Name: measurement of scattering nonlinearities from a single plasmonic nanoparticle
Uploaded: 2016-01-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 6 s
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This work is supported by Ministry of Science and Technology under NSC-101-2923-M-002-001-MY3 and NSC-102-2112-M-002-018-MY3. This research is also supported by the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) through the &#8220;Funding Program for Next Generation World-Leading Researchers (NEXT Program),&#8221; initiated by the Council for Science and Technology Policy (CSTP) and JSPS Asian CORE Program.

1. GNS 샘플 준비 <ol><li> LSPR 피크 시프트가 발생할 수의 입자 응집을 방지하기 위해 약 40 kHz에서 적어도 15 분 동안 샘플을 초음파 처리 GNS 1ml의 콜로이드 용액을 준비하기 전에. </li><li> GNSS를 해결하기 위해 상업 마그네슘 알루미늄 실리케이트 (MAS) 코팅 된 슬라이드 글라스에 GNS 콜로이드의 100 ~ 200 μl를 삭제합니다. </li><li> 적어도 1 분 후, 증류수로 세척하여 여분의 콜로이드를 제거합니다. 대기 시간은 GNSS의 요구 분포 밀도에 따라 달라집니다. 전형적으로, 이들 대부분은 서로 분리되어 있기 때문에 입자가 쉽게 식별 될 수 있도록 적절한 밀도에서 1-3 분 결과. 대기 시간이 너무 길면 현저한 응집이 발생할 수있다. </li><li> 질소 가스로 퍼징하여 샘플을 건조. </li><li> (선택 사항), 고해상도에 유리 GNSS 매핑이 단계 (23)에서 주사 전자 현미경 (SEM)을 수행한다. 예를 들어, 이미지가 Figur 제공됩니다E 1, GNSS의 특성 밀도를 나타내는. 화상을 취득하는 전계 방출 SEM을 사용한다. 오일 샘플 (다음 단계)에 추가되면, 그 기름을 제거하고, SEM으로 샘플을 관찰하기 어려울 것이다. </li><li> GNSS 다루 시료에 동일한 굴절률 기름 방울을 첨가하고, 유리 기판에서 강한 반사를 제거하기 위해. </li><li> 샘플의 상단에 커버 유리를 놓고 매니큐어로 밀봉. </li><li> 매니큐어가 건조 될 때까지 적어도 5 분을 기다립니다. 샘플은 준비가되었습니다. </li></ol> 홈 제작 된 공 초점 현미경 2. 정렬 <ol><li> 설정의 방식에 대한 그림 2를 참조하십시오. 현미경 본체 자체의 백색광 조명 경로를 맞 춥니 다. 현미경의 할로겐 광원 켜고 쾰러 조명 조건을 달성하기 위해 현미경 제조업체의 사용 설명서를 따르십시오. 흰색 할로겐 조명 빔의 뒷면에 거의 평행 있는지 확인대물 조리개의 부분적 50/50 빔 스플리터에 의해 반사하고 레이저를 향해 전파. </li><li> 이들이 주사 범위의 중심이다 정확한 초기 위치에서 유지되도록하여 갈바 노 미러를 켜고. </li><li> 할로겐 조명 경로를 따라, 그것에 동심 고리와 종이의 얇은 시트에 의해 두 개 이상의 대상을 놓고 할로겐 빔을 맞 춥니 다. </li><li> 이미징을 수행하려면, 532 nm의 레이저를 선택합니다. 분광 측정을 수행하기 위해, 초 연속 레이저를 선택한다. 정렬 중에, 레이저의 파워는 비선형 성을 피할 목적의 뒤쪽 개구에 10 μW 미만이어야한다. 그리고, 두 타겟의 도움으로 출사 할로겐 빔 입사 레이저 빔을 시준 대향. 