Diese Arbeit wurde durch die Knut und Alice Wallenberg Foundation, der schwedischen Forschungsrat und Chalmers Bereich Advance Nanowissenschaft und Nanotechnologie unterstützt.

<ol>
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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Das optische fallen Setup beschrieben in diesem Protokoll beruht auf einem kommerziellen umgekehrtes Mikroskop und rotes Laserlicht verwendet. Aber die beschriebenen Techniken sind vielseitig und können verwendet werden, um Zirkular polarisierte optische Pinzette um die meisten kommerziellen oder selbstgebauten Mikroskopen, beide aufrecht zu konstruieren und invertiert, mit nur geringfügigen Änderungen. Die Trapping-Laser-Wellenlänge kann in einem weit sichtbaren–-NIR-Spektrum gewählt werden, solange der Rest der optischen Komponenten und Detektoren sind funktionell bei diesem spezifischen Wellenlänge. Dennoch sollte bei der Auswahl einer Laserwellenlänge der Größe und der spektralen Nähe zu Resonanzen der Teilchen manipuliert werden betrachtet werden weil dadurch die optische fallen Kräfte und Drehung Leistung2,5, das Ausmaß der PHOTOTHERMISCHE Effekte1und die Fangmethoden Stabilität26. Wir haben bereits erfolgreich mit Zirkular polarisierten Laser Pinzette mit Laserwellenlängen von 660, 785, 830 und 1064 nm gearbeitet.
Eines der wichtigsten Komponenten des Setups optische fallen ist das Mikroskopobjektiv. Das Ziel dieses Protokolls ist ein trockener Ziel mit NA = 0,95. Die Verwendung eines trockenen Ziel ist experimentell eine einfachere Umsetzung des Setups; jedoch führt es zu optischen Aberrationen durch Brechung in den Sample-Zelle-Schnittstellen. Im vorliegenden Fall ist das Ergebnis einer leicht vergrößerten fokusfleck (~1.2 µm) im Vergleich zu der Beugungsgrenze (~0.4 µm), aber das ändert nicht deutlich die allgemeine oder rotary Performance der Plattform. Im Prinzip kann eine Vielzahl von Mikroskop Ziele verwendet, sofern sie gute Übertragung der Trapping-Wellenlänge, gute Polarisation Wartung und lange genug Arbeitsabstand Überfüllung durch ein Mikroskop-Deckglas und eine Schicht Wasser durchführen. Im Falle 2D Überfüllen kann die NA relativ niedrig, die das gesamte Experiment vereinfacht und bietet saubere zirkulare Polarisation im Fokus. Jedoch möglicherweise höhere Laserleistungen benötigt als bei einem hohen NA-Ziel. Nach unserer Erfahrung die beste Leistung für die Fallenjagd, Rotation und dunkel-Bereich Spektroskopie wird mit Zielen mit NA 0,7-0,95 gewonnen, aber es ist möglich, niedriger sowie höhere NA Ziele zu verwenden.
Um gute Photon Korrelation Messungen der Drehbewegung zu erhalten, braucht man ein schnellen ein-Pixel-Detektor. Wählen Sie einem Detektor mit einer Bandbreite von mindestens zwei, vorzugsweise, zehnmal höher als die erwarteten Drehfrequenz multipliziert mit der Entartung Formfaktor und eine hohe Empfindlichkeit bei der Fallenjagd Wellenlänge verwendet. Verstärkte Si Photodetektoren, single Photon counting APDs und PMTs wurden mit Erfolg in verschiedenen Setups in unseren Laboren verwendet. Weitere Informationen, zum Beispiel im Falle Steifigkeit erhalten Sie durch Messung und Analyse von Teilchen translatorische Verschiebung mit etablierten Techniken wie Kraft-Spektralanalyse-5. Eine Anzahl von vorhergehenden Publikationen beschreiben verschiedene Varianten dieser Technik38,39. DF-Spektroskopie kann durchgeführt werden, mit einer breiten Palette Freiraum- oder Faser gekoppelt, Spektrometer und die Wahl sollte auf die Spektralbereich und die Wellenlänge und die zeitliche Auflösung benötigt für die geplante Studie beruhen.
Wenn Sie eine Überfüllung Experiment durchführen, können zusätzliche Partikel versehentlich die Falle eingeben. Dies kann durch die Überwachung der Drehfrequenz, die stark aufgrund der Störung schwanken wird erkannt werden. Sichtprüfung von DF Mikroskopie kann verwendet werden, um das Vorhandensein eines zusätzlichen Partikels zu überprüfen, in welchem Fall die Bühne kann verschoben werden, um weitere Störungen zu vermeiden oder das Experiment muss neu gestartet werden.
Das oben beschriebene System ist eine einfache und effiziente Möglichkeit, 2D Entbindung und Rotation von metallischen Nanopartikeln zu realisieren. Jedoch für einige Anwendungen der zusätzliche Freiheitsgrad für Manipulation, die im Lieferumfang von 3D Trapping ist wichtig, und die aktuelle Konfiguration ist daher eine Einschränkung. 3D Entbindung und Rotation erreichbare möglicherweise jedoch durch den Einsatz gegen Vermehrung Laser Pinzette oder exotischere Trapping-Konfigurationen.
Obwohl die Teilchen und System-Parameter hier diskutiert optimiert werden können, um PHOTOTHERMISCHE Heizung unter ~ 15 K4zu reduzieren, kann der Temperaturanstieg verbunden mit plasmonische Anregung von Metall-Nanopartikeln in bestimmten problematisch sein Anwendungen. Eine mögliche Route in Richtung weiter Wärmereduktion soll hochbrechenden dielektrische Nanopartikel statt plasmonische Partikel verwenden. Solche Teilchen starke Mie-Typ Streuung Resonanzen zu unterstützen aber gleichzeitig geringe intrinsische Absorption Koeffizienten aufweisen. Wir haben in letzter Zeit kolloidales resonanten Si Nanopartikel herstellen, die in dieser Hinsicht40,41nützlich erweisen können.

