この作品は、クヌートとアリス バレンベリー財団、スウェーデン研究評議会、事前ナノサイエンスとナノテクノロジーのチャルマーズ エリアによって支えられました。

<ol>
	<li>Andr&#233;n, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+photothermal+effects+on+optically+trapped+gold+nanorods+by+simultaneous+plasmon+spectroscopy+and+brownian+dynamics+analysis.">Probing photothermal effects on optically trapped gold nanorods by simultaneous plasmon spectroscopy and brownian dynamics analysis.</a> ACS Nano. 11 (10), 10053-10061 (2017).</li><li>Shao, L., Yang, Z. -. 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このプロトコルで記述されている光学トラップのセットアップは商業倒立顕微鏡周辺や赤色レーザー光を使用しています。ただし、記載されている技術は多目的で、最も商業的または自作顕微鏡、両方直立周り円偏光ピンセットを構築し、反転とのわずかな変化に使用することができます。光学部品および検出器の残りの部分は、この特定の波長で機能する限り、ワイド表示-近赤外スペクトル内トラップ レーザー波長を選択できます。それにもかかわらず、レーザーの波長を選択すると、サイズと操作される粒子の共鳴スペクトル近く考慮すべき光捕捉力と回転性能2、5に影響があるので光熱効果1、およびトラッピング安定性26の大きさ。我々 は以前正常に 660, 785, 830、1064 nm のレーザー光の波長を用いた円偏波レーザー ピンセットで働いています。
光学トラップのセットアップの最も重要なコンポーネントの 1 つは、対物レンズです。このプロトコルの目的は NA と乾燥系対物レンズ = 0.95。乾燥系対物レンズの使用は実験的、セットアップの簡単な実現しかし、それは、サンプル細胞インターフェイスの屈折による収差に します。今回のケースでは、結果は回折限界 (~0.4 μ m) と比較してわずかに拡大フォーカス スポット (~1.2 μ m) が、これはプラットフォームの一般的なまたはロータリー パフォーマンス大幅変わりません。プリンシパル、顕微鏡対物レンズの広い範囲を使用、トラッピング波長、良い偏光メンテナンスおよび顕微鏡カバー スリップと水の層を介してトラップを実行するのに十分な長さの作動距離で良好な伝送を持って提供することができます。2 D トラップの場合 NA でき比較的低が実験全体が簡単になりますフォーカスで円偏波クリーナーを提供します。ただし、高いレーザー高 NA 対物の場合よりも必要があります。我々 の経験では、トラッピング、最高のパフォーマンスで回転と暗視野の分光は、NA 0.7-0.95 の目的で取得されますが高いと同様に低 NA の目標を使用することが可能です。
回転運動の相関測定良い光子を取得、高速単一ピクセル検出器が必要です。少なくとも 2 つの帯域幅を検出器の選択、シェープファクター縮退とトラッピング波長に高い感度を乗じた予想回転数以上できれば 10 回使用します。増幅された Si 受光素子、単一光子計数 Apd、および光電子増倍管は、当社の研究所で異なる設定で成功を収めて使用されています。計測・粒子の並進変位パワー スペクトル解析5など十分に確立された技術を使用して分析し、たとえばトラップ剛性上の追加情報を取得できます。以前の出版物の数は、この技術38,39の異なる亜種をについて説明します。DF 分光法は、様々 なフリー スペースを使用して実行できますまたはファイバー結合分光と選択計画の研究に必要な時間分解能の波長とスペクトルの範囲に基づく必要があります。
トラップ実験を実行すると、追加のパーティクルは誤ってトラップを入力可能性があります。これは、障害により強く変動回転周波数を監視することで検出できます。DF 顕微鏡による目視検査が追加の粒子の存在を確認する使用できます、その場合さらに妨害を避けるために舞台を移動できるまたは実験は、再起動する必要があります。
上記システムは、2 D の閉じ込めと金属ナノ粒子の回転を実現するためにシンプルかつ効率的な方法です。ただし、一部のアプリケーション、3 D トラップに付属している操作のための余分な自由度が重要ですは、現在の構成制限。ただし、3次元閉じ込めと回転可能性があります達成可能なレーザー ピンセットやエキゾチックなトラップ構成を反映するカウンターを用いた。
粒子とシステムのパラメーターは、ここで説明は、4~ 15 K の下に暖房光熱を減らすように最適化することができます。、温度上昇の金属ナノ粒子のプラズモン励起に関連付けられている特定の問題が発生することができます。アプリケーション。さらに熱を低減可能なルートは、プラズモニック粒子ではなく高指数誘電体ナノ粒子を使用することです。このような粒子は強い三重型散乱光の共振をサポートが、同時に低固有の吸収係数を示します。我々 は最近この点40,41に有用証明するかもしれないコロイド状共振 Si のナノ粒子を製造することができた。