이 프로세스가 완료되면, 레이저 빔의 거친 정렬은 달성되었다. </li><li> 대물 렌즈의 후방 개구의 중심을 통해 레이저 빔을 정렬. 통상적으로, OI를 사용L 액침 대물. 오일 침지 대물 렌즈와 GNS 샘플 사이에 오일 한 방울을 추가합니다. GNSS의 산란 신호를 수집하기 위해 검출기로서 광전자 증 배관 (PMT)를 사용한다. </li><li> 신호를 산란 포커스 아웃 차단하는 PMT의 앞에 20 μm의 직경 핀홀를 놓습니다. , 갈바 노 미러 및 (홈 내장 소프트웨어를 통해) PMT를 켜고 GNSS의 후방 산란 신호를 최대화하기 위해 시료 스테이지의 핀홀 위치 및 높이를 조정 한 후 컴퓨터 화면에 개별 GNS 관찰. 올바른 정렬과 GNSS의 샘플 XY 화상도 2b에 도시된다. </li><li> 약간 초점 동심도를 확인 시료 스테이지의 높이를 변경. 이 동심원이 아닌 경우, 시료 스테이지의 높이를 변화시키면서 동일한 위치에 남아 GNS의 중심까지 스캐너 앞의 두 거울 빔을 조정한다. PSF의 XZ 이미지 2C 그림과 유사 있는지 확인정확한 빔 정렬을 보장한다. 저역 통과 및 가우스 부드러운 필터이 두 이미지를 처리​​합니다. </li></ol> 산란 비선형 3. 특성 <ol><li> 낮은 여기 강도 (이하 × 104 W / ㎝ 2)에서 2.6 프로토콜에 따라 금 나노 입자의 화상을 취득. </li><li> ImageJ에의 이미지 (또는 다른 이미지 분석 소프트웨어)를 엽니 다. 이미지 GNSS의 하나에 걸쳐 라인 (도 2b 참조) 그릴과 분석을 사용하여 -&gt; ImageJ에 툴 플롯 프로필 산란 강도 프로파일을 검색한다. 가우스 함수에 의해 선택된 PSF의 프로필에 맞는 : <img alt="식 (2)" src="/files/ftp_upload/53338/53338eq2.jpg" /> Y는, Y 0 배경 값은 (만약 있다면) PMT 판독 값이고,이 피크 진폭은 폭이 w, x는, 공간 좌표이고,이고, X (C)는 중심 번호 좌표이며가우스 함수의 전자. 해당 PSF의 FWHM은 (½ln2) W입니다. 대물의 개구 수 (NA)에 기초하여, 촛점 PSF의 FWHM은 이론적 L은 여기 파장 약 0.43l / NA 인 것으로 추정 될 수있다. 촬상 시스템의 배열을 확인하는 두 숫자를 비교. </li><li> 수동으로도 2a에 감광 (ND) 필터를 변경하여 여진 강도를 증가시키고, 각각의 휘도 레벨에서 산란 이미지를 기록한다. 다른 여진 강도 각 GNS의 중심에서 산란 신호의 값을 취하며, 여기 신호 강도 대 산란 곡선을 플롯. 여기 강도가 충분히 낮은 경우 선형 관계를 보여야 처음 몇 점의 선형성을 확인합니다. 처음 몇 점의 선형 피팅을 기반으로 선을 그립니다. 후속 포인트의 산란 강도는이 선형 추세, saturatio 이하로 떨어질 경우N가 발생했습니다. </li><li> 가포 산란을 관찰 한 후, 서서히 포화 임계치 이하의 강도를 감소시키고, 화상 동일한 GNSS 다시 비선형 행동 가역성을 위해. </li></ol> 단일 금 나노 구체의 산란 스펙트럼 4. 측정 <ol><li> 단일 GNS로부터 산란 스펙트럼을 측정하기 위해, 레이저 광원과 같은 슈퍼 - 연속 레이저를 사용한다. 레이저의 파장은 초기 450 nm 내지 1,750 nm의 범위이다. 샘플 및 광학 부품에 손상을 줄 수있는 과량의 적외선 힘을 제거하고, 가시광을 반사하는 우측 슈퍼 연속체 레이저 후에 하나 또는 두 개의 미러를 배치하고, 빔이 과잉 적외선을 수집 덤프 사용. </li><li> 레이저 스캐닝 공 초점 현미경으로 슈퍼 연속 레이저를 직접 제 2의 정렬 절차를 따르십시오. 전체 가시 범위에 걸쳐 스펙트럼 범위를 보장하기 위해 광대역에게 50/50 BS를 사용합니다. </li><li> 취득유리에 GNSS의 이미지입니다. 이미지에 하나의 GNS를 찾은 입자에 입사 광대역 빛의 초점을 고정. </li><li> 전하 결합 장치가 장착되어있는 분광계 향해 후방 산란 신호를 지시하는 PMT 앞에 반전 거울을 사용하고 상기 선택된 하나의 스펙트럼 GNS 걸릴. 