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>&#160;charge-coupled device</td>
			<td>Andor Technology, UK</td>
			<td>iDus DV420A-OE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>acousto-optic modulators</td>
			<td>&#160;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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Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the milli-scale structure of barbs and barbules largely determines the directional pattern of reflected light; and through the macro-scale spatial structure of overlapping, curved feathers, these directional effects create the visual texture. Milli-scale and macro-scale effects determine where on the organism's body, and from what viewpoints and under what illumination, the iridescent colors are seen. Thus, the highly directional flash of brilliant color from the iridescent throat of a hummingbird is inadequately explained by its nano-scale structure alone and questions remain. From a given observation point, which milli-scale elements of the feather are oriented to reflect strongly? Do some species produce broader "windows" for observation of iridescence than others? These and similar questions may be asked about any organisms that have evolved a particular surface appearance for signaling, camouflage, or other reasons.
In order to study the directional patterns of light scattering from feathers, and their relationship to the bird's milli-scale morphology, we developed a protocol for measuring light scattered from biological materials using many high-resolution photographs taken with varying illumination and viewing directions. Since we measure scattered light as a function of direction, we can observe the characteristic features in the directional distribution of light scattered from that particular feather, and because barbs and barbules are resolved in our images, we can clearly attribute the directional features to these different milli-scale structures. Keeping the specimen intact preserves the gross-scale scattering behavior seen in nature. The method described here presents a generalized protocol for analyzing spatially- and directionally-varying light scattering from complex biological materials at multiple structural scales.

We present a non-destructive method for sampling spatial variation in the direction of light scattered from structurally complex materials. By keeping the material intact, we preserve gross-scale scattering behavior, while concurrently capturing fine-scale directional contributions with high-resolution imaging. Results are visualized in software at biologically-relevant positions and scales.

생물 재료의 공간적 및 방향성에 따라 변화 광산란 측정

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

연구

공학

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on photoconduction, which has been one of the most commonly used techniques for terahertz generation 1-8. Terahertz generation in a photoconductive emitter is achieved by pumping an ultrafast photoconductor with a pulsed or heterodyned laser illumination. The induced photocurrent, which follows the envelope of the pump laser, is routed to a terahertz radiating antenna connected to the photoconductor contact electrodes to generate terahertz radiation. Although the quantum efficiency of a photoconductive emitter can theoretically reach 100%, the relatively long transport path lengths of photo-generated carriers to the contact electrodes of conventional photoconductors have severely limited their quantum efficiency. Additionally, the carrier screening effect and thermal breakdown strictly limit the maximum output power of conventional photoconductive terahertz sources. To address the quantum efficiency limitations of conventional photoconductive terahertz emitters, we have developed a new photoconductive emitter concept which incorporates a plasmonic contact electrode configuration to offer high quantum-efficiency and ultrafast operation simultaneously. By using nano-scale plasmonic contact electrodes, we significantly reduce the average photo-generated carrier transport path to photoconductor contact electrodes compared to conventional photoconductors 9. Our method also allows increasing photoconductor active area without a considerable increase in the capacitive loading to the antenna, boosting the maximum terahertz radiation power by preventing the carrier screening effect and thermal breakdown at high optical pump powers. By incorporating plasmonic contact electrodes, we demonstrate enhancing the optical-to-terahertz power conversion efficiency of a conventional photoconductive terahertz emitter by a factor of 50 10.

We describe methods for the design, fabrication, and experimental characterization of plasmonic photoconductive emitters, which offer two orders of magnitude higher terahertz power levels compared to conventional photoconductive emitters.

