Name: construction and operation of a light-driven gold nanorod rotary motor system
Uploaded: 2018-06-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System at JoVE.com

Este trabalho foi apoiado pelo Knut e Alice Wallenberg Foundation, o Conselho Sueco de pesquisa e a área de Chalmers de avanço de nanociência e nanotecnologia.

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	<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. -. J., Andr&#233;n, D., Johansson, P., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanorod+rotary+motors+driven+by+resonant+light+scattering.">Gold nanorod rotary motors driven by resonant light scattering.</a> ACS Nano. 9 (12), 12542-12551 (2015).</li><li>Lehmuskero, A., Ogier, R., Gschneidtner, T., Johansson, P., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+spinning+of+gold+nanoparticles+in+water+using+circularly+polarized+light.">Ultrafast spinning of gold nanoparticles in water using circularly polarized light.</a> Nano Letters. 13 (7), 3129-3134 (2013).</li><li>&#352;&#237;pov&#225;, H., Shao, L., Odebo L&#228;nk, N., Andr&#233;n, D., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photothermal+DNA+release+from+laser-tweezed+individual+gold+nanomotors+driven+by+photon+angular+momentum.">Photothermal DNA release from laser-tweezed individual gold nanomotors driven by photon angular momentum.</a> ACS Photonics. , (2018).</li><li>Hajizadeh, F., 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=Brownian+fluctuations+of+an+optically+rotated+nanorod.">Brownian fluctuations of an optically rotated nanorod.</a> Optica. 4 (7), 746-751 (2017).</li><li>Tong, L., Miljkovic, V. D., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alignment,+rotation,+and+spinning+of+single+plasmonic+nanoparticles+and+nanowires+using+polarization+dependent+optical+forces.">Alignment, rotation, and spinning of single plasmonic nanoparticles and nanowires using polarization dependent optical forces.</a> Nano Letters. 10 (1), 268-273 (2009).</li><li>Lehmuskero, A., Li, Y., Johansson, P., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmonic+particles+set+into+fast+orbital+motion+by+an+optical+vortex+beam.">Plasmonic particles set into fast orbital motion by an optical vortex beam.</a> Optics Express. 22 (4), 4349-4356 (2014).</li><li>Lehmuskero, A., Johansson, P., Rubinsztein-Dunlop, H., Tong, L., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+trapping+of+colloidal+metal+nanoparticles.">Laser trapping of colloidal metal nanoparticles.</a> ACS Nano. 9 (4), 3453-3469 (2015).</li><li>Shao, L., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-driven+rotation+of+plasmonic+nanomotors.">Light-driven rotation of plasmonic nanomotors.</a> Advanced Functional Materials. , (2018).</li><li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+a+single-beam+gradient+force+optical+trap+for+dielectric+particles.">Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles.</a> Optics letters. 11 (5), 288-290 (1986).</li><li>Neuman, K. C., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping.">Optical trapping.</a> Review of scientific instruments. 75 (9), 2787-2809 (2004).</li><li>Chu, S., Hollberg, L., Bjorkholm, J. E., Cable, A., Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+viscous+confinement+and+cooling+of+atoms+by+resonance+radiation+pressure.">Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure.</a> Physical Review Letters. 55 (1), 48 (1985).</li><li>Svoboda, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+of+metallic+Rayleigh+particles.">Optical trapping of metallic Rayleigh particles.</a> Optics Letters. 19 (13), 930-932 (1994).</li><li>Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stretching+DNA+with+optical+tweezers.">Stretching DNA with optical tweezers.</a> Biophysical journal. 72 (3), 1335-1346 (1997).