Måling av Spredning Nonlinearities fra en enkelt Plasmonic Nanopartikkel

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

Studiet av plasmonics har vakt stor interesse på grunn av sine programmer i mange ulike felt ^1-4. En av de mest undersøkte felt i plasmonics er overflate plasmonics, i hvilken den kollektive svingning av lednings elektroner par med en ytre elektromagnetisk bølge ved et grensesnitt mellom et metall og dielektrikum. Overflate plasmonics har vært utforsket for sine potensielle bruksområder i Subwavelength optikk, biophotonics, og mikros ^5,6. Den sterke feltøkning i det ultra-små volum av metallnanopartikler på grunn av lokaliserte overflate-plasmonresonans (LSPR) har tiltrukket seg stor oppmerksomhet, ikke bare på grunn av sin enestående følsomhet for partikkelstørrelser, partikkelformer, og de ​​dielektriske egenskapene til det omgivende medium ^{7 -10,} men også på grunn av sin evne til å øke iboende svake ikke-lineære optiske effekter ^11. Den eksepsjonelle følsomheten LSPR er verdifullt for bio-sensing og nær-fyld avbildningsteknikker ^12,13. På den annen side, kan den forbedrede ulineariteten Plasmonic strukturer benyttes i fotoniske integrerte kretser i applikasjoner som optisk svitsjing og alle optiske signalbehandlings ^14,15. Det er vel kjent at plasmonic absorpsjonen er lineært proporsjonal med intensiteten eksitasjon ved lave intensitetsnivåer. Ved magnetisering er sterk nok, når absorpsjonen metning. Forbløffende nok på høyere intensiteter, øker absorpsjonen igjen. Disse ikke-lineære effekter kalles metningsabsorpsjon (SA) ^15-17 og omvendt metningsabsorpsjon (RSA) ^18, respektivt.

Det er kjent at på grunn av den LSPR, er spesielt sterk i Plasmonic strukturer spredning. Med utgangspunkt i de grunnleggende elektromagnetisme, bør responsen til spredning i forhold til innfallende intensitet være lineær. Men i nanopartikler, spredning og absorpsjon er nært bundet via Mie teori, og begge kan være expressed i form av reelle og imaginære deler av dielektrisk konstant. Under forutsetning av at en enkelt GNS oppfører seg som en dipol under lett belysning, kan spredningskoeffisienten (Q _SCA) og absorpsjon koeffisient (Q _abs) fra en enkelt plasmonic nanopartikkel ifølge Mie teori uttrykkes som ¹⁹

hvor x er 2 πa / λ, er radien av sfæren, og m er ² ε _{m /} ε _d. Her, ε _m og ε _d tilsvarer de dielektriske konstanter i metallet og av de omkringliggende dielektrika, respektivt. Siden formen av spredningskoeffisienten er lik som the absorbsjonskoeffisient, er det derfor forventet å observere mettbar spredning i en enkelt plasmonic ²⁰ nanopartikkel.

Nylig ble ikke-lineær mett spredning i et isolert plasmonic partikkel demonstrert for første gang ^21. Det er bemerkelsesverdig at i dyp metning, spredning intensitet faktisk gått litt ned når eksitasjon intensiteten økes. Enda mer bemerkelsesverdig når magnetisering intensitet fortsatte å øke etter spredning ble mettet, steg spredningsintensitet på nytt, og viser effekten av omvendt mettbar spredning ^20. Bølgelengde og størrelse avhengig studier har vist en sterk sammenheng mellom LSPR og ikke-lineær spredning ^21. Intensitet og bølgelengde-avhengigheter av plasmonic spredning er meget lik de av absorpsjon, noe som tyder på en felles mekanisme ligger til grunn følgende ikke-lineære virkemåter.

Når det gjelder søknader, er det vel known som ulinearitet bidrar til å forbedre optisk mikroskopi oppløsning. I 2007, mettet eksitasjon (SAX) mikroskopi ble foreslått, noe som kan øke oppløsningen ved å klippe et mettet signal via en tidsmessig sinusmodulering av eksitasjon bjelke ^22. SAX mikroskopi er basert på det konseptet at, for en laser fokalpunktet, er intensiteten sterkere i midten enn ved periferien. Hvis signalet (enten fluorescens eller spredning) utviser metnings oppførsel, må metnings starte fra sentrum, mens den lineære respons forblir i periferien. Derfor, hvis det er en metode for å ekstrahere bare den mettede del, vil det la kun den sentrale delen mens det avviser den periferiske del, og dermed effektivt å øke den romlige oppløsningen. I prinsippet er det ingen nedre grense oppløsning i SAX mikroskopi, så lenge lav metning er nådd, og det er ingen prøve skade på grunn av intens belysning.

Det har blitt vist at resolution av fluorescens avbildning kan bli betydelig forbedret ved anvendelse av SAX teknikk. Imidlertid lider fluorescens fra fotobleking effekt. Kombinere oppdagelsen av spredning ulinearitet og begrepet SAX, kan super-oppløsning mikroskopi basert på spredning realiseres ^21. Sammenlignet med konvensjonelle super oppløsning microscopies, gir spredningsbasert teknikk et nytt ikke-kontrast blekemetode. I denne artikkelen er en steg-for-steg beskrivelse gitt å skissere de krav som stilles for å få tak i og trekke ulineariteten plasmonic spredning. Fremgangsmåter for identifisering av sprednings ulineariteter innført ved endring av innfallende intensitet, er beskrevet. Flere detaljer vil bli gitt for å løse hvordan disse ulineariteter påvirke bilder av enkeltnanopartikler og hvordan romlig oppløsning kan bli styrket tilsvar av SAX teknikk.

Protocol

1. GNS Sample Preparation Før fremstilling av prøven, sonicate 1 ml GNS kolloid oppløsning i minst 15 minutter ved ca. 40 kHz for å hindre partikkelaggregering, noe som kan føre til at LSPR peak å skifte. Drop 100-200 ul GNS kolloid på et lysbilde glass med kommersiell magnesiumaluminiumsilikat (MAS) belegg for å fikse GNSS. Etter minst 1 min, fjerne den ekstra kolloid ved spyling med destillert vann. Ventetiden er avhengig av den ønskede fordelingstetthet av GNSS. Vanligvis 1-3 m…

Representative Results

Figur 6 viser den målte spekteret fra en 80 nm GNS. En beregnet kurve basert på Mie teorien er gitt på samme tomten, som viser utmerket avtale. Den LSPR toppen er rundt 580 nm. I det følgende eksperiment, laser bølgelengde var 532 nm, som ble valgt som det ligger inne i plasmonic bandet å forbedre optisk spredning med plasmonic effekt og aktiver spredning metning 21. Figur 7 presenterer spredning bilder av en enkelt gull nanopartikkel på ul…

Discussion

I protokollen, er det flere viktige trinn. Først ved fremstilling av prøvene, tettheten av nanopartikler bør ikke være for høy, for å unngå plasmonic kopling mellom partikler. Hvis to eller flere partikler er meget nær hverandre, koblings resultatene i LSPR bølgelengde forskyvning mot lengre bølgelengder, noe som i betydelig grad reduserer ulineariteten. Men dette avbildningsteknikk faktisk kart fordeling av Plasmonic modi, i stedet for selve partiklene. Derfor er det forventet at med en passende eksiteringsb?…

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