Mätning av Spridnings olinjäriteter från en enda plasmoniska nanopartiklar

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 plasmonik har rönt stort intresse på grund av dess tillämpningar inom många olika områden ^1-4. En av de mest undersökta fälten i plasmonik är ytan plasmonik, i vilka den kollektiva svängning ledningselektroner par med en extern elektromagnetisk våg vid en gränsyta mellan en metall och dielektrikum. Surface plasmonik har undersökts för sina potentiella tillämpningar inom subwavelength optik, biofotonik och mikroskopi ^5,6. Den starka fältet förbättringen i den ultra liten volym av metalliska nanopartiklar på grund av lokal ytplasmonresonans (LSPR) har rönt stor uppmärksamhet, inte bara på grund av sin exceptionella känslighet för partikelstorlekar, partikelformer och de dielektriska egenskaperna hos det omgivande mediet ^{7 -10,} men också på grund av dess förmåga att öka sin natur svaga icke-linjära optiska effekter ^11. Den exceptionella känslighet LSPR är värdefullt för bio-sensorer och nära field avbildningstekniker ^12,13. Å andra sidan, kan den förbättrade olinjäritet plasmoniska strukturer utnyttjas i fotoniska integrerade kretsar i tillämpningar såsom optisk omkoppling och heloptisk signalbehandling ^14,15. Det är väl känt att plasmoniska absorptionen är linjärt proportionell mot exciteringsintensiteten vid låga intensitetsnivåer. När excitation är stark nog, absorptionen når mättnad. Intriguingly vid högre intensiteter, ökar absorptionen igen. Dessa ickelinjära effekter kallas mätt absorption (SA) ^15-17 och omvända mätt absorption (RSA) ^18, respektive.

Det är känt att på grund av LSPR, är särskilt stark i plasmoniska strukturer spridning. Baserat på grundläggande elektromagnetism, bör svaret från spridning kontra infallande intensitet vara linjär. Men i nanopartiklar, spridning och absorption är nära kopplade via Mie teori, och båda kan vara expressed i termer av verkliga och imaginära delarna av den dielektriska konstanten. Under antagandet att en enda GNS uppför sig som en dipol under ljusbelysning, kan spridningskoefficienten (Q _SCA) och absorptionskoefficienten (Q _abs) från en enda plasmoniska nanopartikel enligt Mie teorin uttryckas som ¹⁹

där x är 2 πa / λ, är en radie av sfären, och m ² är ε _m / ε _d. Här, ε _m och ε _d motsvarar de dielektriska konstanterna hos metallen och av de omgivande dielektrika, respektive. Eftersom formen av spridningskoefficienten är liknande den i: tee absorptionskoefficient är det därför förväntas följa mättningsbar spridning i en enda plasmoniska nanopartiklar ^20.

Nyligen var olinjära mättnadsbar spridning i en isolerad plasmoniska partikel demonstreras för första gången ^21. Det är anmärkningsvärt att i djup mättnad, spridningsintensiteten i själva verket minskade något när excitationsintensiteten ökat. Ännu mer anmärkningsvärt, när exciteringsintensiteten fortsatte öka efter spridningen blev mättad, spridningsintensiteten steg igen, som visar effekten av omvänd mättningsbar scattering ^20. Wavelength- och storleksberoende studier har visat ett starkt samband mellan LSPR och olinjära spridning ^21. Intensiteten och våglängds beroenden av plasmoniska spridning är mycket liknar absorption, vilket tyder på en gemensam mekanism bakom dessa icke-linjära beteenden.

När det gäller tillämpningar, är det väl known att olinjäritet bidrar till att förbättra optisk mikroskopi upplösning. År 2007, mättad excitation (SAX) mikroskopi föreslogs, vilket kan öka upplösningen genom att extrahera den mättade signal via en tidssinusformad modulering av excitationsstrålen ^22. SAX mikroskopi är baserad på konceptet att, för en laser fokalpunkt är intensiteten starkare vid centrum än vid periferin. Om signalen (antingen fluorescens eller spridning) uppvisar mättnadsbeteende måste mättnads ​​starta från mitten, medan den linjära responsen förblir vid periferin. Därför, om det finns en metod för att extrahera endast den mättade delen, kommer det att lämna endast den centrala delen medan den avvisar den perifera delen, vilket effektivt förbättrar den rumsliga upplösningen. I princip finns det ingen lägre upplösningsgränsen i SAX-mikroskopi, så länge som djup mättnad uppnås och det finns inget prov skada på grund av intensiv belysning.

Det har visats att Upplösning in av fluorescens avbildning kan förbättras avsevärt genom att använda SAX-tekniken. Lider emellertid fluorescensen från fotoblekning effekten. Kombinera upptäckten av spridnings olinjäritet och begreppet SAX, kan super-resolution mikroskopi baserad på spridning realiseras ^21. Jämfört med konventionella superupplösnings microscopies tillhandahåller spridningsbaserade tekniken en ny icke-blekkontrastmetod. I detta dokument är en steg-för-steg-beskrivning som ges för att beskriva de förfaranden som krävs för att erhålla och extrahera olinjäritet plasmoniska spridning. Metoder för att identifiera spridnings olinjäriteter som infördes genom att ändra den infallande intensitet beskrivs. Mer information kommer att ges att reda ut hur dessa olinjäriteter påverkar bilder av enskilda nanopartiklar och hur spatial upplösning kan förbättras i enlighet med SAX-tekniken.

Protocol

1. GNS Provberedning Innan du förbereder provet Sonikera 1 ml GNS kolloid lösning under minst 15 minuter vid ca 40 kHz för att förhindra partikelaggregation, vilket kan leda till att LSPR toppen att flytta. Drop 100-200 il GNS kolloid på ett objektglas med kommersiell magnesiumaluminiumsilikat (MAS) beläggning för att fixera GNSS. Efter minst en minut, ta bort den extra kolloiden genom spolning med destillerat vatten. Väntetiden beror på den erforderliga täthetsfördelningen av G…

Representative Results

Figur 6 visar det uppmätta spektrat från en 80 nm GNS. En beräknad kurva baserad på Mie teorin ges i samma tomt, visar utmärkt överensstämmelse. Den LSPR toppen är cirka 580 nm. I följande experiment, laservåglängden var 532 nm, som valdes eftersom det ligger inne i plasmoniska bandet för att öka optisk spridning med plasmoniska effekt och möjliggöra spridning mättnad 21. Figur 7 presenterar spridnings bilder av en enda guldnanopar…

Discussion

I protokollet finns det flera viktiga steg. Först när framställning av proverna, tätheten av nanopartiklar bör inte vara för hög, för att undvika plasmoniska koppling mellan partiklar. Om två eller flera partiklar är mycket nära varandra, kopplingsresulterar i LSPR våglängden skiftar mot längre våglängder, vilket avsevärt minskar olinjäritet. Men denna avbildningsteknik faktiskt kartor fördelningen av plasmoniska lägen, i stället för själva partiklarna. Därför förväntas det att med en lämplig…

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