</li><li>Friese, M. E. J., Nieminen, T. A., Heckenberg, N. R., Rubinsztein-Dunlop, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+alignment+and+spinning+of+laser-trapped+microscopic+particles.">Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles.</a> Nature. 394 (6691), 348-350 (1998).</li><li>Gao, W., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthetic+micro/nanomotors+in+drug+delivery.">Synthetic micro/nanomotors in drug delivery.</a> Nanoscale. 6 (18), 10486-10494 (2014).</li><li>Li, M., Lohm&#252;ller, T., Feldmann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+injection+of+gold+nanoparticles+into+living+cells.">Optical injection of gold nanoparticles into living cells.</a> Nano Letters. 15 (1), 770-775 (2014).</li><li>Nelson, B. J., Kaliakatsos, I. K., Abbott, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microrobots+for+minimally+invasive+medicine.">Microrobots for minimally invasive medicine.</a> Annual review of biomedical engineering. 12, 55-85 (2010).</li><li>Balk, A. L., 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=Kilohertz+rotation+of+nanorods+propelled+by+ultrasound,+traced+by+microvortex+advection+of+nanoparticles.">Kilohertz rotation of nanorods propelled by ultrasound, traced by microvortex advection of nanoparticles.</a> ACS Nano. 8 (8), 8300-8309 (2014).</li><li>Chen, H., Shao, L., Li, Q., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanorods+and+their+plasmonic+properties.">Gold nanorods and their plasmonic properties.</a> Chemical Society Reviews. 42 (7), 2679-2724 (2013).</li><li>Maier, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Plasmonics: fundamentals and applications. , (2007).</li><li>Xu, H., Bjerneld, E. J., K&#228;ll, M., B&#246;rjesson, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectroscopy+of+single+hemoglobin+molecules+by+surface+enhanced+Raman+scattering.">Spectroscopy of single hemoglobin molecules by surface enhanced Raman scattering.</a> Physical Review Letters. 83 (21), 4357 (1999).</li><li>Chen, H., Kou, X., Yang, Z., Ni, W., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape-and+size-dependent+refractive+index+sensitivity+of+gold+nanoparticles.">Shape-and size-dependent refractive index sensitivity of gold nanoparticles.</a> Langmuir. 24 (10), 5233-5237 (2008).</li><li>Ruijgrok, P. V., Verhart, N. R., Zijlstra, P., Tchebotareva, A. L., Orrit, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brownian+fluctuations+and+heating+of+an+optically+aligned+gold+nanorod.">Brownian fluctuations and heating of an optically aligned gold nanorod.</a> Physical Review Letters. 107 (3), 037401 (2011).</li><li>Pelton, M., 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=Optical+trapping+and+alignment+of+single+gold+nanorods+by+using+plasmon+resonances.">Optical trapping and alignment of single gold nanorods by using plasmon resonances.</a> Optics Letters. 31 (13), 2075-2077 (2006).</li><li>Hansen, P. M., Bhatia, V. K., Harrit, N., Oddershede, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Expanding+the+optical+trapping+range+of+gold+nanoparticles.">Expanding the optical trapping range of gold nanoparticles.</a> Nano Letters. 5 (10), 1937-1942 (2005).</li><li>Ni, W., Ba, H., Lutich, A. A., J&#228;ckel, F., Feldmann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancing+Single-Nanoparticle+Surface-Chemistry+by+Plasmonic+Overheating+in+an+Optical+Trap.">Enhancing Single-Nanoparticle Surface-Chemistry by Plasmonic Overheating in an Optical Trap.</a> Nano Letters. 12 (9), 4647-4650 (2012).</li><li>Liu, M., Zentgraf, T., Liu, Y., Bartal, G., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-driven+nanoscale+plasmonic+motors.">Light-driven nanoscale plasmonic motors.</a> Nature nanotechnology. 5 (8), 570-573 (2010).</li><li>Neale, S. L., MacDonald, M. P., Dholakia, K., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All-optical+control+of+microfluidic+components+using+form+birefringence.">All-optical control of microfluidic components using form birefringence.