この記事で紹介した方法は、金ナノロッドの光駆動モータに影響を及ぼすナノスケール光熱効果を研究する私たちの前の作業1で使用されているレプリケートします。実験プラットフォームの亜種がいくつか出版物を関連付けた2,3,4,5,6,7,8、で使用されています9。
光ピンセットは広く物理学、生物学、工学10、11,12,13,14 の小さい長さのスケールの位置、力および直線的運動量伝達の制御に使用します。.円偏光によって運ばれる角運動量は、それは継続的に閉じ込められたオブジェクト15にトルクを伝達するため追加モーション コントロールを使用できます。組み合わせることで光の線形および角運動量の伝達、それは単一セル16,17ナノスケールに薬物送達などの多様なアプリケーションの可能性と非侵襲的なロータリー ナノモーターを構築することは、手術18、およびアクティブな流体素子19、他の中で。
光駆動操作の対象として金属ナノ粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴 (LSPR) 大きい光横断、環境の変化や大規模なフィールドに高い感度を提供するの利点を活用 1 つ強化20,21,22,23。これはプラズモニクスと光マニピュレーション8,24,25,26,27間界面研究の富をもたらした。LSPR によって提供される強力な光と物質の相互作用は、円偏光レーザー ピンセット、水2でレコードの回転周波数で回転する金属ナノロッドを駆動可能なプラットフォームを設計することになりました。回転ナノロッドのブラウン運動を追跡するには、その環境と温度の詳細については、3、5に取得できます。同時分光分析は、分析のローカル温度の追加独立した情報チャネルと回転ナノロッド1の形態安定性を提供します。システムおよび構成の範囲は勉強、光ピンセット、フィールド15,28,29,30内の重要な洞察力を生成する回転運動を適用するために使用されています。,31,32します。 ただし、これらの研究のほとんどを扱っているオブジェクト直径数 μ m 単一ナノロッドは、ナノメートル サイズの政体にアクセス中です。さらに、時金ナノロッドは、ロータリー ナノモータ、トルクとして使用される効率的に移転主を介して散乱2,33これは捕捉粒子3,34,35の過熱のリスクを減少させます。
次の方法で効率的な光トラッピングと金属ナノ粒子の回転の可能なシステムの構築に必要な手順の概要を説明します。これらの研究において金ナノロッド高散乱断面積、放射圧が伝播方向に取り消さない限り勾配力よりも強いことが判明します。まだ 3 D で粒子を閉じ込めて、ガラス面からのクーロン斥力と伝搬方向のレーザー散乱力バランス力を駆使します。この 2 D トラップ構成標準の 3 D 光学ピンセットと比較すると、トラップ可能な粒子の幅が大きく広がるし、暗視野イメージングと分光と簡単に組み合わせることができます。
閉じ込められ回転金属ナノ粒子はその環境を操作し、この相互作用の詳細については、その動きとスペクトル特性に含まれています。円偏光光ピンセットを構築する方法を説明した後したがってもまとめました回転ダイナミクスを探るため、実験のセットアップでレイリー散乱スペクトルを測定するための計測器を統合する方法。結果は、物理学、化学、生物学におけるナノスケール回転現象の研究のため汎用性の高いプラットフォームです。
このプロトコルでは、研究者に適したコロイド金属ナノ粒子、できれば単一結晶金ナノロッドにアクセスがあることを前提としています。金ナノロッドは、専門にされた会社から購入または湿式化学方法を使用して家の中を合成できます。実験に用いたナノロッドがあなたがたに記載されている種を介した成長法によって作られたet al.201336。形態とナノ粒子の光学特性がよく特徴付けられる、たとえば光消光測定、走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して場合有利です。図 1は、代表ナノロッドの種類1のような測定から記録されたデータを表示します。
プロトコルの概要は以下のとおりです: 最初のセクションで円偏波に基づく光学ピンセットの構築について述べる。2 番目のセクションでその回転力学および散乱特性を記録することによってナノモータから情報を抽出する方法について述べる。ローテーションの頻度と捕捉粒子の回転ブラウン運動によって測定される光子相関分光法を用いた反射レーザー光高速単一ピクセル検出器3の直線偏光子で濾過します。理論的自己相関関数にデータを書き込むことによって回転周波数と回転ブラウン拡散の減衰時間は、抽出された2,3をすることができます。閉じ込められ回転ナノ粒子の光学特性は、粒子とその環境に関する補足情報を提供する暗視野分光法を用いた測定されます。3 番目のセクションでのトラッピングと金ナノロッドの回転実験手順をについて説明します。
ここまで説明されているプロトコルは、ナノ粒子の回転の機能偏光ピンセット システムへの簡単なパスです。しかし、時々 問題が発生する追加の注意を要求します。4 番目のセクションでは、我々 は発生した一般的な問題のいくつかとそれらに対処する方法を概説します。これらの貧しいトラップ安定性 (4.1) につながるナノ粒子の光学特性に関連する問題があります、最適な円偏光ビームスプリッター複屈折 (4.2) によって引き起こされるため回転周波数を低ガラス面にナノ粒子の付着不十分なクーロン斥力 (4.3) と特徴的な自己相関信号 (4.4) からの偏差。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="935">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Gold nanoparticles</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td style="width:373px;">Purchased or home-grown</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:201px;">Commersial inverted microscope</td>
			<td style="width:167px;">Nikon</td>
			<td style="width:195px;">Eclipse TI</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:23px;width:201px;">Trapping laser</td>
			<td style="width:167px;">Cobolt</td>
			<td style="width:195px;">Flamenco 05-01&#160;</td>
			<td>660 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Objective</td>
			<td style="width:167px;">Nikon</td>
			<td style="width:195px;">CFI Plan Apo Lambda 40X</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Laser safety googles</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">LG4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:201px;">Assorted optomechanical components for mounting optics.</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td style="width:373px;">A range of mounts, posts and components from any company</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Lens 1 Keplarian telescope</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">AC254-035-A-ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Lens 2 Keplarian telescope</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">LA1725-A-ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Silver coated mirrors</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">PF10-03-P01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Kinematic mirror mounts</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td>KM100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Translation stage</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td>PT1/M</td>
			<td>Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">50/50 R/T Beamsplitter</td>
			<td style="width:167px;">Chroma</td>
			<td style="width:195px;">21000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">CMOS camera</td>
			<td style="width:167px;">Andor</td>
