Die Messung der Streunichtlinearitäten von einem Einzel Plasmonische Nanopartikel

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

Das Studium der Plasmonik hat großes Interesse aufgrund seiner Anwendungen in vielen verschiedenen Bereichen ^1-4 angezogen. Eine der am besten untersuchten Felder Plasmonics oberflächen Plasmonics, bei dem die kollektive Schwingung der Leitungselektronen Paare mit einer externen elektromagnetischen Welle an einer Grenzfläche zwischen einem Metall und Dielektrikum. Oberflächen Plasmonik hat für seine potentiellen Anwendungen in Subwellenlängen Optik, Biophotonik und Mikroskopie ^5,6 erforscht. Die starke Feldverstärkung in der ultra-kleinen Volumen von Metallnanopartikeln durch lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz (LSPR) hat große Aufmerksamkeit nicht nur wegen seiner außergewöhnlichen Empfindlichkeit auf Korngrößen, Kornformen und den dielektrischen Eigenschaften des umgebenden Mediums ⁷ angezogen wird, ^-10, sondern auch wegen seiner Fähigkeit, von sich aus schwach nichtlineare optische Effekte ¹¹ zu steigern. Die außergewöhnliche Empfindlichkeit der LSPR ist wertvoll für Bio-Sensorik und in der Nähe von-field Bildgebungstechniken ^12,13. Andererseits kann die erhöhte Nichtlinearität plasmonischer Strukturen in photonischen integrierten Schaltkreisen in Anwendungen wie optischen Schalt und volloptischen Signalverarbeitung ^14,15 verwendet werden. Es ist gut bekannt, dass das Plasmonen Absorption ist linear proportional zur Anregungsintensität bei niedrigen Intensitätspegel. Wenn die Erregung stark genug ist, erreicht der Absorptionssättigung. Interessanterweise bei höheren Intensitäten steigt die Absorption wieder. Diese nichtlinearen Effekte sind aufgerufen sättigbaren Absorptions (SA) ^15-17 und umgekehrt sättigbare Absorption (RSA) ^{18 auf.}

Es ist bekannt, dass aufgrund der LSPR ist Streuung besonders stark in plasmonic Strukturen. Basierend auf Grund Elektromagnetik, sollte die Antwort der Streulichtintensität gegenüber linear sein. Doch in Nanopartikeln, Streuung und Absorption sind eng über die Mie-Theorie verbunden, und beide können e seinim Hinblick auf die realen und imaginären Teile der dielektrischen Konstante xpressed. Unter der Annahme, dass ein einzelnes GNS verhält sich wie ein Dipol unter Lichtbestrahlung kann der Streuungskoeffizient (Q _sca) und der Absorptionskoeffizient (Q _abs) aus einem einzigen plasmonic Nanopartikel nach der Mie-Theorie als ¹⁹ ausgedrückt werden

wobei x 2 πa / λ, a ist der Radius der Kugel ist, ^und m 2 ε _{m /} ε _d. Hier ε _m ε _d entsprechen den Dielektrizitätskonstanten des Metalls und der umgebenden Dielektrika sind. Da die Form der Streukoeffizient ähnlich dem von the Absorptionskoeffizienten wird daher erwartet, dass sättigbaren Streuung in einem einzelnen plasmonic Nanopartikel ²⁰ beobachten.

Kürzlich wurde linearen sättigbaren Streuung in einem isolierten plasmonic Partikel erstmals ²¹ gezeigt. Es ist bemerkenswert, dass bei tiefen Sättigung, die Streuintensität in der Tat leicht zurückgegangen, wenn die Anregungsintensität erhöht. Noch bemerkenswerter ist, wenn die Anregungsintensität weiter zunehmende nach der Streuung gesättigt wurde, erhöhte sich die Streuintensität wieder, die die Wirkung der umgekehrt sättigbare Streu ^20. Wellenlängen- und größenabhängige Studien haben eine starke Beziehung zwischen LSPR und nichtlineare Streu ²¹ dargestellt. Die Intensität und Wellenlänge Abhängigkeiten plasmonischer Streuung sind sehr ähnlich denen der Absorption, was auf einen gemeinsamen Mechanismus hinter diesen nichtlinearen Verhalten.

