Измерение рассеяния нелинейности из Единого Плазмонное наночастицы
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
Изучение плазмоники привлекла большой интерес в связи с его применения в различных областях 1-4. Один из наиболее изученных месторождений в плазмоники поверхности Плазмоника, в которых коллектив колебаний электронов проводимости пары с внешней электромагнитной волны на границе раздела между металлом и диэлектриком. Поверхностные Плазмоника была изучена для ее потенциального применения в оптике, субволновую биофотонике и микроскопии 5,6. Сильный усиление поля в ультра-малых объема металлических наночастиц в связи с локализованной поверхностного плазмонного резонанса (LSPR) привлек широкое внимание не только из-за его исключительной чувствительности к размерам частиц, формы частиц, и диэлектрических свойств окружающей среды 7 -10, но также из-за его способность стимулировать сути слабые нелинейные оптические эффекты 11. Исключительная чувствительность LSPR является ценным для био-зондирования и около-тьфуметоды визуализации LD 12,13. С другой стороны, усиливается нелинейность плазмонных структур могут быть использованы в фотонных интегральных схем в таких приложениях, как оптической коммутации и полностью оптической обработки сигналов 14,15. Хорошо известно, что плазмонный поглощения линейно пропорциональна интенсивности возбуждения при низких уровней интенсивности. Когда возбуждение достаточно сильным, поглощение достигает насыщения. Интересно, при более высоких интенсивностях, поглощение снова возрастает. Эти нелинейные эффекты называются насыщаемым поглощения (SA), 15-17 и обратного поглощения насыщающегося (RSA) 18, соответственно.
Известно, что из-за LSPR, рассеяние особенно сильна в плазмонных структур. На основании фундаментальных электромагнитных, реакция рассеяния по сравнению с интенсивности падающего должна быть линейной. Тем не менее, в наночастицах, рассеяние и поглощение тесно связаны через теории Ми, и оба могут быть электроннойxpressed точки зрения реальных и мнимых частей диэлектрической проницаемости. В предположении, что один ГНС ведет себя как диполь под светового облучения, коэффициент рассеяния (Q SCA) и коэффициент поглощения (Q абс) из одного плазмонного наночастицы согласно теории Ми может быть выражена как 19
где х 2 П А / λ, а есть радиус сферы, а м 2 ε м / ε d. Здесь ε ε м и д соответствуют диэлектрических констант металла и окружающих диэлектриков, соответственно. Так виде коэффициента рассеяния аналогичен гокоэффициент поглощения е, поэтому оно должны соблюдать насыщающегося рассеяние в одном плазмонного наночастицы 20.
Недавно нелинейной насыщающийся рассеяние в изолированной плазмонного частицы была продемонстрирована в первый раз 21. Примечательно, что при глубоком насыщении, интенсивность рассеяния на самом деле немного снизился, когда интенсивность возбуждения увеличивается. Еще более удивительно, когда интенсивность возбуждения продолжала расти после рассеяния насыщается, интенсивность рассеяния воскрес, показывающий влияние обратного рассеяния насыщающийся 20. Wavelength- и зависящие от размера исследования показали тесную взаимосвязь между LSPR и нелинейного рассеяния 21. Интенсивность и длина волны плазмонного зависимости рассеяния очень похожи на те, поглощения, предлагая общий механизм, лежащий в основе этих нелинейных поведения.
С точки зрения приложений, это хорошо KNOWn, что нелинейность помогает улучшить оптическое разрешение микроскопа. В 2007 году насыщенный возбуждения (SAX) микроскопии было предложено, что может повысить разрешение путем экстракции насыщенный сигнал через временной синусоидальной модуляции пучка 22 возбуждения. SAX микроскопия основана на концепции, что для фокального пятна лазерного интенсивность сильнее в центре, чем на периферии. Если сигнал (или флуоресценции или рассеяния) имеет поведение насыщения, насыщение должно начать от центра, в то время как линейный отклик остается на периферии. Таким образом, если существует способ, чтобы извлечь только часть насыщенный, он оставит только центральную часть, отклоняя периферийную часть, таким образом, эффективно повышение пространственного разрешения. В принципе, нет нижнего предела разрешения в SAX микроскопии, так долго, как глубокое насыщение достигается и нет никаких повреждений образца из-за интенсивного освещения.
Было показано, что Resolutioп флуоресценции может быть значительно повышена за счет использования техники SAX. Однако флуоресценции страдает от фотообесцвечивания эффекта. Сочетание открытие рассеяния нелинейности и концепцию SAX, супер-разрешение микроскопии на основе рассеяния могут быть реализованы 21. По сравнению с обычными микроскопии сверхвысокого разрешения, метод рассеяния на основе обеспечивает новый способ контрастности без отбеливания. В этой статье, описание шаг за шагом дано наметить процедуры, необходимые для получения и извлечения нелинейность плазмонного рассеяния. Методы выявления рассеяния нелинейности, вносимые изменения интенсивности падающего описаны. Более подробная информация будет предоставлена разгадать, как эти нелинейности влияют изображения одиночных наночастиц и как пространственное разрешение может быть повышена соответственно по методике SAX.
Protocol
Representative Results
Discussion
В протоколе, есть несколько важных шагов. Во-первых, при изготовлении образцов, плотность наночастиц не должна быть слишком высокой, чтобы избежать плазмонных сцепление между частицами. Если два или более частицы очень близко друг к другу, результаты связи в длине волны сдвига LSPR в длин…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by Ministry of Science and Technology under NSC-101-2923-M-002-001-MY3 and NSC-102-2112-M-002-018-MY3. This research is also supported by the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) through the “Funding Program for Next Generation World-Leading Researchers (NEXT Program),” initiated by the Council for Science and Technology Policy (CSTP) and JSPS Asian CORE Program.
