Вимірювання нелінійності розсіювання з одного протоколу плазмонічних наночастинок (пер
Вступ
Відомо, що завдяки LSPR дифузія особливо сильна в плазмонній структурі. Виходячи з фундаментального електромагнетизму, реакція розсіювання на інтенсивність падаючого має бути лінійною. Однак у наночастинках дифузія та поглинання тісно пов'язані між собою теорією Мі, і обидва вони можуть бути виражені через дійсну та уявну частини діелектричної проникності. Припускаючи, що одиничний ГНС поводиться як диполь при світловому освітленні, коефіцієнт розсіювання (Q SCA) та коефіцієнт поглинання (Q abs) з однієї плазмонової наночастинки згідно теорії Мі можна виразити як 19
де x дорівнює 2 πa/λ, a - радіус сфери, а m 2 - ε m/ε d. Тут ε та ε m d відповідають діелектричним константам металу та навколишнім діелектрикам відповідно. Оскільки форма коефіцієнта дифузії подібна до форми коефіцієнта поглинання e, отже, очікується спостереження насичуваної дифузії в одній плазмонній наночастинці.
Нещодавно вперше було продемонстровано нелінійне насичуване розсіяння в ізольованій частині плазмону 21. Примітно, що при глибинному насиченні інтенсивність розсіювання насправді трохи зменшується із збільшенням інтенсивності збудження. Ще більш примітно, коли інтенсивність збудження продовжувала зростати після насичення розсіювання, інтенсивність розсіювання знову зросла, демонструючи ефект насичуваного зворотного розсіяння 20. У дослідженнях довжини хвилі та довжини хвилі залежність від розміру показала сильну взаємозв'язок між LSPR та нелінійним розсіянням 21. Залежності інтенсивності та довжини хвилі плазмонного розсіювання дуже схожі на поглинання, що вказує на загальний механізм, який недостатньо розширює ці нелінійні способи поведінки.
Що стосується додатків, добре відомо, що нелінійність допомагає поліпшити роздільну здатність світлової мікроскопії. У 2007 році була запропонована мікроскопія насиченого збудження (SAX), яка може покращити роздільну здатність шляхом вилучення насиченого сигналу за допомогою тимчасової синусоїдальної модуляції пучка збудження 22. Мікроскопія SAX базується на концепції, що для фокусу лазера інтенсивність сильніша при в центрі, ніж на периферії. Якщо сигнал (або флуоресценція, або розсіювання) виявляє поведінку насичення, насичення повинно починатися з центру, тоді як лінійна реакція залишається на периферії. Отже, якщо існує спосіб вилучення лише насиченої частини, залишається лише центральна частина, відкидаючи периферійну частину, тим самим ефективно покращуючи просторову роздільну здатність. В принципі, нижня межа роздільної здатності в мікроскопії SAX відсутня, доки досягається глибоке насичення і немає пошкодження зразка через інтенсивне освітлення.
Було показано, що роздільна здатність флуоресцентної візуалізації може бути значно покращена за допомогою техніки SAX. Однак флуоресценція страждає від ефекту фотовідбілювання. Поєднуючи відкриття нелінійності розсіювання та концепцію SAX, можна виконати мікроскопію з надвисокою роздільною здатністю на основі дифузії 21. Порівняно з класичною мікроскопією з надвисокою роздільною здатністю, що базується на техніці дифузії, - забезпечується новий процес невідбілювального контрасту. У цій статті подано покроковий опис, що описує процедури, необхідні для отримання та вилучення нелінійності з плазмонного розсіювання. Описано методи виявлення нелінійностей, введених дифузією, що змінює інтенсивність падаючої дії. Буде надано більше деталей, щоб розкрити, як ці нелінійності впливають на зображення поодиноких наночастинок і як просторову роздільну здатність можна відповідно поліпшити за допомогою техніки SAX.
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Протокол
1. Підготовка зразка ГНС
2. Вирівнювання побудованого вдома конфокального мікроскопа
3. Характеристика нелінійної дифузії
4. Вимірювання розсіювання спектра однієї золотої наносфери
5. Вирівнювання мікроскопа SAX
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Репрезентативні результати
На рисунку 6 показано спектр, виміряний від 80 нм ГНС. Крива, розрахована на теорію Мі, подана в тому ж графіку, що показує чудову згоду. Пік порядку LSPR 580 нм. У наступному експерименті довжина хвилі лазера становила 532 нм, що було обрано тому, що він знаходиться всередині плазмонної смуги для посилення оптичного розсіяння з плазмонічним ефектом і для забезпечення розсіювання насичення 21.