			<td style="width:195px;">Zyla 5.5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:201px;">Quarter waveplate (QWP, &#955;/4)</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">AQWP05M-600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Power meter</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td>PM100USB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Photodiode Power Sensors</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td>S121C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Linear polarizer</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">LPVIS050</td>
			<td style="width:373px;">For laser polarization measurement</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">360&#176; rotation mount</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">RSP1/M</td>
			<td style="width:373px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:23px;width:201px;">Half waveplate (HWP, &#955;/2)</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">AHWP05M-600</td>
			<td style="width:373px;">Used if polarization is not sufficient with only QWP</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;width:201px;">Oil DF condenser</td>
			<td style="width:167px;">Nikon</td>
			<td style="width:195px;">C-DO Dark Field Condenser Oil&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">30/70 R/T Beamsplitter</td>
			<td style="width:167px;">Chroma</td>
			<td style="width:195px;">21009</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Fast Si detector</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">PDA36A-EC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Data Acquisition Module</td>
			<td style="width:167px;">National Instruments</td>
			<td style="width:195px;">USB-6361</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Fiber 400 &#181;m core size</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td>M74L01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">xy-translation mount</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td>LM1XY/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Linear polarizer</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">LPVIS050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Spectrometer</td>
			<td style="width:167px;">Princeton Instruments&#160;</td>
			<td style="width:195px;">IsoPlane SCT320&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:201px;">CCD camera for spectrometer</td>
			<td style="width:167px;">Princeton Instruments&#160;</td>
			<td style="width:195px;">PyLoN&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Notch filter</td>
			<td style="width:167px;">Semrock</td>
			<td>NF03-658E-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Notch filter</td>
			<td style="width:167px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:195px;">NF658-26</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ultrasonic cleaner bath</td>
			<td style="width:167px;">Branson</td>
			<td style="width:195px;">Branson 3510&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Microscope slide</td>
			<td style="width:167px;">Ted Pella</td>
			<td style="width:195px;">260202</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">No. 1.5 Coverslips</td>
			<td style="width:167px;">VWR</td>
			<td style="width:195px;">630-2873</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Aceton</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Isopropanol</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Basic detergent</td>
			<td style="width:167px;">Hellma</td>
			<td style="width:195px;">Hellmanex III</td>
			<td>Cleaning if particle sticking is an issue</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Secure-Seal Spacer</td>
			<td style="width:167px;">Thermo Fisher</td>
			<td style="width:195px;">S24735</td>
			<td>Spacer tape with hole, for making sample cell</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Immersion Oil</td>
			<td style="width:167px;">Zeiss</td>
			<td style="width:195px;">444960-0000-000&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">PS beads</td>
			<td style="width:167px;">Microparticles GmbH</td>
			<td style="width:195px;">PS-R-5.0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Spectrophotometer</td>
			<td style="width:167px;">Agilent</td>
			<td style="width:195px;">Cary 5000 UV-Vis-NIR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">SEM</td>
			<td style="width:167px;">Zeiss</td>
			<td style="width:195px;">Ultra 55 FEG SEM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:201px;">Tweezers</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td>Any brand</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