Die Methoden in diesem Artikel vorgestellten repliziert in unserer bisherigen Arbeit-1 Studie zu nanoskaligen PHOTOTHERMISCHE Auswirkungen beeinflussen lichtgetriebenen gold Nanorod rotatorischen Motoren verwendet. Varianten der experimentelle Plattform wurde in mehreren Publikationen2,3,4,5,6,7,8, verwendet 9.
Optische Pinzette sind weit verbreitet für die Kontrolle von Position, Kraft und Impulssatz Transfer bei kleinen Längenskalen in Physik, Biologie und Technik10,11,12,13,14 . Angular Momentum von zirkular polarisiertem Licht durchgeführt kann für zusätzliche Motion Control eingesetzt werden, weil es ständig Drehmoment auf Eingeschlossene Objekte15übertragen. Durch die Kombination von optischer linear und Drehimpuls übertragen, ist es dann möglich, nicht-invasive rotary Nanomotors mit Potenzial für verschiedenste Anwendungen, wie z. B. Drug-Delivery in Einzelzellen16,17, nanoskaligen zu konstruieren Operation18und aktive Nanofluidics19, unter anderem.
Mit metallischen Nanopartikeln als das Thema Licht gesteuerte Manipulation, kann eine Nutzung der Vorteile lokalisierte Oberflächen Plasmon Resonanzen (LSPR), die bieten große optische Querschnitte, hohe Empfindlichkeit gegenüber Umweltveränderungen und großes Feld Verbesserungen20,21,22,23. Dies führte zu einer Fülle von Studien an der Grenze zwischen Plasmonik und optische Manipulation8,24,25,26,27. Die starke Licht-Materie-Wechselwirkung von LSPR zur Verfügung gestellt hat uns ermöglicht, eine Plattform zu entwerfen, wo Zirkular polarisierten Laser Pinzette gold Laptops bei Rekord Drehung Frequenzen in Wasser2Spin fahren können. Durch die Verfolgung der Brownschen Bewegung von einem rotierenden Nanorod, erhalten Sie detaillierte Informationen über seine Umgebung und Temperatur3,5. Gleichzeitige spektroskopische Analyse bietet eine zusätzliche unabhängige Quelle für Analyse lokaler Temperatur und die morphologische Stabilität des rotierenden Nanorod1. Eine Reihe von Systemen und Konfigurationen werden für die Untersuchung und Anwendung von Drehbewegung in optischen Pinzette, generieren wichtige Einblicke in das Feld15,28,29,30 , 31 , 32. jedoch die meisten dieser Studien behandelt haben Objekte einige Mikrometer im Durchmesser während eines einzigen Nanorod Zugang zu den Nanometer Größe Regime gibt. Darüber hinaus erfolgt wenn Gold verwendeten Laptops als rotary Nanomotor, Drehmoment effizient hauptsächlich über Streuung2,33. Dies verringert das Risiko der Überhitzung der eingeschlossene Partikel3,34,35.
In der folgenden Methode erläutern wir die erforderlichen Schritte zum Aufbau eines Systems in der Lage, effiziente optische fallen und Rotation von Metall-Nanopartikeln. Die gold Laptops als in diesen Studien haben hohe Streuung Querschnitte und der Strahlungsdruck erweist sich als stärker als die entgegenwirkende Neigungskraft in der Ausbreitungsrichtung. Um die Partikel in 3D noch zu beschränken, nutzen wir den Kräfteausgleich zwischen Coulomb-Abstoßung von einer Glasoberfläche und der Laser Streuung Kraft in der Ausbreitungsrichtung. Diese 2D-Trapping-Konfiguration erheblich erweitert die Palette der auffangbarer Teilchen im Vergleich zu standard 3D optische Pinzette, und es ist leicht kombinierbar mit dunkel-Bereich optische Bildgebung und Spektroskopie.
Ein gefangen und rotierenden Metall-Nanopartikel interagiert mit seiner Umgebung, und detaillierte Informationen zu dieser Interaktion ist in seiner Bewegung und spektralen Eigenschaften enthalten. Nach der Beschreibung wie man die Zirkular polarisierte optische Pinzette zu konstruieren, erläutern wir daher auch wie Instrumentierung für sondieren Rotations Dynamik und zur Messung der Spektren der Rayleigh-Streuung in den Versuchsaufbau zu integrieren. Das Ergebnis ist eine vielseitige Plattform für Studien von nanoskaligen Drehung Phänomene in der Physik, Chemie und Biologie.
Dieses Protokoll wird davon ausgegangen, dass der Forscher Zugang zu geeigneten kolloidales Metall-Nanopartikeln, vorzugsweise einzelne kristalline gold Laptops. Gold Laptops können von spezialisierten Unternehmen gekauft oder im Haus mit nass-Chemie Methoden synthetisiert werden. Die Laptops in unseren Experimenten verwendet wurden von der Saatgut-vermittelten Wachstum in ihr beschriebenen Methode Et Al. 2013-36. Es ist vorteilhaft, wenn die Morphologie und die optischen Eigenschaften der Nanopartikel gut charakterisiert, zum Beispiel mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und optische Aussterben Messungen. Abbildung 1 zeigt die Daten von solchen Messungen für repräsentative Nanorod Typen1aufgenommen.
Eine Gliederung des Protokolls lautet wie folgt: im ersten Abschnitt beschreiben wir die Konstruktion der optischen Pinzette basierend auf zirkulare Polarisation. Im zweiten Abschnitt beschreiben wir Gewusst wie: Extrahieren von Informationen aus dem Nanomotor durch Aufnahme seiner Rotations Dynamik und Streueigenschaften. Die Drehfrequenz wird der Brownschen Drehbewegung der eingeschlossene Partikel gemessen und Photon Korrelation Spektroskopie durch hervorstehende rückgestreute Laserlicht durch einen linearen Polarisator auf einem schnellen ein-Pixel-Detektor3gefiltert. Durch Anpassung der Daten an eine theoretische Autokorrelationsfunktion, kann die Drehfrequenz und die Abklingzeit der rotatorischen Brownschen Diffusion extrahierten2,3. Die optischen Eigenschaften der gefangen und rotierenden Nanopartikel sind mit Dunkelfeld-Spektroskopie, die ergänzende Informationen über das Teilchen und seine Umgebung bietet gemessen. Im dritten Abschnitt beschreiben wir die Versuchsdurchführung für die Fallenjagd und Rotation des gold Laptops.
Bis zu diesem Punkt beschriebene Protokoll ist ein einfach Weg zu einem funktionierenden Zirkular polarisierte optische Pinzetten-System für Nanopartikel Rotation. Allerdings treten manchmal Probleme, dass Nachfrage zusätzliche Aufmerksamkeit. Im vierten Abschnitt erläutern wir, ein paar der häufigsten Probleme, die wir kennen gelernt haben und wie sie zu lösen. Dazu gehören Fragen der Nanopartikel optischen Eigenschaften führt zu schlechten Falle Stabilität (4.1), geringe Drehung Frequenzen durch suboptimale Zirkularpolarisation durch Strahlteiler Doppelbrechung (4.2), verursacht von Nanopartikeln in der Glasoberfläche klebt aufgrund unzureichender Coulomb-Abstoßung (4.3) und Abweichung von den charakteristischen Autokorrelation Signal (4.4).