На рисунку 7 представлено розсіює зображення однієї наночастинки золота при різній інтенсивності збудження, а нижній ряд забезпечує профіль лінії кожної частинки, щоб підкреслити нелінійність. Розмір зображення - 600 нм х 600 нм, а піксель - 13,8 нм. Швидкість збору становила 234000 пікселів на секунду в звичайному режимі зображення xy. Кожне зображення було усереднено за п’ять придбань для поліпшення співвідношення сигнал/шум.
Коли інтенсивність збудження менше 1,5 × 10 6 Вт/см 2, дисперсія лінійно залежить від інтенсивності збудження, так що отримане зображення однієї наночастинки нагадує ФПП пучка збудження зі стандартним гауссовим профілем. Однак, коли інтенсивність збудження зростає до 1,7 × 10 6 Вт/см 2, спостерігається не тільки згладжування свинцю попереду PSF, але і розширення ШІМ, що свідчить про насиченість. Дуже цікаво, що трохи при більшій інтенсивності центральна інтенсивність стає нижчою, ніж периферійна, що призводить до PSF у формі пончика. Потім, коли інтенсивність збудження продовжує зростати, інтенсивність розсіювання знову зростає, виявляючи зворотну насиченість і приводячи до нового піку в центрі PSF.
Побудувавши графік центральних інтенсивностей ФПП при різній інтенсивності збудження, отримують залежність від інтенсивності розсіювання, як показано точками звичайно фігуру 8. Ця крива чітко виявляє тенденції у поведінці насичення та зворотного насичення. Як і очікувалось, це дуже схоже на залежність інтенсивності поглинання від 15 до 17 нелінійних. Дотримуючись типового методу нелінійного аналізу поглинання, для підбору результату нелінійного розсіяння була використана поліноміальна функція. Однак, на відміну від більшості досліджень нелінійного поглинання, в яких нелінійності третього порядку достатньо для моделювання результатів, тут нелінійність п'ятого порядку потрібна для кращого реагування на криву дифузії.
Як згадувалося в розділі 5, гармонійні частотні компоненти можуть бути витягнуті експериментально за допомогою підсилювача із замиканням, а результати наведені на рисунку 9А. З іншого боку, гармонійні компоненти можна розрахувати за малюнком 8. Спочатку використовуйте поліноміальну функцію, де I - інтенсивність збудження, щоб відповідати рисунку 8, отже, ми маємо параметри регулювання α, β, γ. Тоді ми можемо виразити інтенсивності збудження як часово модульовану функцію I (t) = I 0 (1 + cos (2 πf mt))/2, де t - час, fm - частота модуляції, а I 0 - максимальне збудження інтенсивність. Підставивши I (t) в S (I) і виконавши перетворення Фур'є для перетворення результуючої S (I (t)) в частотну область, ми отримаємо таке рівняння, складене з безлічі функцій дельти (A):
Коефіцієнт кожної дельта-функції (A 0, A 1, A 2 тощо) представляє амплітуду сигналу SAX на відповідній гармонійній частоті. Ці коефіцієнти, які відповідають силам сигналу SAXL при різних гармоніках, можна записати як функції параметрів регулювання a, ß, γ .
Результати розрахунків представлені в малюнок 9B. Експериментальні та обчислювальні графіки дуже придатні, особливо в наступних двох аспектах.
По-перше, криві 2m f та 3m f не є плавними, показуючи падіння з певною інтенсивністю на кривих. В обох цифрах на кривих m 2 f є три занурення, тоді як у кривих 3 m f спостерігаються два занурення. По-друге, схили різні за інтенсивністю збудження. Коли інтенсивність збудження не висока, нахили 1 м f, f 2 м та f 3 м становлять 1, 2, 3 та відповідно. Однак після кожного занурення нахили відповідних нелінійних кривих стають більшими.
Цифри 10В і 10 ° С показати розраховані PSF для сигналів 2 f m і 3 m f відповідно, при відповідних інтенсивностях, які призводять до форми пончиків. Розрахунки базувались на підгонці поліноміальної кривої звичайно фігуру 9В. Криві обчислюють і відтворюють характеристики експериментальних ФПП в самих крайніх правих панелях в малюнок 10А, ще раз підтверджуючи актуальність поліноміальної адаптації п'ятого порядку для нелінійної дифузії.