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

生成して回転とナノスケールでトルクを測定する可能性研究と生物と人工ナノモーターのアプリケーションに基本的な関心は、単一細胞解析へ新ルート、非平衡の研究を提供することが熱力学、及びナノスケール システムの機械的作動。ドライブ回転する安易な方法は、ピンセットで円偏光レーザー光を使用します。このアプローチを使用すると、金属ナノ粒子を水で前例のない回転周波数で回転効率の高い散乱駆動ロータリー モーターとして操作できます。
このプロトコルでは、我々 は建設とナノ粒子回転の円偏光の光ピンセットの操作概要し、ブラウン動力学と捕捉粒子のレイリー散乱を記録するために必要なインストルメンテーションを記述します。回転運動と散乱スペクトル、ナノ粒子および直近の環境の特性に独立した情報を提供します。実験プラットフォームは、粘度とナノロッドと分子コーティングの形態学的変化を追跡するためのローカル温度のナノメートル ゲージおよびトランスデューサーと光熱と熱力学的プロセスのプローブとして有用な証明されています。

回転と円偏光レーザー ピンセットで捕捉されて正しく金ナノロッドの回転ブラウン運動は、シングル ピクセル検出器を用いた光散乱強度変動 (図 3 a) を記録することによって検出できます。この信号の自己相関スペクトルには、振動のコンポーネントには、図 3bに示すようが含まれています。これは、理論的な自己相関関数に合うことができます。継ぎ手は、ローテーションの頻度とナノロッドの回転ブラウン変動に関連している自己相関の減衰時間を抽出できます。
プロトコル (4.4.2 命令) で述べたように、光子相関分光法の反射レーザー光を収集するために十分に太い光ファイバーのコアの使用が不可欠です。場合はない場合は、プローブ ボリュームのうち粒子翻訳に関連する追加の崩壊という用語は相関関数に存在する、図 4を参照してください。これはシステムの詳細についてを提供できるを通じて慎重な分析ただし、データに含まれる回転ブラウン動力学の解析が複雑になります。
セクション 3.5 で説明されているように閉じ込められたナノ粒子から正しい DF 散乱スペクトルを取得、生のスペクトル データを校正する必要があります。これは、バック グラウンド スペクトル (図 5 a) と同様、照明ランプのスペクトルを記録することによって行われます。高強度レーザー光に対して、ナノロッドが閉じ込められて、基板などのガラス面に着目したときいくつかの蛍光が発生する可能性が (図 5 aのバック グラウンド スペクトルの赤いスペクトルの貢献を参照してください)。この蛍光汚染は、溶融石英基板を用いた削減できます。しかし、とにかく強くお勧め正しいレーザー パワーで空の光学ピンセットでバック グラウンド スペクトルを記録します。とき散乱スペクトルが記録され、スペクトルは、情報を抽出する bi ローレンツピークプロファイル フィット関数とエネルギー スケールで合うことができるため、実際のナノ粒子散乱に関連していないすべてのスペクトル成分を補償されている関連、LSPR ピーク位置 (図 5 b)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> 図 1: SEM 像とアンサンブル絶滅スペクトルの 2 つのバッチから代表的なナノ粒子、)スケール バーは、200 nm。b)レッド/隣接の SEM イメージ、) それぞれ赤/青のスペクトルに対応します。