Este trabajo fue apoyado por el Knut y Alice Wallenberg Foundation, el Consejo de investigación sueco y el Chalmers área de avance Nanociencia y nanotecnología.

<ol>
	<li>Andr&#233;n, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+photothermal+effects+on+optically+trapped+gold+nanorods+by+simultaneous+plasmon+spectroscopy+and+brownian+dynamics+analysis.">Probing photothermal effects on optically trapped gold nanorods by simultaneous plasmon spectroscopy and brownian dynamics analysis.</a> ACS Nano. 11 (10), 10053-10061 (2017).</li><li>Shao, L., Yang, Z. -. 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Los autores no tienen nada que revelar.

La configuración de captura óptica se describe en este protocolo se construye alrededor de un microscopio invertido comercial y utiliza la luz láser rojo. Sin embargo, las técnicas descritas son versátiles y pueden utilizarse para construir pinza óptica circular polarizada alrededor de microscopios más comerciales o de fabricación casera, tanto en posición vertical e invertida, con sólo leves modificaciones. La longitud de onda de láser de captura puede ser elegido dentro de un espectro NIR de–ancho visible, como el resto de los componentes ópticos y detectores son funcionales a esta longitud de onda específica. Sin embargo, al elegir una longitud de onda del láser, el tamaño y la vecindad espectral con resonancias de las partículas a ser manipulado deben considerarse ya que esto afectará a las fuerzas de captura óptica y rotación rendimiento2,5, la magnitud de fototérmica efectos1y la estabilidad de captura26. Previamente hemos trabajado con éxito con pinzas láser Circular polarizado usando longitudes de onda láser de 1064 nm, 660, 785 y 830.
Uno de los componentes más importantes de la configuración de captura óptica es el objetivo del microscopio. El objetivo de este protocolo es un objetivo seco con NA = 0.95. El uso de un objetivo seco experimentalmente es una realización más simple de la instalación; sin embargo, conducir a aberraciones ópticas debido a la refracción en las interfaces de la célula de muestra. En el presente caso, el resultado es un punto de foco ligeramente ampliada (~1.2 μm) en comparación con el límite de difracción (~0.4 μm), pero esto no cambia significativamente el desempeño general o rotatorio de la plataforma. En principio, una amplia gama de objetivos de microscopio puede ser utilizado, siempre que tengan buena transmisión en la longitud de onda de captura, buena polarización mantenimiento y suficientemente larga distancia de trabajo para realizar la captura a través de un microscopio cubreobjetos y capa de agua. En caso de captura de 2D, la NA puede ser relativamente baja, que simplifica todo el experimento y ofrece limpiador de polarización circular en el foco. Sin embargo, mayores potencias de láser podrían ser necesarios que en el caso de un alto objetivo de NA. En nuestra experiencia, el mejor rendimiento para la captura, rotación y campo oscuro espectroscopia se obtiene con objetivos con NA 0.7-0.95, pero es posible utilizar objetivos de NA inferiores como superiores.
Para obtener fotones buena correlación medidas de movimiento de rotación, es necesario un detector rápido píxel. Elija un detector con un ancho de banda mínimo dos, preferentemente diez, veces mayor que la frecuencia de rotación esperada multiplicada por el factor de degeneración forma y alta sensibilidad en la longitud de onda de captura utilizado. Amplificadas Si fotodetectores, fotón, conteo de APDs y PMT se han utilizado con éxito en diferentes configuraciones en nuestros laboratorios. Puede obtener información adicional, por ejemplo en la rigidez de la trampa, midiendo y analizando desplazamiento traslacional de partícula utilizando técnicas bien establecidas como análisis espectral de potencia5. Un número de publicaciones anteriores describe diversas variantes de esta técnica38,39. Espectroscopia de la DF se puede realizar un espacio libre de gama o fibra juntado espectrómetros y la elección debe basarse en el espectro y la longitud de onda y la resolución temporal necesaria para el estudio previsto.
Cuando se realiza un experimento de reventado, partículas adicionales accidentalmente entren en la trampa. Esto puede detectarse mediante el control de la frecuencia de rotación, que fluctuará fuertemente debido al disturbio. Inspección visual por microscopia de la DF puede utilizarse para verificar la presencia de una partícula adicional, en cuyo caso el escenario se puede mover para evitar la perturbación o el experimento necesita ser reiniciado.
El sistema descrito anteriormente es una manera simple y eficiente para realizar el parto 2D y la rotación de las nanopartículas metálicas. Sin embargo, para algunas aplicaciones, el grado de libertad adicional para la manipulación que viene con 3D captura es importante, y la configuración actual, por tanto, es una limitación. Sin embargo, rotación y confinamiento 3D podrían ser alcanzables utilizando propagación contador laser pinzas o configuraciones de captura más exóticas.
Aunque los parámetros de partículas y sistema aquí pueden ser optimizados para reducir fototérmica calefacción debajo de ~ 15 K4, el aumento de temperatura asociado con excitación plasmónica de nanopartículas de metal puede ser problemático en ciertas aplicaciones. Una ruta posible hacia la reducción de calor adicional es utilizar nanopartículas dieléctricas alto índice en lugar de partículas plasmónica. Tales partículas fuertes resonancias de dispersión tipo Mie la ayuda pero al mismo tiempo exhiben coeficientes de absorción intrínseca baja. Recientemente hemos sido capaces de fabricar nanopartículas de Si resonantes coloidales que pueden ser útiles en este respeto40,41.