여기 스펙트럼이 GNS 산란과 배경의 혼합물로 인해 다른 표면에서의 반사에 있음을주의해야합니다. </li><li> 다시 PMT 검출기로 전환 한 입자의 위치가 변경되지 않았 음을 확인하는 또 다른 이미지를 촬영합니다. 그리고, 어떤 입자가 존재하지 않는 점에 포커스를 이동. 다시 분광계로 전환 한 배경을 대표하는 또 하나의 스펙트럼을 취할. </li><li> 단일 GNS의 명확한 산란 스펙트럼을 구하는 단계 4.4 단계 4.5에서 스펙트럼으로부터 배경 스펙트럼을 뺀다. </li></ol> SAX 현미경 5. 정렬 <ol><li> 그림 3 참조이상적인 정현파 시간 변조 두 음향 광학 변조기 (버튼 확장 박스 (AOM)) 사이의 비트 주파수에서 얻을 수있다 SAX 현미경의 방식에 대한. 먼저, 다음 버튼 확장 박스 (AOM)의 요건을 충족하도록 상기 레이저 빔의 크기를 조절한다. 50/50 빔 스플리터를 이용하여 두 개의 빔으로 532 nm의 레이저 광을 분할. </li><li> 한 빔이 각 AOM을 통과하여, 두 개의 버튼 확장 박스 (AOM)을 통해 두 개의 빔을 안내합니다. 두 개의 버튼 확장 박스 (AOM)의 변조 주파수는 달라야합니다. 예를 들어, 10 kHz의 주파수 차분을 산출 40.000 MHz 및 40.010 MHz에서 다른에있을 수있다. 이 차이는 주파수 SAX 신호용 기본적인 변조 주파수 (f)의 m 것이다. </li><li> 두 버튼 확장 박스 (AOM)에서 1 차 회절 빔을 받아, 다른 50/50 빔 스플리터를 이용하여 두 개의 빔을 결합한다. 두 개의 빔을 시준하는 버튼 확장 박스 (AOM) 후 거울을 조정합니다. </li><li> 시간적 modulatio을 모니터링하는 오실로스코프에 접속되어, 광 검출기를 추가엔. 슬라이드 유리 레이저의 일부분을 분할하고,도 3에 도시 된 바와 같이, 광 검출기로 보내. 올바른 변조 빔 중첩으로, 주요 주파수 f를 m으로 도시 된 파형과 동일한 정현파 강도 변조 관찰 그림 4. 주 : 변조의 배경이 최대 변조도를 달성하기 위해 가능한 한 낮게 할 필요가있다. 게다가, 변조의 고조파 왜곡이 감소하는지 확인하기 위해 오실로스코프의 푸리에 분석 기능을 사용한다. SAX 성공적인 구현을 달성하기 위해 최소화 된 비선형 성을 가진 초기 완벽한 정현파 여진 강도 변조를 보장한다. </li><li> 오실로스코프에서 광 검출기의 전기 출력을 분리하여 종속 앰프의 레퍼런스 입력에 연결합니다. </li><li> 도 3에 도시 된 바와 같이, 이전의 프로토콜 다음 촛점 시스템에 레이저 빔을 정렬. H감수, 신호 입력으로 종속 증폭기 PMT의 전기 출력을 연결한다. </li><li> 시료로 빈 커버 유리를 사용하고, 검출기는 1 V의 판독 값 이하 선형도 5에 도시 된 바와 같이,, 서서히 여기 전력을 증가시킴으로써 전기 검출 시스템의 선형성을 확인한다. 이후의 모든 측정에서,이 값 이하로 판독을 억제하기 위해주의를 기울입니다. </li><li> 전압 신호의 절대 크기를 내보내려면 종속 증폭기의 출력을 설정합니다. 기준 채널로 설정하는 고조파 성분을 변화시킴으로써, 등등 SAX 신호, 1, 2의 진폭을 구하여. </li><li> 또한 래스터 주사 갈바 노 미러의 구동 전압 신호를 수신하는 데이터 수집 카드에 종속 증폭기의 선형 및 비선형 신호를 내보내. 사용자 정의 된 LabVIEW 프로그램의 도움으로, 잠금에 앰프와의 신호를 동기화갈바는 화상을 형성하는 거울. </li><li> 이미지에서의 신호 대 잡음비를 최적화하도록 적절 종속 증폭기의 화소 취득과 통합 시간을 선택한다. 여기의 주요 변조 주파수 (f)의 m이 10 kHz에서, 기간은 100 마이크로 초 경우, 즉 일 때, 예를 들면, 기간보다 적어도 세 배 이상으로 종속 증폭기의 적분 시간을 설정한다. 갈바 노 미러의 이동 시간을 추가 획득 속도 SAX 촬상 모드에서 초당 1500 픽셀로 설정된다. </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