横と縦の LSPRs に関連するスペクトルのピークが明確に区別できます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> 図 2: ナノ粒子の回転の測定のための光ピンセット セットアップの模式図.レーザー光は平行しケプラー式望遠鏡で拡大し、その後 (M1, M2) 2 つの可動式ミラーを使用して客観的かつビームスプリッター (BS) に誘導。レーザーの経路に 2 波長板は、光学ピンセット (λ/4、λ/2) の円偏光を最適化します。後方散乱のレーザー光は、直線偏光子光子相関分光法と回転ダイナミクス計測後収集できます。レーザー光を取り出したら、散乱白色光が分光計やカメラに導かれます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> 図 3: カーブを持つ代表的な強度と相関データに適した閉じ込められ回転ナノロッド、) 。1 と変動の拡大のプロットの直線偏光子後単一ピクセル検出器によって記録された強度が変動します。b)反射レーザー光から収集された回転金ナノロッド (ブルー ポイント) の強度ゆらぎの Autocorrelated データ。データは、いくつかの期間の後崩壊の振動を示しています。振動減衰は回転ブラウン運動のために対し、ナノロッドの回転周波数に関連しています。A 理論的な自己相関関数にフィットを実行fの回転周波数を抽出する (赤い線) = 24285 ± 45 Hz と相関減衰時間τ0 = 40.9 ± 1.06 μ s。Fとτ0の不確実性は、フィット、0.9877 の定量 (R2) の係数の 95% 信頼区間を表しています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> 図 4: の光子相関分光測定あまりにも小さなプローブ ボリュームの問題、) 。回転金ナノロッドの自己相関データ収集厚 (400 μ m、青いデータ) と、薄い (62.5 μ m、赤のデータ) を使用して光ファイバー。太い繊維を使用して、コレクションを保証、ナノロッドがプローブ ボリューム内で常に限られていることおよび自己相関関数が回転力学のみを測定します。並進ブラウン運動のため追加崩壊用語は、プローブ ボリュームが十分でない場合です。B)とc)、効果の模式図と裏面照射型のコレクション領域の画像を表示します。スケール バーは、2 μ m.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> 図 5: 660 nm のレーザー光により光捕捉された金ナノロッドの模範的な暗視野散乱スペクトル記録します。630 670 nm (1.85 1.97 eV) がトラップ レーザー光を遮断するために必要なノッチ フィルターにより歪んでスペクトルの地域。、)生散乱スペクトル (紺) 粒子の散乱に固有ではないのためにキャリブレーションする必要がありますの機能を表示します。高集束レーザー光によって励起された蛍光を含むバック グラウンド スペクトル (赤)、および白の光励起スペクトルが含まれます (オレンジ、ノッチ フィルターなしで記録された)。キャリブレーション後修正された散乱スペクトル (ライトブルー) は期待どおりに 2 つの異なる LSPR ピークを示しています。矢印は、各スペクトルのスケールを示します。b) (ライトブルー、オレンジ) 成分 (赤) bi ローレンツピークプロファイル モデル関数に合わせると共に閉じ込められたナノロッド (ブルー ポイント) の散乱スペクトル。データのフィッティングで歪んだスペクトル領域を無視して、フィットが 0.9975 のR2 .<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