<table><tbody><tr><td>Gold nanoparticles</td><td></td><td></td><td>Purchased or home-grown</td></tr><tr><td>Commersial inverted microscope</td><td>Nikon</td><td>Eclipse TI</td><td></td></tr><tr><td>Trapping laser</td><td>Cobolt</td><td>Flamenco 05-01&amp;nbsp;</td><td>660 nm</td></tr><tr><td>Objective</td><td>Nikon</td><td>CFI Plan Apo Lambda 40X</td><td></td></tr><tr><td>Laser safety googles</td><td>Thorlabs</td><td>LG4</td><td></td></tr><tr><td>Assorted optomechanical components for mounting optics.</td><td></td><td></td><td>A range of mounts, posts and components from any company</td></tr><tr><td>Lens 1 Keplarian telescope</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-035-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Lens 2 Keplarian telescope</td><td>Thorlabs</td><td>LA1725-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>Silver coated mirrors</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Kinematic mirror mounts</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>Translation stage</td><td>Thorlabs</td><td>PT1/M</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>50/50 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21000</td><td></td></tr><tr><td>CMOS camera</td><td>Andor</td><td>Zyla 5.5</td><td></td></tr><tr><td>Quarter waveplate (QWP, &amp;lambda;/4)</td><td>Thorlabs</td><td>AQWP05M-600</td><td></td></tr><tr><td>Power meter</td><td>Thorlabs</td><td>PM100USB</td><td></td></tr><tr><td>Photodiode Power Sensors</td><td>Thorlabs</td><td>S121C</td><td></td></tr><tr><td>Linear polarizer</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td>For laser polarization measurement</td></tr><tr><td>360&amp;deg; rotation mount</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>Half waveplate (HWP, &amp;lambda;/2)</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-600</td><td>Used if polarization is not sufficient with only QWP</td></tr><tr><td>Oil DF condenser</td><td>Nikon</td><td>C-DO Dark Field Condenser Oil&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>30/70 R/T Beamsplitter</td><td>Chroma</td><td>21009</td><td></td></tr><tr><td>Fast Si detector</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Data Acquisition Module</td><td>National Instruments</td><td>USB-6361</td><td></td></tr><tr><td>Fiber 400 &amp;micro;m core size</td><td>Thorlabs</td><td>M74L01</td><td></td></tr><tr><td>xy-translation mount</td><td>Thorlabs</td><td>LM1XY/M</td><td></td></tr><tr><td>Linear polarizer</td><td>Thorlabs</td><td>LPVIS050</td><td></td></tr><tr><td>Spectrometer</td><td>Princeton Instruments&amp;nbsp;</td><td>IsoPlane SCT320&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>CCD camera for spectrometer</td><td>Princeton Instruments&amp;nbsp;</td><td>PyLoN&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Notch filter</td><td>Semrock</td><td>NF03-658E-25</td><td></td></tr><tr><td>Notch filter</td><td>Thorlabs</td><td>NF658-26</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic cleaner bath</td><td>Branson</td><td>Branson 3510&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Microscope slide</td><td>Ted Pella</td><td>260202</td><td></td></tr><tr><td>No. 1.5 Coverslips</td><td>VWR</td><td>630-2873</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Basic detergent</td><td>Hellma</td><td>Hellmanex III</td><td>Cleaning if particle sticking is an issue</td></tr><tr><td>Secure-Seal Spacer</td><td>Thermo Fisher</td><td>S24735</td><td>Spacer tape with hole, for making sample cell</td></tr><tr><td>Immersion Oil</td><td>Zeiss</td><td>444960-0000-000&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PS beads</td><td>Microparticles GmbH</td><td>PS-R-5.0</td><td></td></tr><tr><td>Spectrophotometer</td><td>Agilent</td><td>Cary 5000 UV-Vis-NIR</td><td></td></tr><tr><td>SEM</td><td>Zeiss</td><td>Ultra 55 FEG SEM</td><td></td></tr><tr><td>Tweezers</td><td></td><td></td><td>Any brand</td></tr></tbody></table>

