Măsurarea neliniarităților de împrăștiere dintr-un protocol unic de nanoparticule plasmonice (Traducere
Introducere
Se știe că datorită difuziei LSPR este deosebit de puternică în structurile plasmonice. Pe baza electromagnetismului fundamental, răspunsul de împrăștiere la intensitatea incidentului ar trebui să fie liniar. Cu toate acestea, în nanoparticule, difuzia și absorbția sunt strâns legate de teoria lui Mie și ambele pot fi exprimate în termeni de părți reale și imaginare ale constantei dielectrice. Presupunând că un singur GNS se comportă ca un dipol sub iluminarea luminii, coeficientul de împrăștiere (Q SCA) și coeficientul de absorbție (Q abs) dintr-o singură nanoparticulă plasmonică conform teoriei lui Mie pot fi exprimate ca 19
unde x este 2 πa/λ, a este raza sferei, iar m 2 este ε m/ε d. Aici, ε și ε m d corespund constantelor dielectrice ale metalului și respectiv dielectricilor din jur. Deoarece forma coeficientului de difuzie este similară cu cea a coeficientului de absorbție al lui e, se așteaptă deci să se observe difuzia saturabilă într-o singură nanoparticulă plasmonică.
Recent, împrăștierea neliniară saturabilă într-o particulă izolată de plasmon a fost demonstrată pentru prima dată 21. Este remarcabil faptul că, la saturația în profunzime, intensitatea împrăștierii scade de fapt ușor pe măsură ce intensitatea excitației crește. Și mai remarcabil, când intensitatea excitației a continuat să crească după ce s-a saturat împrăștierea, intensitatea împrăștierii a crescut din nou, arătând efectul de împrăștiere inversă saturabilă 20. În studiile privind lungimea de undă și lungimea de undă. 21. Dependențele de intensitate și lungime de undă ale împrăștierii plasmonului sunt foarte asemănătoare cu cele de absorbție, sugerând un mecanism comun care sub-extinde aceste comportamente neliniare.
În ceea ce privește aplicațiile, este bine cunoscut faptul că neliniaritatea ajută la îmbunătățirea rezoluției microscopiei cu lumină. În 2007, a fost propusă microscopia de excitație saturată (SAX), care poate îmbunătăți rezoluția prin extragerea semnalului saturat prin modulație temporală sinusoidală a fasciculului de excitație 22. Microscopia SAX se bazează pe conceptul că, pentru focalizarea laserului, intensitatea este mai puternică la centrul decât la periferie. Dacă semnalul (fie de fluorescență, fie de împrăștiere) prezintă un comportament de saturație, saturația ar trebui să înceapă de la centru, în timp ce răspunsul liniar rămâne la periferie. Prin urmare, dacă există o metodă pentru extragerea numai a părții saturate, doar partea centrală este lăsată în timp ce se aruncă partea periferică, îmbunătățind astfel efectiv rezoluția spațială. În principiu, nu există o limită inferioară a rezoluției în microscopia SAX, atâta timp cât saturația profundă este atinsă și nu există daune probei din cauza iluminării intense.
S-a demonstrat că rezoluția imaginii cu fluorescență poate fi îmbunătățită dramatic folosind tehnica SAX. Cu toate acestea, fluorescența suferă de efectul albirii fotologice. Combinând descoperirea non-liniarității de împrăștiere și a conceptului de SAX, se poate realiza microscopie de super-rezoluție bazată pe difuzie 21. Comparativ cu microscopiile clasice de super-rezoluție, bazate pe tehnica difuziei - oferă un nou proces de contrast fără albire. În acest articol, este dată o descriere pas cu pas care descrie procedurile necesare pentru a obține și extrage neliniaritatea din împrăștierea plasmonului. Sunt descrise metode de identificare a neliniarităților introduse prin difuzie modificând intensitatea incidentului. Vor fi furnizate mai multe detalii pentru a descoperi modul în care aceste neliniarități afectează imaginile nanoparticulelor unice și modul în care rezoluția spațială poate fi îmbunătățită în consecință prin tehnica SAX.
Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.
Protocol
1. Pregătirea probei GNS
2. Alinierea microscopului confocal construit la domiciliu
3. Caracterizarea difuziei neliniarității
4. Măsurarea împrăștierii unui spectru al unei singure nanosfere de aur
5. Alinierea microscopului SAX
Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.
Rezultate reprezentative
Figura 6 prezintă spectrul măsurat de la un GNS de 80 nm. O curbă calculată pe teoria lui Mie este dată în același grafic, arătând un acord excelent. Vârful este de ordinul LSPR 580 nm. În experimentul următor, lungimea de undă a laserului a fost de 532 nm, care a fost aleasă deoarece este situată în interiorul benzii plasmonice pentru a îmbunătăți împrăștierea optică cu efect plasmonic și pentru a permite împrăștierea saturației 21.
Figura 7 prezintă împrăștiați imagini ale unei singure nanoparticule de aur la diferite intensități de excitație, iar rândul de jos oferă profilul liniei fiecărei particule pentru a evidenția neliniaritatea. Dimensiunea imaginii este de 600 nm x 600 nm, iar dimensiunea pixelilor este de 13,8 nm. Viteza de achiziție a fost de 234.000 pixeli pe secundă în modul normal de imagine xy. Fiecare imagine a fost calculată în medie pe cinci achiziții pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot.
Când intensitatea excitației este mai mică de 1,5 × 106 W/cm 2, dispersia este liniar dependentă de intensitatea excitației, astfel încât imaginea rezultată a unei singure nanoparticule seamănă cu PSF-ul fasciculului de excitație, cu un profil gaussian standard. Cu toate acestea, atunci când intensitatea excitației crește la 1,7 × 106 W/cm2, se observă nu numai aplatizarea plumbului înaintea PSF, ci și lărgirea FWHM, indicând saturație. Foarte interesant, ușor la intensități mai mari, intensitatea centrală devine mai mică decât periferica, rezultând un PSF în formă de gogoasă. Apoi, pe măsură ce intensitatea excitației continuă să crească, intensitatea împrăștierii crește din nou, dezvăluind saturația inversă și rezultând un nou vârf în centrul PSF.