프로토콜에서, 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 샘플을 준비 할 때 먼저, 나노 입자 밀도는 입자 사이 플라즈몬 결합을 피하기 위해 너무 높은이어야한다. 두 개 이상의 입자가 서로 매우 근접 할 경우, LSPR 파장 결합 결과는 따라서 크게 비선형 성을 감소시키는, 장파장 측으로 시프트. 그러나,이 영상 법은 실제로 입자 자체 대신에, 플라즈몬 모드의 분포를 매핑한다. 따라서, 적합한 여기 파장과...

플라즈몬의 연구로 인해 다양한 분야 1-4의 응용 프로그램에 큰 관심을 끌고있다. 플라즈몬 가장 연구 분야 중 하나는, 표면 플라즈몬,되는 금속과 유전체 사이의 계면에서 외부와 전자파 전도 전자 커플 집단적 진동. 표면 플라즈몬은 서브 파장 광학, 바이오 포토닉스 및 현미경 5,6에서의 응용 가능성에 대해 탐구하고있다. 국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)에 의한 금속 나노 입자의 매우 작은 체적 강전 향상뿐만 아니라 때문에 입자 크기, 입자 형상, 및 주변 매질 (7)의 유전 특성에 탁월한 감도, 광범위한 주목을 받고 -10뿐만 아니라, 때문에 본질적으로 약한 비선형 광학 효과 (11)을 높일 수있는 능력. 저 채도의 뛰어난 감도는 바이오 센싱과 가까운 헛소리에 대한 가치가있다LD 이미징 기술 (12, 13). 한편, 구조물의 플라즈몬 강화 된 비선형 광학 스위칭 및 전광 신호 처리 애플리케이션 (14, 15) 등의 광 집적 회로에 사용될 수있다. 이것은 잘 플라즈몬 흡수가 낮은 세기 레벨의 여진 강도에 정비례하는 것으로 알려져있다. 여진이 충분히 강한 경우, 흡수가 포화에 도달한다. 흥미롭게도, 높은 강도에서 흡수가 다시 증가한다. 이러한 비선형 효과는 포화 흡수 (SA) 15 ~ 17이라고 각각 포화 흡수 (RSA) (18)을 반대로한다. 그것은 LSPR 때문에, 산란 플라즈몬 구조에서 특히 강한 것으로 알려져있다. 기본적인 전자기학에 기초하여, 입사광의 산란 강도에 비해 응답은 선형이어야한다. 그러나, 나노 입자, 산란 및 흡수 밀접 Mie 이론을 통해 연결되어, 두 전자 일 수있다비유 전율의 실수 부 및 허수 부분의 관점에서 xpressed. 단일 GNS 광 조명하 다이폴로서 동작하는 것으로 가정하여, Mie 이론에 따른 단일 플라즈몬 나노 입자로부터의 산란 계수 (Q의 SCA) 및 흡수 계수 (Q의 절대치)를 19로 표현 될 수있다 <img alt="식 (1)" src="/files/ftp_upload/53338/53338eq1.jpg" /> x가 2이고 πa / λ,이 구 반경이며, m은 2 ε m / ε의 D이다. 여기서, ε를 ε m 및 D는 각각 둘러싸는 금속 절연체의 유전 상수와의 대응. 산란 계수의 형태 번째 이후의 것과 유사전자 흡수 계수, 그것은 따라서 단일 플라즈몬 나노 입자 (20) 가포 산란을 관찰 할 것으로 예상된다. 최근, 고립 된 플라즈몬 입자의 비선형 포화 산란는 처음으로 21 증명되었다. 이 여진 강도가 증가 할 때 포화에서 깊은 사실 산란 강도는 약간 감소하는 것이 현저하다. 여진 강도가 산란을 포화 낳은 후에 계속 증가 할 때 더욱 현저하게, 산란 강도는 가포 리버스 20 산란의 효과를 나타내는, 부활. 파장 - 크기에 의존하는 연구는 21 산란 저 채도 및 비선형 사이에 강한 관계를 보여 주었다. 플라즈몬 산란 강도와 파장 의존성이 비선​​형 행동을 기본 공통 메커니즘을 제안 흡수의 것과 매우 유사하다. 애플리케이션의 관점에서는 물론이다 KNOWN 그 비선형 광학 현미경의 해상도를 개선하는 데 도움이됩니다. 2007에서, 포화가 여진 (SAX) 현미경은 여기 빔 (22)의 시간적 정현파 변조를 통해 포화 신호를 추출함으로써 해상도를 향상시킬 수있는 제안되었다. SAX 현미경은 레이저 초점 스폿, 강도가 주변부보다 중심에서 더 강한 개념에 기초한다. 신호 (형광 또는 산란 중)가 포화 동작을 나타내는 경우 선형 응답 주위에 남아있는 동안, 채도, 중심에서 시작해야한다. 단지 포화 된 부분을 추출하는 방법이 있으면 주변 부분을 차단하면서도 따라서, 그것은 따라서 효과적으로 공간 분해능을 향상에만 중앙부를 떠날 것이다. 원칙적으로, 깊은만큼 포화에 도달 SAX 현미경없이 낮은 해상도 한계가 있고 강한 조명에 의한 시료에는 손상이 없다. 그것은 resolutio 것으로 나타났다형광 이미징의 N 크게 SAX 기술을 이용함으로써 향상 될 수있다. 그러나, 형광 광표백 효과에서 겪고있다. 산란 비선형의 발견과 SAX의 개념을 조합 산란에 기초하여 수퍼 - 해상도 현미경 (21)을 실현할 수있다. 종래의 수퍼 - 해상도 microscopies에 비해, 산란 기반 기술은 신규 한 비 표백 조영 방법을 제공한다. 본 논문에서는 단계별 설명은 획득 및 플라즈몬 산란 비선형를 추출하기 위해 필요한 절차를 간략하게 설명하기 위해 제공된다. 입사 광량 변경에 의해 도입 비선형 산란을 식별하는 방법은 기술된다. 더 자세한 내용은 이러한 비선형 단일 나노 입자의 이미지에 영향을 미치는 방법 및 공간 해상도 것은 SAX 기술에 의해 적절히 강화 될 수있는 방법을 해명하기 위해 제공 될 것이다.