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

金ナノロッドのプラズモンを液体の中に閉じ込めし、円偏光の光ピンセットによる kHz の周波数で回転できます。研究と科学のさまざまな分野のアプリケーションのための強力なシステムにつながるブラウン動力学解析と光分光のためのツールを紹介します。

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

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

construction-operation-light-driven-gold-nanorod-rotary-motor

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Moment of Inertia

Rotation and Rigid Bodies

SCIENTISTS IN ACTION

8.7K ビュー.  Chalmers University of Technology. 金ナノロッドのプラズモンを液体の中に閉じ込めし、円偏光の光ピンセットによる kHz の周波数で回転できます。研究と科学のさまざまな分野のアプリケーションのための強力なシステムにつながるブラウン動力学解析と光分光のためのツールを紹介します。

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Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

This paper discusses fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic analysis setup. These structures are based on the formation of a fluorescent quantum-dot (QD) coating on the channel surface of a conventional microcapillary. Silicon QDs are especially attractive for this application, owing in part to their negligible toxicity compared to the II-VI and II-VI compound QDs, which are legislatively controlled substances in many countries. While the ensemble emission spectrum is broad and featureless, an Si-QD film on the channel wall of a capillary features a set of sharp, narrow peaks in the fluorescence spectrum, corresponding to the electromagnetic resonances for light trapped within the film. The peak wavelength of these resonances is sensitive to the external medium, thus permitting the device to function as a refractometric sensor in which the QDs never come into physical contact with the analyte. The experimental methods associated with the fabrication of the fluorescent-core microcapillaries are discussed in detail, as well as the analysis methods. Finally, a comparison is made between these structures and the more widely investigated liquid-core optical ring resonators, in terms of microfluidic sensing capabilities.

Fluorescent-core microcavity sensors employ a high-index quantum-dot coating in the channel of silica microcapillaries. Changes in the refractive index of fluids pumped into the capillary channel cause shifts in the microcavity fluorescence spectrum that can be used to analyze the channel medium.

Refractometricセンシング用蛍光コアマイクロキャビティの合成と操作

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

工学

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

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.

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in industrialized countries. Here, the development of optical mesosensors/adsorbents (MSAs) for efficient recognition and selective recovery of Pd(II), Au(III), and Co(II) from urban mine was achieved. A simple, general method for preparing MSAs based on using high-order mesoporous monolithic scaffolds was described. Hierarchical cubic Ia3d wagon-wheel-shaped MSAs were fabricated by anchoring chelating agents (colorants) into three-dimensional pores and micrometric particle surfaces of the mesoporous monolithic scaffolds. Findings show, for the first time, evidence of controlled optical recognition of Pd(II), Au(III), and Co(II) ions and a highly selective system for recovery of Pd(II) ions (up to ~95%) in ores and industrial wastes. Furthermore, the controlled assessment processes described herein involve evaluation of intrinsic properties (e.g., visual signal change, long-term stability, adsorption efficiency, extraordinary sensitivity, selectivity, and reusability); thus, expensive, sophisticated instruments are not required. Results show evidence that MSAs will attract worldwide attention as a promising technological means of recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals.