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 |
Referências
- Fang, N., Lee, H., Sun, C., Zhang, X. Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens. Science. 308 (5721), 534-537 (2005).
- Lee, B., Kim, S., Kim, H., Lim, Y. The use of plasmonics in light beaming and focusing. 34 (2), 47-87 (2010).
- Lal, S., Link, S., Halas, N. J. Nano-optics from sensing to waveguiding. Nature Photon. 1 (11), 641-648 (2007).
- Kawata, S., Inouye, Y., Verma, P. Plasmonics for near-field nano-imaging and superlensing. Nature Photon. 3 (7), 388-394 (2009).
- Homola, J., Yee, S. S., Gauglitz, G. Surface plasmon resonance sensors: review. Sensor. Actuat. B-Chem. 54 ((1-2)), 3-15 (1999).
- Nie, S., Emory, S. R. Probing single molecules and single nanoparticles by surface-enhanced Raman scattering. Science. 275 (5303), 1102-1106 (1997).
- Hache, F., Ricard, D., Flytzanis, C. Optical nonlinearities of small metal particles – surface-mediated resonance and quantum size effects. J. Opt. Soc. Am. B. 3 (12), 1647-1655 (1986).
- Balamurugan, B., Maruyama, T. Evidence of an enhanced interband absorption in Au nanoparticles: Size-dependent electronic structure and optical properties. Applied Physics Letters. 87 (14), 143105 (2005).
- Link, S., El-Sayed, M. A. Size and temperature dependence of the plasmon absorption of colloidal gold nanoparticles. J. Phys. Chem. B. 103 (21), 4212-4217 (1999).
- Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J. Phys. Chem B. 107 (3), 668-677 (2003).
- Kauranen, M., Zayats, A. V. Nonlinear plasmonics. Nature Photon. 6 (11), 737-748 (2012).
- Homola, J. Present and future of surface plasmon resonance biosensors. Anal Bioanal Chem. 377 (3), 528-539 (2003).
- Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Au nanoparticles target cancer. Nano Today. 2 (1), 18-29 (2007).
- Wada, O. Femtosecond all-optical devices for ultrafast communication and signal processing. New J. Phys. 6 (183), .
- Elim, H. I., Yang, J., Lee, J. Y., Mi, J., Ji, W. Observation of saturable and reverse-saturable absorption at longitudinal surface plasmon resonance in gold nanorods. Appl. Phys. Lett. 88 (8), 083107 (2006).
- Ros, I., Schiavuta, P., Bello, V., Mattei, G., Bozio, R. Femtosecond nonlinear absorption of gold nanoshells at surface plasmon resonance. Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (41), 13692-13698 (2010).
- De Boni, L., Wood, E. L., Toro, C., Hernandez, F. E. Optical Saturable Absorption in Gold Nanoparticles. Plasmonics. 3 (4), 171-176 (2008).
- Gurudas, U., et al. Saturable and reverse saturable absorption in silver nanodots at 532 nm using picosecond laser pulses. J. Appl. Phys. 104 (7), 073107 (2008).
- Bohren, C. F., Huffman, D. R. . Absorption and scattering of light by small particles. , (1983).
- Chu, S. W., et al. Saturation and reverse saturation of scattering in a single plasmonic nanoparticle. ACS Photon. 1 (1), 32-37 (2014).
- Chu, S. W., et al. Measurement of a saturated emission of optical radiation from gold nanoparticles: application to an ultrahigh resolution microscope. Phys. Rev. Lett. 112 (1), 017402 (2014).
- Fujita, K., Kobayashi, M., Kawano, S., Yamanaka, M., Kawata, S. High-resolution confocal microscopy by saturated excitation of fluorescence. Phys. Rev. Lett. 99 (22), 228105 (2007).
- Smith, K. C. A., Oatley, C. W. The scanning electron microscope and its fields of application. Brit. J.Appl. Phys. 6 (11), (1955).
- Yu, J. Y., et al. A diffraction-limited scanning system providing broad spectral range for laser scanning microscopy. Rev. Sci. Instru. 80 (11), 113704 (2009).
- Lee, H., et al. Point spread function analysis with saturable and reverse saturable scattering. Opt. Express. 22 (21), 26016-26022 (2014).
- Gustafsson, M. G. L. Nonlinear structured-illumination microscopy: Wide-field fluorescence imaging with theoretically unlimited resolution. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102 (37), 13081-13086 (2005).
- Yonemaru, Y., Yamanaka, M., Smith, N. I., Kawata, S., Fujita, K. Saturated Excitation Microscopy with Optimized Excitation Modulation. ChemPhysChem. 15 (4), 743-749 (2014).
- Betzig, E., et al. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science. 313 (5793), 1642-1645 (2006).
- Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316 (5828), 1153-1158 (2007).
- Huang, B., Wang, W. Q., Bates, M., Zhuang, X. W. Three-dimensional super-resolution imaging by stochastic optical reconstruction microscopy. Science. 319 (5864), 810-813 (2008).
- Heintzmann, R., Jovin, T. M., Cremer, C. Saturated patterned excitation microscopy – a concept for optical resolution improvement. J. Opt. Soc. Am. A. 19 (8), 1599-1609 (2002).
- Tzang, O., Pevzner, A., Marvel, R. E., Haglund, R. F., Cheshnovsky, O. Super-Resolution in Label-Free Photomodulated Reflectivity. Nano Lett. 15 (2), 1362-1367 (2015).