</a> Nature Materials. 4 (7), 530-533 (2005).</li><li>Jones, P., 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=Rotation+detection+in+light-driven+nanorotors.">Rotation detection in light-driven nanorotors.</a> ACS Nano. 3 (10), 3077-3084 (2009).</li><li>Bonin, K. D., Kourmanov, B., Walker, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+torque+nanocontrol,+nanomotors+and+nanorockers.">Light torque nanocontrol, nanomotors and nanorockers.</a> Optics Express. 10 (19), 984-989 (2002).</li><li>Arita, Y., 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=Rotational+dynamics+and+heating+of+trapped+nanovaterite+particles.">Rotational dynamics and heating of trapped nanovaterite particles.</a> ACS Nano. 10 (12), 11505-11510 (2016).</li><li>Lee, Y. E., Fung, K. H., Jin, D., Fang, N. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+torque+from+enhanced+scattering+by+multipolar+plasmonic+resonance.">Optical torque from enhanced scattering by multipolar plasmonic resonance.</a> Nanophotonics. 3 (6), 343-350 (2014).</li><li>Kyrsting, A., Bendix, P. M., Stamou, D. G., Oddershede, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+profiling+of+three-dimensionally+optically+trapped+gold+nanoparticles+using+vesicle+cargo+release.">Heat profiling of three-dimensionally optically trapped gold nanoparticles using vesicle cargo release.</a> Nano Letters. 11 (2), 888-892 (2010).</li><li>Andres-Arroyo, A., Wang, F., Toe, W. J., Reece, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+heating+in+optically+trapped+au+nanoparticles+measured+by+dark-field+spectroscopy.">Intrinsic heating in optically trapped au nanoparticles measured by dark-field spectroscopy.</a> Biomedical Optics Express. 6 (9), 3646-3654 (2015).</li><li>Ye, X., Zheng, C., Chen, J., Gao, Y., Murray, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+binary+surfactant+mixtures+to+simultaneously+improve+the+dimensional+tunability+and+monodispersity+in+the+seeded+growth+of+gold+nanorods.">Using binary surfactant mixtures to simultaneously improve the dimensional tunability and monodispersity in the seeded growth of gold nanorods.</a> Nano Letters. 13 (2), 765-771 (2013).</li><li>Arias-Gonz&#225;lez, J. R., Nieto-Vesperinas, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+forces+on+small+particles:+attractive+and+repulsive+nature+and+plasmon-resonance+conditions.">Optical forces on small particles: attractive and repulsive nature and plasmon-resonance conditions.</a> JOSA A. 20 (7), 1201-1209 (2003).</li><li>Berg-S&#246;rensen, K., Flyvbjerg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power+spectrum+analysis+for+optical+tweezers.">Power spectrum analysis for optical tweezers.</a> Review of Scientific Instruments. 75 (3), 594-612 (2004).</li><li>Gittes, F., Schmidt, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interference+model+for+back-focal-plane+displacement+detection+in+optical+tweezers.">Interference model for back-focal-plane displacement detection in optical tweezers.</a> Optics Letters. 23 (1), 7-9 (1998).</li><li>Verre, R., 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=Metasurfaces+and+colloidal+suspensions+composed+of+3D+chiral+Si+nanoresonators.">Metasurfaces and colloidal suspensions composed of 3D chiral Si nanoresonators.</a> Advanced Materials. 29 (29), (2017).</li><li>Verre, R., Odebo L&#228;nk, N., Andr&#233;n, D., &#352;&#237;pov&#225;, H., K&#228;ll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+fabrication+of+shaped+high+index+dielectric+nanoparticles+on+a+substrate+and+in+solution.">Large-scale fabrication of shaped high index dielectric nanoparticles on a substrate and in solution.</a> Advanced Optical Materials. , (2018).</li></ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