Рисунок 1. SEM-зображення GNSS. Виконуючи методи підготовки, описані в першій частині протоколу, спостерігаються достатньо відокремлені ГНСС. Понад 100 нм між GNSS, їх ефекти LSPR не пов'язані між собою. Шкала шкали:. 100 нм Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 3. Установка мікроскопії SAX. Більшість компонентів збігаються з компонентами, отриманими з конфокального мікроскопа (червоний прямокутник), але синусоїдальна модуляція була додана до лазера збудження. Синій прямокутник позначає модуль конфігурації tor. Спочатку лазер збудження був розділений на два пучки і направлений окремо від двох АОМ для створення високочастотних модуляцій з дещо різними частотами. Потім два модульовані пучки об'єднали, щоб отримати синусоїдальну модуляцію на частоті ударів між двома AOM. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 4. Модуляція комбінованих променів після АОМ, виміряних осцилографом. Y1 та Y2 позначають максимальні (52,1 мВт) та мінімальні (1,2 мВт) значення інтенсивності модуляції відповідно. Y2 повинен бути нульовим для досягнення ідеальної модуляції. Струм модуляції частоти становить 10 кГц. Клацніть тут, щоб переглянути велику R-версію цього малюнка.
Рисунок 5. Перевірка лінійності системи виявлення. Розмістивши покривне скло у фокальній площині, відбиття лазера збудження від інтерфейсу скло/повітря було використано для перевірки лінійності установки виявлення. Вихідний сигнал щодо інтенсивності збудження демонструє меншу лінійність, ніж значення зчитування 1 В. Крім того, рівень шуму значно нижче 10 -4 В, тому система забезпечує динамічний діапазон щонайменше 10 4. Будь ласка, натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Фігура 6. Спектр розсіювання 80 ГНС Нм. Червоні крапки вказують на експерименти, а чорна лінія - розрахунок з теорії Мі. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 7. Лінійне розсіяння зображень ГНС для зворотного насичення. У верхньому рядку показано зображення зворотного розсіювання, а в нижньому - профілі сигналів вибраних наночастинок при різній інтенсивності збудження. Чітко спостерігається перехід від лінійності від насичення до зворотного насичення. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 8.Інтенсивність трансляціїфункція інтенсивності збудження простої ГНС. Сині точки відповідають інтенсивності розсіювання в центрі ФПП при різній інтенсивності збудження, демонструючи дуже нелінійні реакції, включаючи насичення та зворотне насичення. Червона крива вказує на відповідність кривої на основі поліноміальної функції п'ятого порядку. (Зображення відтворені з посилання 25). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 9. Залежності інтенсивності сигналу SAF згідно (а) експерименту та (В) розрахунку. (А) Сигнали SAX отримували за допомогою блокування підсилювача, і кожна точка експериментальних даних в середньому становила чотири GNSS 80 нм. Штрихові лінії позначають нахили сигналу SAX 25. (B) Після протоколу 5 сигнали SAX обчислювали на основі п’ятого порядку полінома в фігуру 8. (Зображення відтворені за посиланням 25) Будь ласка, натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 10. Саксографічні зображення при різній інтенсивності збудження. (AT) експериментально спостерігали зображення Sax розміром 1 f m, 2 f m і 3 m f при різній інтенсивності збудження. Розмір пікселя становить 20 нм, а розмір кожного зображення - 750 нм х 750 нм. Профілі інтенсивності пончиків на 2 м і 3 f f m нанесені на крайні праві панелі. (B) Розрахований профіль зображення 2 f зображення м при 0,75 МВт/см 2. (VS) Розраховане зображення профілю 3 f на зображенні m при 1,1 МВт/см 2. (Зображення відтворені з посилання 25). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Обговорення
В принципі, роздільна здатність методів, що базуються на насиченні, які включають SAX та мікроскопію насиченого структурованого освітлення (SSIM) 26, не має нижньої межі, якщо може бути досягнута нелінійність високого порядку (компоненти високої гармонічної частоти). Однак на практиці роздільна здатність обмежується відношенням сигнал/шум (SNR), особливо при вилученні компонентів гармонічної демодуляції вищого порядку. Є кілька стратегій, які можуть покращити SNR. Наприклад, було показано, що частота модуляції сильно впливає на 27 SNR. Також можна поліпшити SNR, обчислюючи різницю в інтенсивності між ненасиченими та насиченими сигналами, щоб виділити лише насичений сигнал (рукопис, що готується).
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.