Los métodos presentados en este artículo replica los utilizados en nuestro trabajo anterior1 para estudiar efectos de fototérmica de nanoescala influir en motores rotativos nanorod oro impulsado por la luz. Variantes de la plataforma experimental se ha utilizado en varias publicaciones relacionadas2,3,4,5,6,7,8, 9.
Pinzas ópticas son ampliamente utilizadas para el control de posición, la fuerza y el ímpetu linear transferencia a escalas pequeña longitud en física, biología e Ingeniería10,11,12,13,14 . Angular momentum por luz circularmente polarizada se puede emplear para el control de movimiento adicionales porque continuamente transferencia de torsión a objetos atrapados15. Combinando óptica transferencia lineal y momento angular, entonces es posible construir no invasiva nanomotors rotatorio con potencial para diversas aplicaciones, tales como el suministro de medicamentos en las células16,17, a nanoescala cirugía18y nanofluídica activo19, entre otros.
Mediante el uso de nanopartículas metálicas como objeto de manipulación por luz, uno puede aprovechar las ventajas de resonancias de plasmón superficial localizada (LSPR), que proporcionan grandes secciones ópticas, alta sensibilidad a cambios ambientales y campo grande mejoras20,21,22,23. Esto ha llevado a una gran cantidad de estudios en el límite entre la plasmónica y manipulación óptica8,24,25,26,27. La fuerte interacción de materia de luz proporcionada por LSPR nos ha permitido diseñar una plataforma donde son capaces de manejar nanobarras de oro para girar en las frecuencias de rotación récord en agua2pinzas láser circular polarizada. Mediante el seguimiento del movimiento browniano de una rotación nanorod, puede obtenerse información detallada sobre su ambiente y temperatura3,5. Análisis espectroscópico simultáneo proporciona un canal de información adicional independiente para analizar la temperatura local y la estabilidad morfológica del nanorod giratoria1. Una gama de sistemas y configuraciones se han utilizado para estudiar y aplicar movimiento de rotación de pinzas ópticas, generando importantes conceptos en el campo28,15,29,30 , 31 , 32. sin embargo, la mayoría de estos estudios ha versado objetos varios micrómetros en diámetro mientras que un nanorod solo da acceso al régimen del tamaño del nanómetro. Además, cuando gold nanorods se utilizan como el nanomotor rotatorio, esfuerzo de torsión es eficientemente transfieren principalmente vía dispersión2,33. Esto disminuye el riesgo de sobrecalentamiento de la partícula atrapada3,34,35.
En el siguiente método, describiremos los pasos necesarios para construir un sistema capaz de captura óptica eficiente y rotación de nanopartículas metálicas. Las nanobarras de oro considerados en estos estudios tienen alta dispersión secciones representativas, y la presión de la radiación resulta para ser más fuerte que la fuerza lucha contra gradiente en la dirección de propagación. Para todavía confinar las partículas en 3D, utilizamos el equilibrio de fuerza entre la repulsión coulombiana de una superficie de vidrio y la fuerza de dispersión de láser en la dirección de propagación. Esta configuración captura 2D grandemente amplía la gama de partículas capturable, en comparación con pinzas ópticas 3D estándar, y puede ser fácilmente combinado con campo oscuro la proyección de imagen óptica y espectroscopía.
Una nanopartícula atrapada y giratoria metal interactúa con su entorno, y toda la información sobre esta interacción está contenida en su movimiento y propiedades espectrales. Después de describir cómo construir la pinza óptica circular polarizada, por lo tanto, también describiremos cómo integrar instrumentación para sondear la dinámica de rotación y para la medición de espectros de dispersión de Rayleigh en el montaje experimental. El resultado es una plataforma versátil para los estudios de los fenómenos de rotación de nanoescala en física, química y biología.
Este protocolo asume que el investigador tiene acceso a coloidales nanopartículas metálicas adecuados, preferiblemente solo nanobarras de oro cristalino. Nanorods de oro pueden ser comprados a empresas especializadas o sintetizados en el laboratorio con métodos de química húmeda. Nanorods utilizados en nuestros experimentos fueron hechos por el método semilla-mediada del crecimiento descrito en Ye et al. 201336. Es ventajoso si la morfología y propiedades ópticas de las nanopartículas están bien caracterizadas, por ejemplo mediante medidas de extinción óptica y microscopía electrónica (SEM). Figura 1 muestra los datos registrados de estas mediciones representativas nanorod tipos1.
Un esquema del protocolo es el siguiente: en la primera sección, describimos la construcción de las pinzas ópticas basadas en polarización circular. En la segunda sección, se describe cómo extraer información del nanomotor registrando sus propiedades de dispersión y dinámica rotacional. La frecuencia de rotación y el movimiento browniano rotacional de la partícula atrapada es medido usando la espectroscopia de correlación de fotones por proyección de luz láser backscattered filtrada a través de un polarizador lineal de un detector rápido píxel3. Ajustando los datos a una función de autocorrelación teórica, la frecuencia de rotación y el tiempo de decaimiento de la difusión browniana rotacional pueden ser extraído2,3. Las propiedades ópticas de las nanopartículas atrapadas y rotación se miden usando la espectroscopia de campo oscuro, que proporciona información complementaria sobre la partícula y su entorno. En la tercera sección, se describe el procedimiento experimental para la captura y la rotación de nanobarras de oro.
El protocolo descrito hasta este punto es un camino directo a un sistema de funcionamiento Circular polarizado pinzas ópticas para rotación de nanopartículas. Sin embargo, a veces surgen problemas que demanda adicional la atención. En la cuarta sección, describiremos algunos de los problemas comunes que hemos encontrado y cómo resolverlos. Estos incluyen temas relacionados con propiedades ópticas de nanopartículas a estabilidad pobre trampa (4.1), bajas frecuencias de rotación debido a la polarización circular suboptimal causada por beamsplitter birrefringencia (4.2), pegarse de nanopartículas en la superficie de vidrio debido a la repulsión coulombiana insuficiente (4.3) y desviación de la señal característica de la autocorrelación (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