A configuração de captura óptica descrita neste protocolo é construída em torno de um microscópio invertido comercial e usa a luz do laser vermelho. No entanto, as técnicas descritas são versáteis e podem ser usadas para construir a Pinça óptica circularmente polarizada em torno de microscópios mais comerciais ou construídos em casa, ambos na vertical e invertido, com apenas ligeiras alterações. O comprimento de onda do laser de captura pode ser escolhido dentro de um espectro NIR largura visível–, enquanto o resto dos componentes ópticos e detectores são funcionais neste comprimento de onda específico. No entanto, ao escolher um comprimento de onda do laser, o tamanho e a proximidade espectral com ressonâncias das partículas para ser manipulado devem ser considerados porque isso afetará as forças de captura óptica e rotação desempenho2,5, a magnitude da originando efeitos1e a estabilidade de armadilhagem26. Temos anteriormente trabalhado com êxito com pinças do laser circularmente polarizada usando comprimentos de onda do laser de 660, 785, 830 e 1064 nm.
Um dos componentes mais importantes da instalação do captura óptica é o objetivo do microscópio. O objectivo do presente protocolo é um objectivo seco com at = 0,95. O uso de um objectivo seco experimentalmente é uma realização mais simples da instalação; no entanto, isto leva à aberrações ópticas devido à refração em interfaces de célula de amostra. No presente caso, o resultado é um ponto de foco ligeiramente alargada (~1.2 µm) em comparação com o limite de difração (~0.4 µm), mas isso não altera significativamente o desempenho geral ou rotativo da plataforma. Em princípio, uma ampla gama de objetivos microscópio pode ser usado, desde que tenham boa transmissão no comprimento de onda de captura e manutenção de polarização bom tempo suficiente distância de trabalho para realizar a captura através de um microscópio lamínula e a camada de água. Em caso de interceptação de 2D, o at pode ser relativamente baixo, que faz todo o experimento mais simples e fornece a polarização circular mais limpa no foco. No entanto, maiores potências do laser podem ser necessárias que em caso de um objetivo NA alto. Em nossa experiência, o melhor desempenho para a captura, espectroscopia de rotação e campo escuro é obtida com objectivos com at 0.7-0.95, mas é possível usar menores, bem como maiores objetivos at.
Para obter boa fóton medições de correlação de movimento giratório, é necessário um detector rápido single-pixel. Escolha um detector com uma largura de banda de pelo menos dois, usado de preferência dez, vezes maior do que a frequência de rotação esperado multiplicada pelo fator de degeneração da forma e alta sensibilidade no comprimento de onda de armadilhagem. Amplificado Si fotodetectores, fotão contando APDs e PMTs têm sido utilizados com sucesso em diferentes configurações em nossos laboratórios. Informações adicionais, por exemplo, na rigidez de armadilha, podem ser obtidas medindo e analisando o deslocamento de translação de partícula utilizando técnicas bem estabelecidas como análise espectral de potência5. Um número de publicações anteriores descreve diferentes variantes desta técnica38,39. Espectroscopia de DF pode ser executada usando um ampla gama espaço livre ou fibra acoplado espectrómetros e a escolha deve basear-se na faixa espectral e comprimento de onda e resolução temporal necessária para o estudo planejado.
Ao realizar um experimento de armadilhagem, partículas adicionais podem acidentalmente entrar na armadilha. Isto pode ser detectado pelo monitoramento da frequência de rotação, que irá variar fortemente devido a perturbação. Inspeção visual por microscopia do DF pode ser usada para verificar a presença de uma partícula adicional, caso em que o estágio pode ser movido para evitar uma perturbação ou o experimento precisa ser reiniciado.
O sistema descrito acima é uma maneira simples e eficiente para realizar a confinamento 2D e rotação de nanopartículas metálicas. No entanto, para algumas aplicações, o grau de liberdade extra para manipulação que vem com interceptação de 3D é importante, e a configuração atual, portanto, é uma limitação. No entanto, rotação e confinamento 3D podem ser realizáveis, utilizando o contador de propagação do laser pinças ou configurações de trapping mais exóticas.
Embora os parâmetros das partículas e sistema discutidos aqui podem ser otimizados para reduzir originando aquecimento para abaixo de 15 ~ K4, o aumento de temperatura associado plasmônico excitação de nanopartículas de metal pode ser problemático em certos aplicações. Uma via possível para a redução de calor mais é usar nanopartículas dielétricas elevado-índice ao invés de partículas plasmônico. Tais partículas fortes ressonâncias de espalhamento de Mie-tipo de apoio, mas ao mesmo tempo apresentam coeficientes de baixa absorção intrínseca. Recentemente fomos capazes de fabricar nanopartículas de Si ressonantes coloidal que podem ser útil neste respeito40,41.