Because of the importance and extensive use of palladium, gold and cobalt metals in high-technology equipment, their recovery and recycling constitute an important industrial challenge. The metal recovery system described herein is a simple, low-cost means for the effective detection, removal, and recovery of these metals from the urban mine.

検出とパラジウムの回収は、都市鉱山からの金やコバルト金属は、ナノスケールワゴンホイール形の細孔を有する指定小説センサ/吸着剤を使用しました

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

リチウムイオンコイン電池の非水系電極加工および建設

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

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.

予熱水熱を利用したピエゾ電気NanogeneratorためのZnOナノロッド/グラフェン/ ZnOのナノロッドエピタキシャルダブルヘテロ構造の作製

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

Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must be smaller than the incident wavelength of sound and the width of the fluidic channels are typically tens to hundreds of micrometers across, acoustofluidic devices typically use ultrasonic waves generated from a piezoelectric transducer pulsating at high frequencies (in the megahertz range). At characteristic frequencies that depend on the geometry of the device, it is possible to induce the formation of standing waves that can focus particles along desired fluidic streamlines within a bulk flow. Here, we describe a method for the fabrication of acoustophoretic devices from common materials and clean room equipment. We show representative results for the focusing of particles with positive or negative acoustic contrast factors, which move towards the pressure nodes or antinodes of the standing waves, respectively. These devices offer enormous practical utility for precisely positioning large numbers of microscopic entities (e.g., cells) in stationary or flowing fluids for applications ranging from cytometry to assembly.

Acoustofluidic devices use ultrasonic waves within microfluidic channels to manipulate, concentrate and isolate suspended micro and nanoscopic entities. This protocol describes the fabrication and operation of such a device supporting bulk acoustic standing waves to focus particles in a central streamline without the aid of sheath fluids.

作製とAcoustofluidicのデバイスの動作は、粒子のフォーカシングSheathlessためのバルク弾性定在波を支援

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must ...

Expression of Cementitious Pore Solution and the Analysis of Its Chemical Composition and Resistivity Using X-ray Fluorescence

The goal of this method is to determine the chemical composition and electrical resistivity of cementitious pore solution expressed from a fresh paste sample. The pore solution is expressed from a fresh paste sample using a pressurized nitrogen gas system. The pore solution is then immediately transferred to a syringe to minimize evaporation and carbonation. After that, assembled testing containers are used for the X-ray fluorescence (XRF) measurement. These containers consist of two concentric plastic cylinders and a polypropylene film which seals one of the two open sides. The pore solution is added into the container immediately prior to the XRF measurement. The XRF is calibrated to detect the main ionic species in the pore solution, in particular, sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca2+), and sulfide (S2-), to calculate sulfate (SO42-) using stoichiometry. The hydroxides (OH-) can be calculated from a charge balance. To calculate the electrical resistivity of the solution, the concentrations of the main ionic species and a model by Snyder et al. are used. The electrical resistivity of the pore solution can be used, along with the electrical resistivity of concrete, to determine the formation factor of concrete. XRF is a potential alternative to current methods to determine the composition of pore solution, which can provide benefits in terms of reduction in time and costs.

This protocol describes the procedure to express fresh pore solution from cementitious systems and the measurement of its ionic composition using X-ray fluorescence. The ionic composition can be used to calculate pore solution electrical resistivity, which can be used, together with concrete electrical resistivity, to determine the formation factor.

セメント細孔溶液の化学組成の蛍光 x 線を用いた比抵抗解析式

The goal of this method is to determine the chemical composition and electrical resistivity of cementitious pore solution expressed from a fresh paste ...

