La medición de la dispersión no linealidades de una nanopartícula Individual plasmónicas

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

El estudio de la plasmónica ha atraído un gran interés por sus aplicaciones en muchos campos diferentes ^1-4. Uno de los campos más investigados en la plasmónica es plasmónica de superficie, en el que la oscilación colectiva de electrones de conducción parejas con una onda electromagnética externa en una interfaz entre un metal y dieléctrico. Plasmónica de superficie ha sido explorado por sus potenciales aplicaciones en óptica sublongitud de onda, biofotónica, y microscopía ^5,6. El fuerte aumento del campo en el volumen ultra pequeño de nanopartículas metálicas debido a localizada resonancia de plasmón superficial (LSPR) ha atraído una amplia atención, no sólo por su excepcional sensibilidad a los tamaños de partículas, forma de las partículas, y las propiedades dieléctricas del medio circundante ^{7 -10,} pero también debido a su capacidad para estimular efectos ópticos no lineales inherentemente débiles ^11. La sensibilidad excepcional de LSPR es valiosa para bio-detección y casi fietécnicas de imagen ld ^12,13. Por otro lado, el aumento de la no linealidad de las estructuras plasmónicas puede ser utilizado en circuitos integrados fotónicos en aplicaciones tales como conmutación óptica y procesamiento de señales totalmente óptico ^14,15. Es bien sabido que la absorción plasmónica es linealmente proporcional a la intensidad de excitación a niveles de baja intensidad. Cuando la excitación es lo suficientemente fuerte, la absorción alcanza la saturación. Curiosamente, a intensidades más altas, la absorción aumenta de nuevo. Estos efectos no lineales se llaman absorción saturable (SA) ^15-17 y revertir la absorción saturable (RSA) ^18, respectivamente.

Se sabe que debido a la LSPR, la dispersión es particularmente fuerte en las estructuras plasmónicas. Basado en electromagnetismo fundamentales, la respuesta de la dispersión frente a la intensidad incidente debe ser lineal. Sin embargo, en las nanopartículas, dispersión y absorción están estrechamente vinculados a través de la teoría de Mie, y ambos pueden ser correoxpressed en términos de partes real e imaginaria de la constante dieléctrica. Bajo el supuesto de que una sola GNS se comporta como un dipolo bajo iluminación de luz, el coeficiente de dispersión _(sca Q) y coeficiente de absorción (Q _abs) a partir de una única nanopartícula plasmónica de acuerdo con la teoría de Mie se pueden expresar como ¹⁹

donde x es 2 πa / λ, a es el radio de la esfera, y m es ² ε _{m /} ε _d. Aquí, _m ε y ε _d corresponden a las constantes dieléctricas del metal y de los dieléctricos que rodean, respectivamente. Puesto que la forma del coeficiente de dispersión es similar a la de THcoeficiente de absorción de correo, por lo tanto se espera para observar la dispersión saturable en una sola nanopartícula plasmónica ^20.

Recientemente, la dispersión saturable no lineal en una partícula plasmónica aislado se demostró por primera vez ^21. Es notable que en la saturación profunda, la intensidad de dispersión de hecho disminuyó ligeramente cuando la intensidad de excitación aumenta. Aún más notablemente, cuando la intensidad de excitación continuó aumentando después de la dispersión se saturó, la intensidad de dispersión se levantó de nuevo, que muestra el efecto de dispersión inversa saturable ^20. De longitud de onda y los estudios dependientes del tamaño han demostrado una fuerte relación entre LSPR y no lineales de dispersión ^21. La intensidad y longitud de onda de dispersión de dependencias plasmónica son muy similares a los de la absorción, lo que sugiere un mecanismo común que subyace a estos comportamientos no lineales.

En términos de aplicaciones, es kno bienwn que no linealidad ayuda a mejorar la resolución de la microscopía óptica. En 2007, la excitación saturada se propuso (SAX) microscopía, que puede mejorar la resolución mediante la extracción de la señal saturada a través de una modulación sinusoidal temporal del haz de excitación ^22. Microscopía SAX se basa en el concepto de que, para un punto focal del láser, la intensidad es más fuerte en el centro que en la periferia. Si la señal (ya sea de la fluorescencia o dispersión) exhibe un comportamiento de saturación, la saturación debe comenzar desde el centro, mientras que la respuesta sigue siendo lineal en la periferia. Por lo tanto, si hay un método para extraer sólo la parte saturada, dejará sólo la parte central mientras rechaza la parte periférica, mejorando así de manera efectiva la resolución espacial. En principio, no existe límite de ningún menor resolución en microscopía SAX, siempre que se alcance la saturación tan profundo y no hay daños muestra debido a la iluminación intensa.

Se ha demostrado que la resolution de imágenes de fluorescencia se puede mejorar significativamente mediante la utilización de la técnica de SAX. Sin embargo, la fluorescencia sufre del efecto photobleaching. Combinando el descubrimiento de la no linealidad de dispersión y el concepto de SAX, microscopía de super-resolución basada en la dispersión se puede realizar ^21. En comparación con microscopías de super-resolución convencionales, la técnica basada en la dispersión proporciona un método de contraste no blanqueo novela. En este trabajo, una descripción paso a paso se da a esbozar los procedimientos necesarios para obtener y extraer la no linealidad de la dispersión plasmónica. Se describen métodos para identificar las no linealidades introducidas por dispersión cambiando la intensidad incidente. Más detalles serán proporcionados a desentrañar cómo estos afectan linealidades imágenes de nanopartículas individuales y cómo resolución espacial se pueden mejorar en consecuencia por la técnica de SAX.

Protocol

1. GNS preparación de muestras Antes de preparar la muestra, la solución de coloide sonicado 1 ml GNS durante al menos 15 min a aproximadamente 40 kHz para evitar la agregación de partículas, que puede causar el pico LSPR se desplace. Caída de 100 a 200 l de GNS coloide en un portaobjetos de vidrio con silicato de aluminio y magnesio (MAS) de recubrimiento comercial para fijar el GNSS. Después de al menos 1 minuto, retire el coloide adicional mediante el lavado con agua destilada. El…

Representative Results

La Figura 6 muestra el espectro medido desde un 80 GNS nm. Una curva calculada sobre la base de la teoría de Mie se da en la misma parcela, mostrando excelente acuerdo. El pico LSPR es de alrededor de 580 nm. En el siguiente experimento, la longitud de onda del láser era 532 nm, que fue elegido ya que se encuentra dentro de la banda plasmónica para mejorar la dispersión óptica con efecto plasmónica y permitir la dispersión de saturación 21. La Figu…

Discussion

En el protocolo, hay varios pasos críticos. En primer lugar, en la preparación de las muestras, la densidad de las nanopartículas no debería ser demasiado alta, para evitar el acoplamiento entre partículas plasmónica. Si dos o más partículas son muy cerca uno del otro, los resultados de acoplamiento en la longitud de onda LSPR cambiando hacia longitudes de onda más largas, reduciendo así significativamente la no linealidad. Sin embargo, esta técnica de imagen en realidad los mapas de la distribución de los m…

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