Plasmonic의 광전 테라 헤르츠 터의 설계, 제작 및 실험 특성

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

Visible-light Induced Reduction of Graphene Oxide Using Plasmonic Nanoparticle

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using visible light irradiation with plasmonic nanoparticles. The plasmonic nanoparticle is used to improve the reduction efficiency of GO. It only takes 30 min&#160;at RT by illuminating the solutions with Xe-lamp, the r-GO solutions can be obtained by completely removing gold nanoparticles through simple centrifugation step. The spherical gold nanoparticles (AuNPs) as compared to the other nanostructures is the most suitable plasmonic nanostructure for r-GO preparation. The reduced graphene oxide prepared using visible light and AuNPs was equally qualitative as chemically reduced graphene oxide, which was supported by various analytical techniques such as UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy, powder XRD and XPS. The reduced graphene oxide prepared with visible light shows excellent quenching properties over the fluorescent molecules modified on ssDNA and excellent fluorescence recovery for target DNA detection. The r-GO prepared by recycled AuNPs is found to be of same quality with that of chemically reduced r-GO. The use of visible light with plasmonic nanoparticle demonstrates the good alternative method for r-GO synthesis.

A simple protocol for the preparation of reduced graphene oxide using visible light and plasmonic nanoparticle is described.

플라즈몬 나노 입자를 사용하여 그래 핀 산화물의 가시 광선 유도 감소

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using ...

A System to Create Stable Nanoparticle Aerosols from Nanopowders

Nanoparticle aerosols released from nanopowders in workplaces are associated with human exposure and health risks. We developed a novel system, requiring minimal amounts of test materials (min. 200 mg), for studying powder aerosolization behavior and aerosol properties. The aerosolization procedure follows the concept of the fluidized-bed process, but occurs in the modified volume of a V-shaped aerosol generator. The airborne particle number concentration is adjustable by controlling the air flow rate. The system supplied stable aerosol generation rates and particle size distributions over long periods (0.5-2 hr and possibly longer), which are important, for example, to study aerosol behavior, but also for toxicological studies. Strict adherence to the operating procedures during the aerosolization experiments ensures the generation of reproducible test results. The critical steps in the standard protocol are the preparation of the material and setup, and the aerosolization operations themselves. The system can be used for experiments requiring stable aerosol concentrations and may also be an alternative method for testing dustiness. The controlled aerosolization made possible with this setup occurs using energy inputs (may be characterized by aerosolization air velocity) that are within the ranges commonly found in occupational environments where nanomaterial powders are handled. This setup and its operating protocol are thus helpful for human exposure and risk assessment.

We designed and developed an effective nanopowder aerosolization setup and operating protocol. The system generated nanoparticle aerosols with stable number concentrations and size distributions for long durations, requiring only small quantities of test material (min. 200 mg).

시스템은 나노 분말에서 안정적인 나노 입자 에어로졸을 만드는 방법

Nanoparticle aerosols released from nanopowders in workplaces are associated with human exposure and health risks. We developed a novel system, requiring ...

Testing of Nanoparticle Release from a Composite Containing Nanomaterial Using a Chamber System

With the rapid development of nanotechnology as one of the most important technologies in the 21st century, interest in the safety of consumer products containing nanomaterials is also increasing. Evaluating the nanomaterial release from products containing nanomaterials is a crucial step in assessing the safety of these products, and has resulted in several international efforts to develop consistent and reliable technologies for standardizing the evaluation of nanomaterial release. In this study, the release of nanomaterials from products containing nanomaterials is evaluated using a chamber system that includes a condensation particle counter, optical particle counter, and sampling ports to collect filter samples for electron microscopy analysis. The proposed chamber system is tested using an abrasor and disc-type nanocomposite material specimens to determine whether the nanomaterial release is repeatable and consistent within an acceptable range. The test results indicate that the total number of particles in each test is within 20% from the average after several trials. The release trends are similar and they show very good repeatability. Therefore, the proposed chamber system can be effectively used for nanomaterial release testing of products containing nanomaterials.

Nanoparticle release is tested using a chamber system that includes a condensation particle counter, an optical particle counter and sampling ports to collect filter samples for microscopy analysis. The proposed chamber system can be effectively used for nanomaterial release testing with a repeatable and consistent data range.