Large Area Substrate-Based Nanofabrication of Controllable and Customizable Gold Nanoparticles Via Capped Dewetting

Recent scientific advances in the utilization of metallic nanoparticle for enhanced energy conversion efficiency, improved optical device performance, and high-density data storage have demonstrated the potential benefit of their use in industrial applications. These applications require precise control over nanoparticle size, spacing, and sometimes shape. These requirements have resulted in the use of time and cost intensive processing steps to produce nanoparticles, thus making the transition to industrial application unrealistic. This protocol will resolve this issue by providing a scalable and affordable method for the large-area production of nanoparticle films with improved nanoparticle control compared to the current techniques. In this article, the process will be demonstrated with gold, but other metals can also be used.

This protocol details a novel nano-manufacturing technique that can be used to make controllable and customizable nanoparticle films over large areas based on the self-assembly of dewetting of capped metal films.

頂いたディウェッティング経由で制御可能なカスタマイズ可能な金ナノ粒子の大面積基板を用いたナノ加工

Recent scientific advances in the utilization of metallic nanoparticle for enhanced energy conversion efficiency, improved optical device performance, and ...

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft engines. However, developing VCE requires high costs. Thus, it is essential to build a mathematical model when developing an aircraft engine, which may avoid a large number of real tests and reduce the cost dramatically. Modeling is also crucial in control law development. In this article, based on a graphical simulation environment, a rapid method for modeling a double bypass variable cycle engine using object-oriented modeling technology and modular hierarchical architecture is described. Firstly, the mathematical model of each component is built based on the thermodynamic calculation. Then, a hierarchical engine model is built via the combination of each component mathematical model and the N-R solver module. Finally, the static and dynamic simulations are carried out in the model and the simulation results prove the effectiveness of the modeling method. The VCE model built through this method has the advantages of clear structure and real-time observation.

Here, we present a protocol to build a component-level mathematical model for a variable cycle engine.

可変サイクルエンジンのモデリングの迅速な方法

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

要約

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この動画の章

Refractometricセンシング用蛍光コアマイクロキャビティの合成と操作

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

検出とパラジウムの回収は、都市鉱山からの金やコバルト金属は、ナノスケールワゴンホイール形の細孔を有する指定小説センサ/吸着剤を使用しました

リチウムイオンコイン電池の非水系電極加工および建設

予熱水熱を利用したピエゾ電気NanogeneratorためのZnOナノロッド/グラフェン/ ZnOのナノロッドエピタキシャルダブルヘテロ構造の作製

作製とAcoustofluidicのデバイスの動作は、粒子のフォーカシングSheathlessためのバルク弾性定在波を支援

セメント細孔溶液の化学組成の蛍光 x 線を用いた比抵抗解析式

頂いたディウェッティング経由で制御可能なカスタマイズ可能な金ナノ粒子の大面積基板を用いたナノ加工

可変サイクルエンジンのモデリングの迅速な方法

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

要約

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Refractometricセンシング用蛍光コアマイクロキャビティの合成と操作

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

検出とパラジウムの回収は、都市鉱山からの金やコバルト金属は、ナノスケールワゴンホイール形の細孔を有する指定小説センサ/吸着剤を使用しました

リチウムイオンコイン電池の非水系電極加工および建設

予熱水熱を利用したピエゾ電気NanogeneratorためのZnOナノロッド/グラフェン/ ZnOのナノロッドエピタキシャルダブルヘテロ構造の作製

作製とAcoustofluidicのデバイスの動作は、粒子のフォーカシングSheathlessためのバルク弾性定在波を支援

セメント細孔溶液の化学組成の蛍光 x 線を用いた比抵抗解析式

頂いたディウェッティング経由で制御可能なカスタマイズ可能な金ナノ粒子の大面積基板を用いたナノ加工

可変サイクルエンジンのモデリングの迅速な方法

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用