Os métodos apresentados neste artigo Replica aqueles usados no nosso anterior trabalho1 para estudar a nanoescala originando efeitos influenciando orientado a luz ouro nanorod motores rotativos. Variantes da plataforma experimental tem sido utilizado em várias publicações relacionadas2,3,4,5,6,7,8, 9.
Pinça óptica é amplamente utilizada para controlar a transferência de posição, força e momento linear em escalas de comprimento pequeno em física, biologia e engenharia10,11,12,13,14 . Momento angular, levado pela luz circularmente polarizada pode ser empregado para controle de movimento adicionais porque isso continuamente transferir o torque para objetos presos15. Combinando ótica transferência linear e momento angular, então é possível construir invasivo nanomotores giratório com potencial para diversas aplicações, tais como entrega de drogas em células únicas16,17, nanoescala cirurgia de18e ativo nanofluidics19, entre outros.
Por meio de nanopartículas metálicas como objecto de manipulação conduzida luz, um pode explorar as vantagens de ressonâncias de plasmon de superfície localizadas (LECC), que fornecem grandes seções Cruz óticas, alta sensibilidade às mudanças ambientais e campo grande Aprimoramentos de20,21,22,23. Isto levou a uma grande variedade de estudos na fronteira entre plasmonics e manipulação óptica8,24,25,26,27. A forte interação luz-matéria fornecida pelo LECC nos permitiu projetar uma plataforma onde pinça circularmente polarizada do laser é capaz de conduzir nanorods ouro que giram em frequências de rotação recorde na água2. Seguindo o movimento browniano de uma rotação nanorod, informações detalhadas sobre seu ambiente e a temperatura podem ser obtidas de3,5. Análise espectroscópica simultânea fornece um canal de informação adicional independente para análise da temperatura local e a estabilidade morfológica do giro nanorod1. Uma gama de configurações e sistemas têm sido utilizados para o estudo e aplicação de movimento rotativo em Pinça óptica, gerando insights importantes dentro do campo,15,28,29,30 , 31 , 32. no entanto, a maioria destes estudos lidaram com objetos vários micrômetros de diâmetro enquanto um único nanorod dá acesso ao regime de tamanho de nanômetros. Além disso, quando ouro nanorods são usados como o nanomotor giratório, torque é eficientemente transferidos principalmente através do espalhamento2,33. Isso diminui o risco de superaquecimento da partícula presa3,34,35.
No método a seguir, descrevem as etapas necessárias para construir um sistema capaz de trapping óptico eficiente e rotação de nanopartículas de metal. Os ouro nanorods considerados nestes estudos têm alto espalhamento seções transversais, e a pressão de radiação acaba por ser mais forte que a força de gradiente de luta contra a direção de propagação. Confinar as partículas em 3D ainda, nós utilizamos o força de equilíbrio entre a repulsão de Coulomb de uma superfície de vidro e a força de dispersão de laser na direção de propagação. Esta configuração 2D retêm grandemente expande a gama de partículas interceptáveis, em comparação com a Pinça óptica 3D padrão, e pode ser facilmente combinada com espectroscopia e imagem latente ótica de campo escuro.
Uma presa e rotativa nanopartículas de metal interage com seu ambiente, e informações detalhadas sobre essa interação estão contidas em seu movimento e propriedades espectrais. Após descrever como construir a Pinça óptica circularmente polarizada, portanto, também descrevem como integrar instrumentação para sondagem dinâmica rotacional e para medir a dispersão de Rayleigh espectros na instalação experimental. O resultado é uma plataforma versátil para estudos de fenômenos de rotação nanoescala em física, química e biologia.
Este protocolo assume que o pesquisador tem acesso adequados nanopartículas de metal coloidal, de preferência único nanorods ouro cristalino. Nanorods ouro pode ser comprado de empresas especializadas ou sintetizados em casa usando métodos molhado-química. Os nanorods usadas em nossos experimentos foram feitos pelo método semente-mediada do crescimento descrito em Ye et al 201336. É vantajoso se a morfologia e propriedades ópticas das nanopartículas são bem caracterizadas, por exemplo, utilizando microscopia eletrônica de varredura (SEM) e medições ópticas de extinção. Figura 1 exibe dados gravados a partir de tais medições para tipos de representante nanorod1.
Um esboço do protocolo é a seguinte: na primeira seção, descrevemos a construção da pinça óptica baseada na polarização circular. Na segunda seção, descrevemos como extrair informações do nanomotor gravando suas propriedades de espalhamento e dinâmica rotacional. A frequência de rotação e o movimento browniano rotacional da partícula presa é medido usando espectroscopia de correlação de fótons por projetando luz de laser retroespalhados filtrada através de um polarizador linear em um único pixel rápido detector3. Encaixando os dados para uma função de autocorrelação teórica, tanto a frequência de rotação e o tempo de decaimento de difusão browniana rotacional podem ser extraído de2,3. As propriedades ópticas da presa e rotação de nanopartículas são medidas usando espectroscopia de campo escuro, que fornece informações complementares sobre a partícula e seu ambiente. Na terceira seção, descrevemos o procedimento experimental para a caça com armadilhas e rotação de ouro nanorods.
O protocolo descrito até agora é um caminho simples para um sistema funcional de Pinça óptica circularmente polarizada para rotação de nanopartículas. No entanto, às vezes surgir questões que atenção adicional de demanda. Na quarta seção, descrevem alguns dos problemas comuns que encontramos e como endereçá-los. Estas incluem questões relacionadas com nanopartículas propriedades ópticas levando a estabilidade pobre armadilha (4.1), baixas frequências de rotação, devido à qualidade inferior polarização circular causada por refletores birrefringência (4.2), colagem de nanopartículas na superfície de vidro devido a repulsão de Coulomb insuficiente (4.3) e o desvio do sinal característico de autocorrelação (4.4).