<table><tbody><tr><td>microscope body</td><td>Olympus, Japan</td><td>BX-51</td><td></td></tr><tr><td>objective lens</td><td>Olympus, Japan</td><td>UPlanSapo, 100X, NA 1.4</td><td></td></tr><tr><td>80-nm gold colloid</td><td>BBI Solutions, UK</td><td>EM.GC80</td><td></td></tr><tr><td>supercontinuum laser</td><td>Fianium, United Kingdom</td><td>SC400-2-PP</td><td></td></tr><tr><td>broadband dielectric mirrors</td><td>Thorlabs, USA</td><td>BB1-E02</td><td></td></tr><tr><td>field emission SEM</td><td>JEOL, Japan</td><td>JSM-6330F</td><td>optional</td></tr><tr><td>spectrometer</td><td>Andor Technology, UK</td><td>Shamrock 163</td><td></td></tr><tr><td>charge-coupled device</td><td>Andor Technology, UK</td><td>iDus DV420A-OE</td><td></td></tr><tr><td>acousto-optic modulators</td><td>IntraAction Corp., USA</td><td>AOM-402AF1</td><td></td></tr><tr><td>lock-in amplifier</td><td>Stanford Research Systems, USA</td><td>SR-830</td><td></td></tr><tr><td>MAS-coated slide glass</td><td>Matsunami Glass, Japan,</td><td>S9215</td><td></td></tr></tbody></table>

measurement of scattering nonlinearities from a single plasmonic nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

그림 6은 80 nm의 GNS에서 측정 된 스펙트럼을 보여줍니다. Mie 이론에 기초하여 계산 된 곡선이 잘 일치를 보여주는, 같은 플롯에 제시되어있다. LSPR 피크는 580 nm의 주위이다. 다음 실험에서, 레이저는 파장이 플라즈몬 광 산란 효과를 향상시키고 포화 21 산란 활성화 플라즈몬 밴드 안에 위치로 선정 된 532 나노 미터였다. 그림 7 다른 여기 강도?...

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Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

단일 플라즈몬 나노 입자에서 비선형 산란 측정

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

measurement-scattering-nonlinearities-from-single-plasmonic

Research

JoVE Journal

Engineering

12.8K 조회수.  National Taiwan University. Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy. 