La posibilidad de generar y medir la rotación y torsión en la nanoescala es de fundamental interés para el estudio y aplicación de biológicos y artificiales nanomotors y puede proporcionar nuevas rutas hacia análisis unicelular, estudios de no-equilibrio Termodinámica y accionamiento mecánico de sistemas de nanoescala. Una manera fácil de rotación de impulsión es utilizar concentrado de luz láser circular polarizada en pinzas ópticas. Usando este acercamiento, las nanopartículas metálicas pueden funcionar como altamente eficientes motores rotatorios impulsado por la dispersión de spinning en las frecuencias de rotación sin precedentes en el agua.
En este protocolo, esquema de la construcción y operación de pinzas ópticas circularmente polarizada para rotación de nanopartículas y describir la instrumentación necesaria para el registro de la dinámica browniana y la dispersión de Rayleigh de la partícula atrapada. Los espectros de dispersión y el movimiento de rotación proporciona información independiente sobre las propiedades de las nanopartículas y su entorno inmediato. La plataforma experimental ha demostrado ser útil como un indicador de nanoscópicas de viscosidad y temperatura local, para el seguimiento de los cambios morfológicos de nanobarras y recubrimientos moleculares y como un transductor de sonda de fototérmica y procesos termodinámicos.

La rotación y la rotación movimiento browniano de un oro nanorod que correctamente está atrapado en las pinzas láser Circular polarizado pueden ser sondeado registrando fluctuaciones de intensidad de dispersión de la luz (figura 3a) usando un detector píxel. Un espectro de autocorrelación de señal contiene un componente oscilatorio, similar a la que se muestra en la figura 3b. que puede ser apto para una función de autocorrelación teórica. El montaje permite la extracción de la frecuencia de rotación y el tiempo de decaimiento de autocorrelación, que está relacionado con las fluctuaciones browniana rotacionales, la nanorod.
Como se menciona en el protocolo (instrucción 4.4.2), es esencial utilizar un núcleo de fibra suficientemente gruesa para recoger la luz del láser retrodispersión para espectroscopia de correlación de fotones. Si este no es el caso, un término adicional del decaimiento relacionadas con la traducción de la partícula y el volumen de la sonda en la función de correlación, vea la figura 4. A través de un cuidadoso análisis, esto podría proporcionar más información sobre el sistema; sin embargo, complica el análisis de la rotación dinámica browniana contenida en los datos.
Para obtener espectros de dispersión DF correcta de nanopartículas atrapadas, como se describe en la sección 3.5, los datos espectrales deben ser calibrados. Esto se hace registrando el espectro de la lámpara de iluminación, así como un espectro de fondo (figura 5a). Al enfocar la luz láser intensa en una superficie de vidrio, como el sustrato que se encuentran atrapados los nanorods, puede generar cierta fluorescencia (véase la contribución espectral rojo en el espectro del fondo de la figura 5a). Esta contaminación de fluorescencia puede reducirse mediante el uso de sustratos de sílice fundida. Sin embargo, es de todos modos recomienda registrar un espectro de fondo con pinzas ópticas vacías en la potencia del láser correcto. Cuando se registra un espectro de dispersión y todos los componentes espectrales no relacionada con la dispersión de nanopartículas real han sido indemnizados por el espectro puede montarse en la escala de la energía con una función de conexión bi-Lorentzian para extraer información relacionada con la Posiciones de pico LSPR (figura 5b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> Figura 1: imágenes SEM y espectros de extinción conjunto para dos lotes de nanopartículas representante. un) Barra de escala es de 200 nm. b) el azul rodeada de imágenes de SEM de una) corresponden al espectro rojo/azul, respectivamente. Los picos espectrales relacionados con las LSPRs longitudinales y transversales son claramente distinguibles. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> Figura 2: ilustración esquemática de la configuración de pinzas ópticas para las mediciones de rotación de nanopartículas de. Luz láser colimada y ampliada a través de un telescopio de Keplerian y posteriormente guiada por el objetivo mediante el uso de dos espejos móviles (M1, M2) y un beamsplitter (BS). Dos waveplates en la trayectoria del laser optimizar la polarización circular de la pinza óptica (λ/2, λ/4). Luz laser retrodispersión puede recogerse después de un polarizador lineal para mediciones de dinámica rotacional y espectroscopia de correlación de fotones. Después de quitar la luz laser, luz blanca dispersada es guiado por un espectrómetro o una cámara. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> Figura 3: datos representativos de la intensidad y la autocorrelación con curva de ajuste para un nanorod atrapado y girando. un) Fluctuaciones de intensidad registradas por el detector píxel después de un polarizador lineal de 1s y una ampliada en parcela de las fluctuaciones. b) Autocorrelated datos de fluctuación de la intensidad para una rotación nanorod oro (puntos azules), de la luz láser backscattered. Los datos muestran una oscilación que se descompone después de algunos períodos. La oscilación se relaciona con la frecuencia de rotación de la nanorod, mientras que el decaimiento es debido a la rotación movimiento browniano. A adaptarse a la función de autocorrelación teórica se lleva a cabo (línea roja) para extraer una frecuencia de rotación de f = 24285 ± 45 Hz y una correlación decaimiento tiempo τ0 = 40,9 ± 1.06 μs. Las incertidumbres de0 f y τrepresentan intervalos de confianza del 95% del ajuste, que tiene un coeficiente de determinación (R2) de 0.9877. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> Figura 4: problema con un volumen demasiado pequeña sonda en fotones espectroscopia de correlación medidas. un) Datos de autocorrelación para un rotativo nanorod oro, recogidos con un grueso (400 μm, azul datos) y una delgada (62,5 μm, datos rojo) fibra. Colección utilizando una fibra gruesa asegura que el nanorod siempre está confinada dentro del volumen de la sonda y que la función de autocorrelación mide la rotación dinámica sólo. Un término adicional del decaimiento debido a la traslación movimiento browniano está presente cuando la sonda es insuficiente. En b) y c), se muestran ilustraciones esquemáticas de los efectos e imágenes de la región de colección retroiluminado. Barras de escala son 2 μm. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> Figura 5: espectros de dispersión de campo oscuro ejemplar registran para un oro nanorod ópticamente atrapado por la luz de laser 660 nm. La región espectral 630-670 nm (1,85 1,97 eV) se distorsiona debido a filtros de muesca necesarios para bloquear la luz laser de la captura. un) espectros de dispersión crudo (azul oscuro) con características que no son inherentes a la dispersión de la partícula y deben ser calibrados para. Estos incluyen el espectro de fondo (rojo), que contiene el autofluorescence excitados por la luz del láser altamente enfocado, y el espectro de excitación de luz blanca (naranja, registrado sin filtro de la muesca). Después de la calibración, el espectro de dispersión corregida (azul claro) muestra dos picos LSPR distintos como se esperaba. Las flechas indican la escala para cada espectro. b) espectro de dispersión para un nanorod atrapado (puntos azules) junto con un ajuste a la función de modelo bi-Lorentzian (rojo) con sus componentes (azul claro y naranja). La región espectral distorsionada no se respetan en el ajuste de los datos y el ajuste tiene un R2 de 0.9975. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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