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

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

A possibilidade de gerar e medir a rotação e o torque em nanoescala é de interesse fundamental para o estudo e a aplicação de nanomotores artificiais e biológicos e pode fornecer novas rotas para análise de célula única, estudos de não-equilíbrio termodinâmica e mecânico acionamento dos sistemas de escala nanométrica. Uma forma de rotação do disco é usar concentrado de luz laser circularmente polarizada em Pinça óptica. Usando essa abordagem, nanopartículas metálicas podem ser operadas como altamente eficientes motores rotativos orientado a dispersão, girando em frequências de rotação sem precedentes na água.
Neste protocolo, podemos delinear a construção e operação da pinça óptica circularmente polarizada para rotação de nanopartículas e descrever a instrumentação necessária para a gravação a dinâmica Brownian e a dispersão de Rayleigh da partícula presa. O movimento rotacional e os espectros de dispersão fornece informações independentes sobre as propriedades da nanopartículas e seu ambiente imediato. A plataforma experimental tem sido útil como um indicador de nanoscópico de viscosidade e temperatura local, para acompanhamento de alterações morfológicas nanorods e revestimentos moleculares e como um transdutor e sonda de fototérmicos e processos termodinâmicos.

A rotação e movimento browniano rotacional de um nanorod de ouro que está devidamente presa na pinça a laser circularmente polarizada podem ser sondado por flutuações de intensidade de espalhamento de luz (Figura 3a) usando um detector de single-pixel de gravação. Um espectro de autocorrelação deste sinal contém um componente oscilatório, semelhante ao mostrado na Figura 3b. que pode estar apto para uma função de autocorrelação teórica. A instalação permite a extração da frequência de rotação e o tempo de decaimento de autocorrelação, que está relacionado com as flutuações de Brownian rotacionais, da nanorod.
Como mencionado no protocolo (instrução 4.4.2), é essencial usar um núcleo de fibra suficientemente espessa para coletar a luz de laser retroespalhados para espectroscopia de correlação de fótons. Se este não for o caso, um termo decadência adicionais relacionado com tradução de partícula dentro e fora do volume de sonda irá estar presente na função de correlação, veja a Figura 4. Através de uma análise cuidadosa, isto poderia fornecer mais informações sobre o sistema; no entanto, complica a análise da dinâmica Brownian rotacional contida nos dados.
Para obter espectros de dispersão DF corretos de nanopartículas presas, conforme descrito na seção 3.5, os dados brutos espectrais precisam ser calibrado. Isto é feito registrando-se o espectro da lâmpada de iluminação, bem como um espectro de fundo (Figura 5a). Quando o foco de luz de laser intensa em uma superfície de vidro, tais como o substrato contra a qual os nanorods são presos, alguns fluorescência pode ser gerada (ver a contribuição espectral vermelha no espectro de plano de fundo da Figura 5a). Esta contaminação de fluorescência pode ser reduzida pelo uso de substratos de sílica fundida. No entanto, é de qualquer forma altamente recomendável para gravar um espectro de fundo com pinça óptica vazia com a potência correta do laser. Quando um espectro de dispersão é gravado e todos os componentes espectrais não relacionados com a dispersão de nanopartículas real tem sido compensados para, o espectro pode ser fixado em escala de energia com uma função bi-Lorentziana encaixe para extrair informações relacionados com o Posições de pico do LECC (Figura 5b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> Figura 1: SEM imagens e espectros de extinção ensemble para dois lotes de nanopartículas representativa. um) Barra de escala é de 200 nm. b) o azul/vermelho rodeado de imagens SEM em um) correspondem ao espectro vermelho/azul, respectivamente. Os picos espectrais relacionados com as LSPRs transversais e longitudinais são claramente distinguíveis. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> Figura 2: ilustração esquemática da instalação de Pinça óptica para medição de rotação de nanopartículas. Luz laser é colimado expandiu-se através de um telescópio e posteriormente orientou para o objectivo através do uso de dois espelhos móveis (M1, M2) e um refletor (BS). Dois waveplates no caminho do laser otimizar a polarização circular da pinça óptica (λ/2, λ/4). Luz laser retroespalhados pode ser coletado após um polarizador linear para espectroscopia de correlação de fótons e medições de dinâmica rotacional. Depois de retirar a luz do laser, luz branca espalhada é guiado para um espectrômetro ou uma câmera. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> Figura 3: dados representativos de intensidade e autocorrelação com curva de ajuste para uma presa e rotativa nanorod. um) Flutuações de intensidade registadas pelo detector único pixel após um polarizador linear para 1s e um enredo ampliado das flutuações. b) Autocorrelated dados de flutuação de intensidade para um nanorod de ouro rotativa (pontos azuis), coletados de luz laser retroespalhados. Os dados mostram uma oscilação que decai após alguns períodos. A oscilação está relacionada com a frequência de rotação da nanorod, Considerando que a decadência é devido ao movimento browniano rotacional. A apto para a função de autocorrelação teórica é realizada (linha vermelha) para extrair uma frequência de rotação de f = 24285 ± 45 Hz e uma correlação da deterioração tempo τ0 = 40,9 ± 1,06 µs. As incertezas0 f e τrepresentam os intervalos de confiança de 95% do ajuste, que tem um coeficiente de determinação (R2) de 0.9877. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> Figura 4: problema com um volume muito pequeno de sonda em medições de espectroscopia de correlação de fótons. um) Dados de autocorrelação para uma rotação nanorod ouro, coletados usando uma espessa (dados de 400 µm, azul) e uma fina (62,5 µm, dados vermelhos) fibra. Coleção usando uma fibra grossa garante que o nanorod está sempre confinado dentro do volume de sonda e que a função de autocorrelação mede a rotação dinâmica apenas. Um termo adicional de deterioração devido ao movimento browniano translacional está presente quando o volume de sonda é insuficiente. Em b) e c), ilustrações esquemáticas do efeito e imagens da coleção de back-iluminado região são mostradas. Barras de escala são 2 µm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> Figura 5: espectros de dispersão do campo escuro exemplar registrado para um nanorod ouro opticamente preso por 660 nm laser luz. A região espectral 630-670 nm (1,85-1,97 eV) é distorcido devido ao entalhe filtros necessários para bloquear a luz do laser de armadilhagem. um) espectros de dispersão Raw (azul escuro) exibindo características que não são inerentes a dispersão da partícula e devem ser calibradas para. Estes incluem o espectro de fundo (vermelho), que contém autofluorescência animado com a luz de laser altamente concentrado, e o espectro de excitação de luz branca (laranja, gravado sem filtro notch). Após a calibração, o espectro de dispersão corrigida (luz azul) mostra dois picos de LECC distintos conforme o esperado. As setas indicam a escala para cada espectro. b) espectro de espalhamento para um preso nanorod (pontos azuis) juntamente com um ajuste para a função de modelo bi-Lorentziana (vermelho) com seus componentes (azul claro e laranja). A região espectral distorcida é desconsiderada no encaixe dos dados e o ajuste tem um R2 de 0.9975. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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

Plasmônico nanorods ouro pode ser preso em líquidos e girado em frequências kHz usando Pinça óptica circularmente polarizada. Introdução de ferramentas de análise dinâmica Brownian e scatteringspectroscopy luz leva a um poderoso sistema para pesquisa e aplicação em inúmeros campos da ciência.