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Evaluating Plasmonic Transport in Current-carrying Silver Nanowires

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information support1,2,3. In this context, metal nanowires are especially desirable for realizing dense routing networks4. A prerequisite to operate such shared nanowire-based platform relies on our ability to electrically contact individual metal nanowires and efficiently excite surface plasmon polaritons5 in this information support. In this article, we describe a protocol to bring electrical terminals to chemically-synthesized silver nanowires6 randomly distributed on a glass substrate7. The positions of the nanowire ends with respect to predefined landmarks are precisely located using standard optical transmission microscopy before encapsulation in an electron-sensitive resist. Trenches representing the electrode layout are subsequently designed by electron-beam lithography. Metal electrodes are then fabricated by thermally evaporating a Cr/Au layer followed by a chemical lift-off. The contacted silver nanowires are finally transferred to a leakage radiation microscope for surface plasmon excitation and characterization8,9. Surface plasmons are launched in the nanowires by focusing a near infrared laser beam on a diffraction-limited spot overlapping one nanowire extremity5,9. For sufficiently large nanowires, the surface plasmon mode leaks into the glass substrate9,10. This leakage radiation is readily detected, imaged, and analyzed in the different conjugate planes in leakage radiation microscopy9,11. The electrical terminals do not affect the plasmon propagation. However, a current-induced morphological deterioration of the nanowire drastically degrades the flow of surface plasmons. The combination of surface plasmon leakage radiation microscopy with a simultaneous analysis of the nanowire electrical transport characteristics reveals the intrinsic limitations of such plasmonic circuitry.

Silver nanowires can simultaneously transport electrons and optical information in the form of surface plasmons. A procedure is described here to realize such a shared circuitry and the limitations at propagating both information carriers are evaluated.

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information ...

연구

공학

Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological research. Perhaps the most widely used physical force to achieve noninvasive manipulation of small particles has been dielectrophoresis(DEP).1 However, DEP on its own lacks the versatility and precision that are desired when manipulating cells since it is traditionally done with stationary electrodes. Optical tweezers, which utilize a three dimensional electromagnetic field gradient to exert forces on small particles, achieve this desired versatility and precision.2 However, a major drawback of this approach is the high radiation intensity required to achieve the necessary force to trap a particle which can damage biological samples.3 A solution that allows trapping and sorting with lower optical intensities are optoelectronic tweezers (OET) but OET's have limitations with fine manipulation of small particles; being DEP-based technology also puts constraint on the property of the solution.4,5
This video article will describe two methods that decrease the intensity of the radiation needed for optical manipulation of living cells and also describe a method for orientation control. The first method is plasmonic tweezers which use a random gold nanoparticle (AuNP) array as a substrate for the sample as shown in Figure 1. The AuNP array converts the incident photons into localized surface plasmons (LSP) which consist of resonant dipole moments that radiate and generate a patterned radiation field with a large gradient in the cell solution. Initial work on surface plasmon enhanced trapping by Righini et al and our own modeling have shown the fields generated by the plasmonic substrate reduce the initial intensity required by enhancing the gradient field that traps the particle.6,7,8 The plasmonic approach allows for fine orientation control of ellipsoidal particles and cells with low optical intensities because of more efficient optical energy conversion into mechanical energy and a dipole-dependent radiation field. These fields are shown in figure 2 and the low trapping intensities are detailed in figures 4 and 5. The main problems with plasmonic tweezers are that the LSP's generate a considerable amount of heat and the trapping is only two dimensional. This heat generates convective flows and thermophoresis which can be powerful enough to expel submicron particles from the trap.9,10 The second approach that we will describe is utilizing periodic dielectric nanostructures to scatter incident light very efficiently into diffraction modes, as shown in figure 6.11 Ideally, one would make this structure out of a dielectric material to avoid the same heating problems experienced with the plasmonic tweezers but in our approach an aluminum-coated diffraction grating is used as a one-dimensional periodic dielectric nanostructure. Although it is not a semiconductor, it did not experience significant heating and effectively trapped small particles with low trapping intensities, as shown in figure 7. Alignment of particles with the grating substrate conceptually validates the proposition that a 2-D photonic crystal could allow precise rotation of non-spherical micron sized particles.10 The efficiencies of these optical traps are increased due to the enhanced fields produced by the nanostructures described in this paper.

Plasmonic tweezers and photonic crystal nanostructures are shown to produce useful enhancements in the efficiency and orientation control of optically trapping micro- and nano-particles.