Plasmónica nanobarras de oro pueden ser atrapado en líquidos y rotado en frecuencias de kHz usando pinzas ópticas circularmente polarizada. Introducción de herramientas para el análisis de la dinámica browniana y luz scatteringspectroscopy conduce a un sistema de gran alcance para la investigación y aplicación en numerosos campos de la ciencia.

Construcción y operación de un sistema del Motor rotatorio de Nanorod oro impulsado por la luz

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

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8.7K vistas.  Chalmers University of Technology. Plasmónica nanobarras de oro pueden ser atrapado en líquidos y rotado en frecuencias de kHz usando pinzas ópticas circularmente polarizada. Introducción de herramientas para el análisis de la dinámica browniana y luz scatteringspectroscopy conduce a un sistema de gran alcance para la investigación y aplicación en numerosos campos de la ciencia.

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

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.

Trampas ópticas de las 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 ...

Investigación

Ingeniería

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.

Fabricación y operación de una banda 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.

Preparación de ZnO nanorod / grafeno / ZnO nanorod epitaxialLa heteroestructura doble para piezoeléctricas nanogenerador mediante precalentamiento Hidrotermal

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 basado Síntesis de oro 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.

Diseño y montaje de un Microdrive ultraligero motorizado para crónicos Grabaciones neuronales en Pequeños Animales

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

Neurociencias

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.

Producción de Conjuntos de Motores de Dynein y Kinesin en Nanoestructuras de Origami de ADN para Observación de MoléculaS Simples

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 basadas en la luz en superficies para la proyección de imagen Molecular solo

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.

Asamblea de nanobarras de oro en Metamolecules plasmónica quirales mediante plantillas de Origami de ADN

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.

Oro nanorod asistida estimulación óptica de las células neuronales

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.

Caracterización biofísica de las funciones de motor flagelar

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