construction and operation of a light-driven gold nanorod rotary motor system

Die Möglichkeit zu generieren und zu messen, Rotation und Drehmoment im Nanobereich ist von fundamentalem Interesse für die Untersuchung und Anwendung von biologischen und künstlichen Nanomotors und kann neue Wege zur einzigen Zellanalyse, Studien von nicht-Gleichgewichts Thermodynamik und mechanische Betätigung von nanoskaligen Systemen. Ein facile lässt sich Laufwerk Drehung fokussierte zirkular polarisiertem Laserlicht in optischen Pinzette verwenden. Mithilfe dieses Ansatzes können metallische Nanopartikel als hocheffiziente Streuung-driven rotatorischen Motoren drehen auf noch nie da gewesenen Drehung Frequenzen in Wasser betrieben werden.
In diesem Protokoll wir skizzieren, den Bau und Betrieb von Zirkular polarisierte optische Pinzette für Nanopartikel Rotation und die Instrumentierung benötigt für die Aufnahme der Brownschen Dynamik und Rayleigh-Streuung des eingeschlossenen Partikels zu beschreiben. Die Drehbewegung und die Streuung Spektren bietet unabhängige Informationen über die Eigenschaften der Nanopartikel und seiner unmittelbaren Umwelt. Die experimentelle Plattform hat als nanoskopische Gradmesser für Viskosität und Temperatur, für die Verfolgung von morphologischer Veränderungen von Laptops und molekulare Beschichtungen sowie als Wandler und Sonde PHOTOTHERMISCHE und thermodynamische Prozesse bewährt.