향상된 마이크로 및 Nanoparticle 조작에 대한 Plasmonic 및 광자 크리스탈 Nanostructures 활용

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

생체공학

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A single gold nanoparticle held by an optical tweezer is used as a sensor to quantify the rhythmic motion of a Nauplius larva (Artemia salina) in a water sample. This is achieved by monitoring the time dependent displacement of the trapped nanoparticle as a consequence of the Nauplius activity. A Fourier analysis of the nanoparticle&#39;s position then yields a frequency spectrum that is characteristic to the motion of the observed species. This experiment demonstrates the capability of this method to measure and characterize the activity of small aquatic larvae without the requirement to observe them directly and to gain information about the position of the larvae with respect to the trapped particle. Overall, this approach could give an insight on the vitality of certain species found in an aquatic ecosystem and could expand the range of conventional methods for analyzing water samples.

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We use optical tracking of plasmonic nanoparticles to probe and characterize the frequency movements of aquatic organisms.

&#39;Nauplius의 움직임을 분석<em&gt; 아테 살리나</em&gt; &#39;플라즈몬 나노 입자의 광학 추적하여

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A ...

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic nanoscale patch antennas. This includes a detailed procedure for the fabrication of thin films with a well-controlled thickness over macroscopic areas using layer-by-layer deposition of polyelectrolyte polymers, namely poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and polystyrene sulfonate (PSS). These polyelectrolyte spacer layers serve as a dielectric gap in between silver nanocubes and a gold film. By controlling the size of the nanocubes or the gap thickness, the plasmon resonance can be tuned from about 500 nm to 700 nm. Next, we demonstrate how to incorporate organic sulfo-cyanine5 carboxylic acid (Cy5) dye molecules into the dielectric polymer gap region of the nanopatch antennas. Finally, we show greatly enhanced fluorescence of the Cy5 dyes by spectrally matching the plasmon resonance with the excitation energy and the Cy5 absorption peak. The method presented here enables the fabrication of plasmonic nanopatch antennas with well-controlled dimensions utilizing colloidal synthesis and a layer-by-layer dip-coating process with the potential for low cost and large-scale production. These nanopatch antennas hold great promise for practical applications, for example in sensing, ultrafast optoelectronic devices and for high-efficiency photodetectors.

A protocol for the colloidal synthesis of silver nanocubes and fabrication of plasmonic nanoscale patch antennas with sub-10 nm gaps is presented.

플라즈몬과 나노 포토닉스의 응용 프로그램에 대한 Nanopatch 안테나의 콜로이드 합성

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform Poly(N-isopropylacrylamide) Microgels

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this work, we use single particle tracking of fluorescently labeled PNIPAM microgels as a showcase for tuning microgel size by a rapid non-stirred precipitation polymerization procedure. This approach is well suited for prototyping new reaction compositions and conditions or for applications that do not require large amounts of product. Microgel synthesis, particle size and structure determination by dynamic and static light scattering are detailed in the protocol. It is shown that the addition of functional comonomers can have a large influence on the particle nucleation and structure. Single particle tracking by wide-field fluorescence microscopy allows for an investigation of the diffusion of labeled tracer microgels in a concentrated matrix of non-labeled microgels, a system not easily investigated by other methods such as dynamic light scattering.

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform PolyN-isopropylacrylamide Microgels

Non-stirred precipitation polymerization provides a rapid, reproducible prototyping approach to the synthesis of stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) microgels of narrow size distribution. In this protocol synthesis, light scattering characterization and single particle fluorescence tracking of these microgels in a wide-field microscopy setup are demonstrated.

제어 합성 및 매우 균일 한 폴리 형광 추적 (<em&gt; N</em&gt; 이소 프로필 아크릴 아미드) 미크로 겔

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this ...

화학

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

모니터링 환경에서 플라즈몬 트랩 및 나노 입자의 릴리스

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing in combination with new nanofabrication techniques. A plasmon is a quantum of charge density oscillation that lends nanoscale metals such as gold and silver unique optical properties. In particular, gold and silver nanoparticles exhibit localized surface plasmon resonances-collective charge density oscillations on the surface of the nanoparticle-in the visible spectrum. Here, we focus on the fabrication of periodic arrays of anisotropic plasmonic nanostructures. These half-shell (or nanocup) structures can exhibit additional unique light-bending and polarization-dependent optical properties that simple isotropic nanostructures cannot. Researchers are interested in the fabrication of periodic arrays of nanocups for a wide variety of applications such as low-cost optical devices, surface-enhanced Raman scattering, and tamper indication. We present a scalable technique based on colloidal lithography in which it is possible to easily fabricate large periodic arrays of nanocups using spin-coating and self-assembled commercially available polymeric nanospheres. Electron microscopy and optical spectroscopy from the visible to near-infrared (near-IR) was performed to confirm successful nanocup fabrication. We conclude with a demonstration of the transfer of nanocups to a flexible, conformal adhesive film.

