清洁方案以前已经记录^{了 12个}, 但这不是实验研究中通常报告的一个步骤。

最后, 数据分析方法是单粒光谱的最终组成部分。必须测量每种纳米粒子的最大强度和最小强度, 以及局部背景平均值。感兴趣的粒子应位于没有背景碎片、基板缺陷或照明不均匀的区域。确定纳米粒子光谱分布的一种方法是使用^{小于 11、13、14、15}的公式计算每个波长的粒子对比度:

或者, 单个粒子的光谱可以被分割成其单独的最大和最小信号分量, 这代表 DIC 的两个偏振场, 从而显示同时收集的两个方向依赖谱,通过两个方程:

Protocol

1. 用标准玻璃显微镜幻灯片进行样品制备 准备玻璃显微镜幻灯片进行样品沉积。注: 在某些情况下, 将玻璃存放在超纯水中而不是乙醇可能更为合适。然而, 储存在水或空气中, 会随着时间的推移使玻璃具有疏水性。 为了获得最佳效果, 请购买玻璃或石英显微镜幻灯片和盖板玻璃。 使用划笔, 在每个玻璃盖滑块的中心放置一个浅的和短的划痕。 清洁所有显微镜玻璃,…

Representative Results

在处理足够大的样品时, 通常不需要在玻璃基板上放置地标。然而, 在使用纳米材料或需要旋转样品时, 地标可以为定位、识别和跟踪样品的方向提供一种简单的方法。虽然更复杂的技术可以用来离开玻璃基板17的地标, 用划笔划伤玻璃是一种经济而简单的方法, 在许多情况下都是有效的。重要的是要避免检查紧邻这些地标的示例区域, 因为划痕会创建一个?…

Discussion

使用 DIC 显微镜进行成像时, 在收集数据之前对光学元件进行优化至关重要。即使在实验中间对偏光片稍作调整, 也会对最终数据^产生重大影响。此外, 不同的材料需要不同的偏光片设置。虽然这里使用了较大的步长来展示偏振角的影响, 但在实际实验中, 必须在最佳对比度设置的1°–2°范围内优化偏振器设置。偏振器设置也应记录, 以供将来参考。还建议始终在交叉偏光片 (0°) 点?…

Materials

Contrad 70	Decon Labs, Inc.	1002	For cleaning microscope glass, Available through many chemical suppliers
Ethanol	Fisher Scientific	A962-4	For cleaning and storing microscope glass
Glass microscope cover slips	Ted Pella	260148
Glass microscope slides	Ted Pella	26007
Gold nanorods	Nanopartz	DIAM-SPR-25-650
Gold nanospheres (80 nm)	Sigma Aldrich	742023-25ML
ImageJ	NIH	N/A	Free Software availabe for data analysis from NIJ
Nail polish	Electron Microscopy Sciences	72180
Nikon Ti-E microscope	Nikon	N/A
Nitrogen gas	Airgas	N/A
ORCA Flash 4.0 V2+ digital sCMOS camera	Hamamatsu	77054098
Scribing pen	Amazon	N/A	Many options available online for under $10. Not necessary to buy an expensive version.
Ultrapure water			18 megaohm