Die Rotation und rotatorischen Brownsche Bewegung von einer goldenen Nanorod, die ordnungsgemäß in die Zirkular polarisierte Laser-Pinzette gefangen ist kann durch die Aufnahme der Lichtstreuung intensitätsschwankungen (Abbildung 3a) mit einem ein-Pixel-Detektor sondiert werden. Eine Autokorrelation Spektrum dieses Signal enthält eine oszillierende Komponente, ähnlich dem in Abbildung 3 bgezeigt. Das kann zu einer theoretischen Autokorrelationsfunktion passen. Das Fitting ermöglicht Extraktion von der Drehfrequenz und die Autokorrelation Decay-Zeit, bezogen auf den Rotations Brownschen Schwankungen, von der Nanorod.
Wie im Protokoll (Unterweisung 4.4.2) erwähnt, ist es unerlässlich, eine ausreichend Dicke Faserkern zu verwenden, um das rückgestreute Laserlicht Photon Korrelation Spektroskopie zu sammeln. Wenn dies nicht der Fall ist, wird ein zusätzliche Zerfall Begriff im Zusammenhang mit Partikel-Übersetzung in und aus der Sonde Volumen in die Korrelationsfunktion vorhanden sein, siehe Abbildung 4. Durch sorgfältige Analyse könnte dies mehr Informationen über das System zur Verfügung stellen; Allerdings erschwert es die Analyse der rotatorischen Brownschen Dynamik in den Daten enthaltenen.
Um korrekte DF Streuung Spektren von eingeschlossenen Nanopartikel zu erhalten, wie in Abschnitt 3.5 beschrieben, die spektrale Rohdaten kalibriert werden müssen. Dies geschieht durch Aufnahme der Beleuchtung Lampe Spektrum sowie ein Hintergrund-Spektrum (Abb. 5a). Beim intensivem Laserlicht an einer Glasoberfläche, wie das Substrat fokussieren, wogegen die Laptops gefangen sind, könnten einige Fluoreszenz erzeugt werden (siehe die rote spektrale Beitrag im Hintergrund Spektrum der Abb. 5a). Diese Fluoreszenz-Kontamination kann reduziert werden, mithilfe von Fused-Silica-Substrate. Aber auf jeden Fall empfiehlt es ein Hintergrund-Spektrum mit leeren optischen Pinzette in die richtige Laserleistung aufzunehmen. Wenn eine Streuung-Spektrum aufgenommen und haben alle spektralen Anteile, die nicht im Zusammenhang mit der tatsächlichen Nanopartikel Streuung ausgeglichen worden, denn das Spektrum in Energie Skala mit einer Bi-Lorentzian passende Funktion eingebaut werden kann, um Informationen zu extrahieren in Bezug auf die LSPR Peak Positionen (Abb. 5 b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> Abbildung 1: REM-Bilder und Ensemble Aussterben Spektren für zwei repräsentative Nanopartikel Chargen. ein) Maßstabsleiste beträgt 200 nm. b) blau/rot umrandet SEM Bilder in einem) entsprechen bzw. das rot/blau-Spektrum. Die spektrale Gipfel im Zusammenhang mit den quer und längs LSPRs sind deutlich zu unterscheiden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> Abbildung 2: Schematische Darstellung der optischen Pinzette Setup für Nanopartikel Drehung Messungen. Laserlicht ist kollimiert und erweitert durch ein Keplerschen Fernrohr und anschließend zu welchem Zweck durch den Einsatz von zwei beweglichen spiegeln (M1, M2) und einem Strahlteiler (BS) geführt. Zwei wellenplatten im Laser Pfad optimieren die zirkulare Polarisation der optischen Pinzette (λ/2, λ/4). Rückgestreute Laserlicht kann nach einer linearen Polarisator für Photon Korrelation Spektroskopie und rotatorischen Dynamik Messungen erfasst werden. Nach dem Entfernen des Laser-Lichts, wird weißer Streulicht zu einem Spektrometer oder einer Kamera geführt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> Abbildung 3: Repräsentative Intensität und Autokorrelation Daten mit Kurve fit für einen gefangen und rotierende Nanorod. eine) Intensitätsschwankungen nach einen linearen Polarisator für 1 s und einem vergrößerten Grundstück von den Schwankungen der einzelnen Pixel Detektor aufgezeichnet. b) autokorreliert Intensität Schwankungsbreite eines rotierenden gold Nanorod (blaue Punkte), rückgestreute Laserlicht gesammelten Daten. Die Daten zeigen eine Schwingung, die nach einigen Perioden zerfällt. Die Schwingung bezieht sich auf die Drehfrequenz des Nanorod, während der Zerfall durch Brownsche Drehbewegung ist. Eine Passform, die theoretische Autokorrelationsfunktion erfolgt (rote Linie) eine Drehfrequenz f extrahieren = 24285 ± 45 Hz und eine Korrelation zerfallen Zeit τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. Die f und τ0 Unsicherheiten stellen 95 %-Konfidenzintervall des Fit, hat ein Bestimmungskoeffizient (R2) des 0.9877. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> Abbildung 4: Problem mit einem zu kleinen Sonde Volumen in Photon Korrelation Spektroskopie Messungen. ein) Autokorrelation Datenerhebung für eine rotierende gold Nanorod mit einem dicken (400 µm, blau Daten) und eine dünne (62,5 µm, rote Daten) Faser. Sammlung mit einer dicken Faser sorgt dafür, dass die Nanorod immer in der Sonde Volumen begrenzt ist und die Autokorrelationsfunktion Rotations Dynamik nur misst. Eine zusätzliche Zerfall Sicht aufgrund der translationalen Brownsche Bewegung liegt vor, wenn die Sonde Volumen nicht ausreicht. In b) und c), schematischen Abbildungen des Effekts und Bilder von der Rückseite beleuchtet Sammlung Region gezeigt. Maßstabsleisten sind 2 µm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> Abbildung 5: beispielhafte Dunkelfeld Streuung Spektren aufgenommen für ein gold Nanorod optisch von 660 nm Laserlicht gefangen. Im Spektralbereich 630-670 nm (1,85-1,97 eV) aufgrund von Notch-Filter benötigt, um das Überfüllen Laserlicht zu blockieren verzerrt ist. ein) Raw Streuung Spektren (dunkelblau) Merkmale, die sind nicht die Streuung des Teilchens und sollte für kalibriert werden. Dazu gehören das Hintergrund-Spektrum (rot), die Autofluoreszenz aufgeregt durch das stark gebündelte Laserlicht enthält, und die weiße leichte Anregungsspektrums (Orange, ohne Notch-Filter aufgenommen). Nach der Kalibrierung zeigt das korrigierte Streuung Spektrum (hellblau) zwei unterschiedliche LSPR Gipfel, wie erwartet. Die Pfeile zeigen den Maßstab für jedes Spektrum. b) Streuung Spektrum für eine eingeschlossene Nanorod (blaue Punkte) sowie eine Anpassung an die Bi-Lorentzian Modellfunktion (rot) mit seinen Komponenten (hellblau und Orange). Die verzerrte Spektralbereich ist in der Anordnung der Daten nicht berücksichtigt und die Passform hat einen R-2 des 0.9975. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