In Bezug auf die Anwendungen ist es auch known, dass Nichtlinearität hilft, optische Mikroskopie Auflösung zu verbessern. 2007, gesättigten Anregung (SAX) Mikroskopie wurde vorgeschlagen, die Auflösung durch Extrahieren des gesättigten Signals über eine zeitliche sinusförmige Modulation des Anregungsstrahls ²² verbessern können. SAX Mikroskopie beruht auf dem Gedanken, dass bei einer Laserbrennfleck, stärker in der Mitte als am Rand der Intensität basiert. Wenn das Signal (entweder Fluoreszenz oder Streuung) zeigt Sättigungsverhalten, muss die Sättigung von der Mitte zu starten, während die lineare Reaktion an der Peripherie bleibt. Deshalb, wenn es eine Methode, um nur den gesättigten Teil zu extrahieren, es wird nur verlassen den zentralen Teil, während die Ablehnung der Umfangsteil, somit effektiv die Verbesserung der räumlichen Auflösung. Im Prinzip gibt es keine untere Auflösungsgrenze in SAX Mikroskopie, solange tiefe Sättigung erreicht ist und sich keine Probe Schäden aufgrund der intensiven Beleuchtung.

Es wurde, daß die resolutio gezeigt,n der Fluoreszenzabbildung kann durch Verwendung des SAX Technik erheblich verbessert werden. Jedoch leidet Fluoreszenz von dem Photobleichwirkung. Kombinieren der Entdeckung von Streunichtlinearität und das Konzept der SAX können Superauflösungsmikroskopie anhand von Streuung realisiert ²¹ sein. Im Vergleich zu herkömmlichen Superauflösungsmikroskopie bietet die Streuung-basierte Technik eine neuartige Nicht-Bleichkontrastverfahren. In diesem Papier wird ein Schritt-für-Schritt Beschreibung angegeben, die erforderlich ist, um zu erhalten, und extrahieren Sie die Nichtlinearität der Plasmonen Streuverfahren skizzieren. Verfahren zur Identifizierung von durch Veränderung der Lichtintensität eingeführt Streunichtlinearitäten werden beschrieben. Weitere Details werden zur Verfügung gestellt, um zu lüften, wie diese Nichtlinearitäten auswirken Bilder einzelner Nanopartikel und wie räumliche Auflösung kann entsprechend durch die SAX-Technik verbessert werden kann.

Protocol

1. GNS Probenvorbereitung Vor der Herstellung der Probe 1 ml Sonikat GNS Kolloidlösung für mindestens 15 min bei etwa 40 kHz, um die Partikelaggregation, die bewirken können, die LSPR Spitze zu verlagern verhindern. Drop 100-200 ul GNS Kolloid auf einen Objektträger mit kommerziellen Magnesiumaluminiumsilikat (MAS) Beschichtung, um die GNSS beheben. Nach mindestens 1 min, entfernen Sie die zusätzlichen Kolloid durch Spülen mit destilliertem Wasser. Die Wartezeit abhängig von der erf…

Representative Results

Figur 6 zeigt das gemessene Spektrum von einer 80 nm GNS. Eine berechnete Kurve auf der Grundlage der Mie-Theorie wird in der gleichen Handlung gegeben, zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung. Die LSPR Gipfel ist in der Umgebung von 580 nm. In dem folgenden Versuch wird die Laserwellenlänge betrug 532 nm, die gewählt wurde, wie es in dem Plasmonen-Band befindet, um die optische Streuung mit plasmonic Wirkung zu verbessern und den Streusättigungs 21. <strong…

Discussion

Im Protokoll gibt es mehrere wichtige Schritte. Zuerst wird, wenn der Probenvorbereitung, die Dichte des Nanoteilchen sollten nicht zu hoch sein, um plasmonic Kopplung zwischen den Teilchen zu vermeiden. Wenn zwei oder mehr Teilchen sehr nahe beieinander, die Kopplung bewirkt die LSPR Wellenlänge Verschiebung zu längeren Wellenlängen, wodurch die Nichtlinearität wesentlich reduziert wird. Jedoch dieser Abbildungstechnik bildet tatsächlich die Verteilung plasmonischer Arten anstelle der Teilchen selbst. Daher ist zu…

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