Construção e operação de um sistema de Motor controlado por luz ouro Nanorod Rotary

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

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8.8K visualizações.  Chalmers University of Technology. Plasmônico nanorods ouro pode ser preso em líquidos e girado em frequências kHz usando Pinça óptica circularmente polarizada. Introdução de ferramentas de análise dinâmica Brownian e scatteringspectroscopy luz leva a um poderoso sistema para pesquisa e aplicação em inúmeros campos da ciência.

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Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

Captura óptica de nanopartículas

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Engenharia

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.

Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica

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

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.

Preparação de ZnO nanorod / Grafeno / ZnO nanorod Epitaxial Duplo heterostructure para piezoelétricos nanogenerator usando pré-aquecimento Hydrothermal

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

Hydroquinone Based Synthesis of Gold Nanorods

Gold nanorods are an important kind of nanoparticles characterized by peculiar plasmonic properties. Despite their widespread use in nanotechnology, the synthetic methods for the preparation of gold nanorods are still not fully optimized. In this paper we describe a new, highly efficient, two-step protocol based on the use of hydroquinone as a mild reducing agent. Our approach allows the preparation of nanorods with a good control of size and aspect ratio (AR) simply by varying the amount of hexadecyl trimethylammonium bromide (CTAB) and silver ions (Ag+) present in the "growth solution". By using this method, it is possible to markedly reduce the amount of CTAB, an expensive and cytotoxic reagent, necessary to obtain the elongated shape. Gold nanorods with an aspect ratio of about 3 can be obtained in the presence of just 50 mM of CTAB (versus 100 mM used in the standard protocol based on the use of ascorbic acid), while shorter gold nanorods are obtained using a concentration as low as 10 mM.

This paper describes a protocol for the synthesis of gold nanorods, based on the use of hydroquinone as reducing agent, plus the different mechanisms for controlling their size and aspect ratio.

Hidroquinona baseada Síntese de ouro Nanorods

Gold nanorods are an important kind of nanoparticles characterized by peculiar plasmonic properties. Despite their widespread use in nanotechnology, the ...

Química

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

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

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

Concepção e montagem de um Microdrive Ultra-leve motorizada para doenças crônicas Recordings Neurais em Pequenos Animais

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

Neurociência

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

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

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

Produção de conjuntos de motor de dynein e de Kinesin em nanostructures do ADN origami para a única observação da molécula

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

Bioquímica

Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging

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

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

Motores moleculares orientado a luz em superfícies para única imagem Molecular

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

Assembly of Gold Nanorods into Chiral Plasmonic Metamolecules Using DNA Origami Templates

The inherent addressability of DNA origami structures makes them ideal templates for the arrangement of metal nanoparticles into complex plasmonic nanostructures. The high spatial precision of a DNA origami-templated assembly allows controlling the coupling between plasmonic resonances of individual particles and enables tailoring optical properties of the constructed nanostructures. Recently, chiral plasmonic systems attracted a lot of attention due to the strong correlation between the spatial configuration of plasmonic assemblies and their optical responses (e.g., circular dichroism [CD]). In this protocol, we describe the whole workflow for the generation of DNA origami-based chiral assemblies of gold nanorods (AuNRs). The protocol includes a detailed description of the design principles and experimental procedures for the fabrication of DNA origami templates, the synthesis of AuNRs, and the assembly of origami-AuNR structures. In addition, the characterization of structures using transmission electron microscopy (TEM) and CD spectroscopy is included. The described protocol is not limited to chiral configurations and can be adapted for the construction of various plasmonic architectures.

We describe the detailed protocol for the DNA origami-based assembly of gold nanorods into chiral plasmonic metamolecules with strong chiroptical responses. The protocol is not limited to chiral configurations and can be easily adapted for the fabrication of various plasmonic architectures.

Montagem de Nanobastões de Ouro em Metamoléculas Plasmônicas Quirais Usando Modelos de Origami de DNA

The inherent addressability of DNA origami structures makes them ideal templates for the arrangement of metal nanoparticles into complex plasmonic ...

Gold Nanorod-assisted Optical Stimulation of Neuronal Cells

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

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

Ouro nanorod assistida estimulação óptica de Neuronal Cells

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

Biophysical Characterization of Flagellar Motor Functions

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

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

Caracterização biofísica das funções Flagellar motor

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