Plasmonische gold Laptops können in Flüssigkeiten gefangen und bei kHz Frequenzen mit Zirkular polarisierte optische Pinzette gedreht. Einführung von Brownsche Dynamik Analyse-und leichte Scatteringspectroscopy führt auf ein leistungsfähiges System für Forschung und Anwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft.

Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

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8.7K Aufrufe.  Chalmers University of Technology. Plasmonische gold Laptops können in Flüssigkeiten gefangen und bei kHz Frequenzen mit Zirkular polarisierte optische Pinzette gedreht. Einführung von Brownsche Dynamik Analyse-und leichte Scatteringspectroscopy führt auf ein leistungsfähiges System für Forschung und Anwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft.

Serie: Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Forschung

Ingenieurwesen

Preparation of ZnO Nanorod/Graphene/ZnO Nanorod Epitaxial Double Heterostructure for Piezoelectrical Nanogenerator by Using Preheating Hydrothermal

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we describe a one-step fabrication technique to synthesis freestanding ZnO nanorod/graphene/ZnO nanorod double heterostructure. The preparation of the double heterostructure is performed by using thermal chemical vapor deposition (CVD) and preheating hydrothermal technique. In addition, the morphological properties were characterized by using the scanning electron microscopy (SEM). The utility of freestanding double heterostructure is demonstrated by fabricating the piezoelectric nanogenerator. The electrical output is improved up to 200% compared to that of a single heterostructure owing to the coupling effect of the piezoelectricity between the arrays of ZnO nanorods on the top and bottom of graphene. This unique double heterostructure have a tremendous potential for applications of electrical and optoelectrical devices where the high number density and specific surface area of nanorod are needed, such as pressure sensor, immuno-biosensor and dye-sensitized solar cells.

One-step fabrication method for obtaining freestanding epitaxial double heterostructure is presented. This approach could achieve ZnO coverage with a higher number density than that of the epitaxial single heterostructure, leading to a piezoelectric nanogenerator with an increased output electrical performance.

Herstellung von ZnO-Nanostäbchen / Graphene / ZnO-Nanostäbchen Epitaxial Doppelheterostruktur für Piezoelektrische Nanogenerator mithilfe Vorwärmen Hydrothermale

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we ...

Design and Assembly of an Ultra-light Motorized Microdrive for Chronic Neural Recordings in Small Animals

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of neural circuits underlying a variety of natural behaviors, including navigation1 , decision making 2,3, and the generation of complex motor sequences4,5,6. Advances in precision machining has allowed for the fabrication of light-weight devices suitable for chronic recordings in small animals, such as mice and songbirds. The ability to adjust the electrode position with small remotely controlled motors has further increased the recording yield in various behavioral contexts by reducing animal handling.6,7
 Here we describe a protocol to build an ultra-light motorized microdrive for long-term chronic recordings in small animals. Our design evolved from an earlier published version7, and has been adapted for ease-of use and cost-effectiveness to be more practical and accessible to a wide array of researchers. This proven design 8,9,10,11 allows for fine, remote positioning of electrodes over a range of ~ 5 mm and weighs less than 750 mg when fully assembled. We present the complete protocol for how to build and assemble these drives, including 3D CAD drawings for all custom microdrive components.

The design, fabrication and assembly of an ultra-light motorized microdrive is described. The device provides a cost-effective and easy-to-use solution for chronic recordings of single units in small behaving animals.

Konstruktion und Montage eines Ultra-light Motorisierte Microdrive für chronische Neural Recordings in Kleintiere

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of ...