We demonstrate the fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithographic techniques and discuss the importance of nanoplasmonic films.

콜 로이드 리소 그래피를 사용 하 여 정기적 금 Nanocup 배열의 제작

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising from metallic periodic arrays without involving time-resolved techniques. We have formulated the rates by quantities that can be measured by simple optical measurements. The instrumentation based on angle- and polarization-resolved reflectivity and photoluminescence spectroscopy will be described in detail here. Our approach is intriguing due to its simplicity, which requires routine optics and several mechanical stages, and thus is highly affordable to most of the research laboratories.

This protocol describes the instrumentation for determining the excitation and coupling rates between light emitters and Bloch-like surface plasmon polaritons arising from periodic arrays.

여기 및 빛 방출 및 표면 플라스몬 Polaritons 사이 요금 커플링

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...

Visualizing Diffusional Dynamics of Gold Nanorods on Cell Membrane using Single Nanoparticle Darkfield Microscopy

Analyzing the diffusional dynamics of nanoparticles on cell membrane plays a significant role in better understanding the cellular uptake process and provides a theoretical basis for the rational design of nano-medicine delivery. Single particle tracking (SPT) analysis could probe the position and orientation of individual nanoparticles on cell membrane, and reveal their translational and rotational states. Here, we show how to use traditional dark-field microscopy to monitor the dynamics of gold nanorods (AuNRs) on live cell membrane. We also show how to extract the location and orientation of AuNRs using ImageJ and MATLAB, and how to characterize the diffusive states of AuNRs. Statistical analysis of hundreds of particles show that single AuNRs perform Brownian motion on the surface of U87 MG cell membrane. However, individual long trajectory analysis shows that AuNRs have two distinctly different types of motion states on the membrane, namely long-range transport and limited-area confinement. Our SPT methods can be potentially used to study the surface or intracellular particle diffusion in different biological cells and can become a powerful tool for investigations of complex cellular mechanisms.

Here, we show the use of traditional dark-field microscopy to monitor the dynamics of gold nanorods (AuNRs) on cell membrane. The location and orientation of single AuNRs are detected using ImageJ and MATLAB, and the diffusive states of AuNRs are characterized by single particle tracking analysis.

단일 나노 입자 암장 현미경 검사를 사용하여 세포 막에 금 나노로드의 확산 역학 시각화

Analyzing the diffusional dynamics of nanoparticles on cell membrane plays a significant role in better understanding the cellular uptake process and ...

생화학

Performing Spectroscopy on Plasmonic Nanoparticles with Transmission-Based Nomarski-Type Differential Interference Contrast Microscopy

Differential interference contrast (DIC) microscopy is a powerful imaging tool that is most commonly employed for imaging microscale objects using visible-range light. The purpose of this protocol is to detail a proven method for preparing plasmonic nanoparticle samples and performing single particle spectroscopy on them with DIC microscopy. Several important steps must be followed carefully in order to perform repeatable spectroscopy experiments. First, landmarks can be etched into the sample substrate, which aids in locating the sample surface and in tracking the region of interest during experiments. Next, the substrate must be properly cleaned of debris and contaminants that can otherwise hinder or obscure examination of the sample. Once a sample is properly prepared, the optical path of the microscope must be aligned, using Kohler Illumination. With a standard Nomarski style DIC microscope, rotation of the sample may be necessary, particularly when the plasmonic nanoparticles exhibit orientation-dependent optical properties. Because DIC microscopy has two inherent orthogonal polarization fields, the wavelength-dependent DIC contrast pattern reveals the orientation of rod-shaped plasmonic nanoparticles. Finally, data acquisition and data analyses must be carefully performed. It is common to represent DIC-based spectroscopy data as a contrast value, but it is also possible to present it as intensity data. In this demonstration of DIC for single particle spectroscopy, the focus is on spherical and rod-shaped gold nanoparticles.

The goal of this protocol is to detail a proven approach for the preparation of plasmonic nanoparticle samples and for performing single particle spectroscopy on them with differential interference contrast (DIC) microscopy.

단일 플라즈몬 나노 입자에서 비선형 산란 측정

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