재판부 시스템을 사용하여 나노 재료를 포함하는 복합에서 나노 입자 릴리스의 테스트

With the rapid development of nanotechnology as one of the most important technologies in the 21st century, interest in the safety of consumer products ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

공기에서 유전체 미세 입자의 광학 트랩로드

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

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 ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light scattering from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles. This protocol describes the SLSP platform and how it employs a 360&#176; rotational photodetector sensor that is scanned around an IOL sample while recording the intensity and location of scattered light as it passes through the IOL medium. The SLSP platform can be used to predict, non-clinically, the propensity for current and novel IOL designs and materials to induce light scatter. Non-clinical evaluation of light scattering properties of IOLs can significantly reduce the number of patient complaints related to unwanted glare, glistening, optical defects, poor image quality, and other phenomena associated with the unintended light scattering. Future studies should be conducted to correlate SLSP data with clinical results to help identify which measured light scatter is most problematic for patients that have undergone cataract surgery subsequent to IOL implantation.

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

This protocol describes the scanning light scattering profiler (SLSP) that enables the full-angle quantitative evaluation of forward and backward scattering of light from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles.

SLPS (Scanning Profiling Profiler) 기반 방법론으로 안구 내 렌즈의 전방 및 후방 산란을 정량적으로 평가

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

Standardized Method for Measuring Collection Efficiency from Wipe-sampling of Trace Explosives

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common procedure for collecting traces of explosives, and standardized measurements of collection efficiency are needed to evaluate and optimize sampling protocols. The approach described here is designed to provide this measurement infrastructure, and controls most of the factors known to be relevant to wipe-sampling. Three critical factors (the applied force, travel distance, and travel speed) are controlled using an automated device. Test surfaces are chosen based on similarity to the screening environment, and the wipes can be made from any material considered for use in wipe-sampling. Particle samples of the explosive 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX) are applied in a fixed location on the surface using a dry-transfer technique. The particle samples, recently developed to simulate residues made after handling explosives, are produced by inkjet printing of RDX solutions onto polytetrafluoroethylene (PTFE) substrates. Collection efficiency is measured by extracting collected explosive from the wipe, and then related to critical sampling factors and the selection of wipe material and test surface. These measurements are meant to guide the development of sampling protocols at screening venues, where speed and throughput are primary considerations.

Optimized sampling protocols and the development of new wipe materials can be facilitated by standardized measurements of collection efficiency from wipe-sampling. Our approach for sampling trace explosives uses an automated device to control speed, force, and distance during wipe-sampling followed by extraction of collected explosives.

추적 폭발물 닦아 샘플링에서 수집 효율을 측정하는 표준화 된 방법

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common ...

Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&#233; Fringes

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. The developed technique can be performed in two ways: using the reconstructed multiplication moir&#233; method or the spatial phase-shifting sampling moir&#233; method. When the specimen grid pitch is around 2 pixels, 2-pixel sampling moir&#233; fringes are generated to reconstruct a multiplication moir&#233; pattern for a deformation measurement. Both the displacement and strain sensitivities are twice as high as in the traditional scanning moir&#233; method in the same wide field of view. When the specimen grid pitch is around or greater than 3 pixels, multi-pixel sampling moir&#233; fringes are generated, and a spatial phase-shifting technique is combined for a full-field deformation measurement. The strain measurement accuracy is significantly improved, and automatic batch measurement is easily achievable. Both methods can measure the two-dimensional (2D) strain distributions from a single-shot grid image without rotating the specimen or scanning lines, as in traditional moir&#233; techniques. As examples, the 2D displacement and strain distributions, including the shear strains of two carbon fiber-reinforced plastic specimens, were measured in three-point bending tests. The proposed technique is expected to play an important role in the non-destructive quantitative evaluations of mechanical properties, crack occurrences, and residual stresses of a variety of materials.

A sampling moir&#233; technique featuring 2-pixel and multi-pixel sampling methods for high-accuracy strain distribution measurements at the micro/nano-scale is presented here.

샘플링 모아레 프린지에서의 마이크로 / 나노 스케일 변형률 측정

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. ...