Neurowissenschaften

Production of Dynein and Kinesin Motor Ensembles on DNA Origami Nanostructures for Single Molecule Observation

Cytoskeletal motors are responsible for a wide variety of functions in eukaryotic cells, including mitosis, cargo transport, cellular motility, and others. Many of these functions require motors to operate in ensembles. Despite a wealth of knowledge about the mechanisms of individual cytoskeletal motors, comparatively less is known about the mechanisms and emergent behaviors of motor ensembles, examples of which include changes to ensemble processivity and velocity with changing motor number, location, and configuration. Structural DNA nanotechnology, and the specific technique of DNA origami, enables the molecular construction of well-defined architectures of motor ensembles. The shape of cargo structures as well as the type, number and placement of motors on the structure can all be controlled. Here, we provide detailed protocols for producing these ensembles and observing them using total internal reflection fluorescence microscopy. Although these techniques have been specifically applied for cytoskeletal motors, the methods are generalizable to other proteins that assemble in complexes to accomplish their tasks. Overall, the DNA origami method for creating well-defined ensembles of motor proteins provides a powerful tool for dissecting the mechanisms that lead to emergent motile behavior.

The goal of this protocol is to form ensembles of molecular motors on DNA origami nanostructures and observe the ensemble motility using total internal reflection fluorescence microscopy.

Produktion von Dynein und Kinesin Motor Ensembles auf DNA Origami Nanostrukturen für die Einzelmolekülbeobachtung

Cytoskeletal motors are responsible for a wide variety of functions in eukaryotic cells, including mitosis, cargo transport, cellular motility, and ...

Biochemie

Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging

The design and synthesis of a synthetic system that aims for the direct visualization of a synthetic rotary motor at the single molecule level on surfaces are demonstrated. This work requires careful design, considerable synthetic effort, and proper analysis. The rotary motion of the molecular motor in solution is shown by 1H NMR and UV-vis absorption spectroscopy techniques. In addition, the method to graft the motor onto an amine-coated quartz is described. This method helps to gain more insight into molecular machines.

The manuscript describes how to synthesize and graft a molecular motor on surfaces for single molecular imaging.

Lichtgetriebenen molekularen Motoren auf Oberflächen für einzelne molekulare Bildgebung

The design and synthesis of a synthetic system that aims for the direct visualization of a synthetic rotary motor at the single molecule level on surfaces ...

Chemie

Gold Nanorod-assisted Optical Stimulation of Neuronal Cells

Recent studies have demonstrated that nerves can be stimulated in a variety of ways by the transient heating associated with the absorption of infrared light by water in neuronal tissue. This technique holds great potential for replacing or complementing standard stimulation techniques, due to the potential for increased localization of the stimulus and minimization of mechanical contact with the tissue. However, optical approaches are limited by the inability of visible light to penetrate deep into tissues. Moreover, thermal modelling suggests that cumulative heating effects might be potentially hazardous when multiple stimulus sites or high laser repetition rates are used. The protocol outlined below describes an enhanced approach to the infrared stimulation of neuronal cells. The underlying mechanism is based on the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods, which can cause triggering of neuronal cell differentiation and increased levels of intracellular calcium activity. These results demonstrate that nanoparticle absorbers can enhance and/or replace the process of infrared neural stimulation based on water absorption, with potential for future applications in neural prostheses and cell therapies.

This protocol outlines how to use the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods to stimulate differentiation and intracellular calcium activity in neuronal cells. These results potentially open up new applications in neural prostheses and fundamental studies in neuroscience.

Gold-Nanostäbchenunterstützte optische Stimulation von Nervenzellen

Recent studies have demonstrated that nerves can be stimulated in a variety of ways by the transient heating associated with the absorption of infrared ...

Rapid, Scalable Assembly and Loading of Bioactive Proteins and Immunostimulants into Diverse Synthetic Nanocarriers Via Flash Nanoprecipitation

Nanomaterials present a wide range of options to customize the controlled delivery of single and combined molecular payloads for therapeutic and imaging applications. This increased specificity can have significant clinical implications, including decreased side effects and lower dosages with higher potency. Furthermore, the in situ targeting and controlled modulation of specific cell subsets can enhance in vitro and in vivo investigations of basic biological phenomena and probe cell function. Unfortunately, the required expertise in nanoscale science, chemistry and engineering often prohibit laboratories without experience in these fields from fabricating and customizing nanomaterials as tools for their investigations or vehicles for their therapeutic strategies. Here, we provide protocols for the synthesis and scalable assembly of a versatile non-toxic block copolymer system amenable to the facile formation and loading of nanoscale vehicles for biomedical applications. Flash nanoprecipitation is presented as a methodology for rapid fabrication of diverse nanocarriers from poly(ethylene glycol)-bl-poly(propylene sulfide) copolymers. These protocols will allow laboratories with a wide range of expertise and resources to easily and reproducibly fabricate advanced nanocarrier delivery systems for their applications. The design and construction of an automated instrument that employs a high-speed syringe pump to facilitate the flash nanoprecipitation process and to allow enhanced control over the homogeneity, size, morphology and loading of polymersome nanocarriers is described.

Nanomaterials provide versatile mechanisms of controlled therapeutic delivery for both basic science and translational applications, but their fabrication often requires expertise that is unavailable in most biomedical laboratories. Here, we present protocols for the scalable fabrication and therapeutic loading of diverse self-assembled nanocarriers using flash nanoprecipitation.

Schnelle, skalierbare Montage und Beladung von bioaktiven Proteinen und Immunstimulantien in diversen synthetischen darin über Flash-Nanoprecipitation

Nanomaterials present a wide range of options to customize the controlled delivery of single and combined molecular payloads for therapeutic and imaging ...

Biotechnik

Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats

Monitoring the activity patterns of a large population of neurons over many days in awake animals is a valuable technique in the field of systems neuroscience. One key component of this technique consists of the precise placement of multiple electrodes into desired brain regions and the maintenance of their stability. Here, we describe a protocol for the construction of a 3D-printable hyperdrive, which includes eighteen independently adjustable tetrodes, and is specifically designed for in vivo extracellular neural recording in freely behaving rats. The tetrodes attached to the microdrives can either be individually advanced into multiple brain regions along the track, or can be used to place an array of electrodes into a smaller area. The multiple tetrodes allow for simultaneous examination of action potentials from dozens of individual neurons, as well as local field potentials from populations of neurons in the brain during active behavior. In addition, the design provides for simpler 3D drafting software that can easily be modified for differing experimental needs.

We present the construction of a 3D-printable hyperdrive with eighteen independently adjustable tetrodes. The hyperdrive is designed to record brain activity in freely behaving rats over a period of several weeks.

Bau eine verbesserte Multi-Tuberkuloseinfektion Hyperdrive für groß angelegte neuronalen Aufnahme in Ratten Verhalten

Monitoring the activity patterns of a large population of neurons over many days in awake animals is a valuable technique in the field of systems ...

Hybrid Microdrive System with Recoverable Opto-Silicon Probe and Tetrode for Dual-Site High Density Recording in Freely Moving Mice

Multi-regional neural recordings can provide crucial information to understanding fine-timescale interactions between multiple brain regions. However, conventional microdrive designs often only allow use of one type of electrode to record from single or multiple regions, limiting the yield of single-unit or depth profile recordings. It also often limits the ability to combine electrode recordings with optogenetic tools to target pathway and/or cell type specific activity. Presented here is a hybrid microdrive array for freely moving mice to optimize yield and a description of its fabrication and reuse of the microdrive array. The current design employs nine tetrodes and one opto-silicon probe implanted in two different brain areas simultaneously in freely moving mice. The tetrodes and the opto-silicon probe are independently adjustable along the dorsoventral axis in the brain to maximize the yield of unit and oscillatory activities. This microdrive array also incorporates a set-up for light, mediating optogenetic manipulation to investigate the regional- or cell type-specific responses and functions of long-range neural circuits. In addition, the opto-silicon probe can be safely recovered and reused after each experiment. Because the microdrive array consists of 3D-printed parts, the design of microdrives can be easily modified to accommodate various settings. First described is the design of the microdrive array and how to attach the optical fiber to a silicon probe for optogenetics experiments, followed by fabrication of the tetrode bundle and implantation of the array into a mouse brain. The recording of local field potentials and unit spiking combined with optogenetic stimulation also demonstrate feasibility of the microdrive array system in freely moving mice.

This protocol describes the construction of a hybrid microdrive array that allows implantation of nine independently adjustable tetrodes and one adjustable opto-silicon probe in two brain regions in freely moving mice. Also demonstrated is a method for safely recovering and reusing the opto-silicon probe for multiple purposes.

Hybrid Microdrive System mit wiederherstellbarer Opto-Silikon-Sonde und Tetrode für Dual-Site High Density Recording in frei beweglichen Mäusen

Multi-regional neural recordings can provide crucial information to understanding fine-timescale interactions between multiple brain regions. However, ...

Biophysical Characterization of Flagellar Motor Functions

The role of flagellar motors in bacterial motility and chemotaxis is well-understood. Recent discoveries suggest that flagellar motors are able to remodel in response to a variety of environmental stimuli and are among the triggers for surface colonization and infections. The precise mechanisms by which motors remodel and promote cellular adaptation likely depend on key motor attributes. The photomultiplier-based bead-tracking technique presented here enables accurate biophysical characterization of motor functions, including adaptations in motor speeds and switch-dynamics. This approach offers the advantage of real-time tracking and the ability to probe motor behavior over extended durations. The protocols discussed can be readily extended to study flagellar motors in a variety of bacterial species.

Recent findings suggest that bacterial flagellar motors sense a variety of environmental signals and remodel in response. The bead-assays discussed here are expected to help explain the role of remodeling in cellular adaptation to environmental stressors.

Biophysikalische Charakterisierung von Flagellenmotors Funktionen

The role of flagellar motors in bacterial motility and chemotaxis is well-understood. Recent discoveries suggest that flagellar motors are able to remodel ...