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

עבודה זו נתמכה על ידי את קנוט, אליס ולנברג קרן, המועצה למחקר השבדי האזור צ'אלמרס מראש וננו -טכנולוגיה.

<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. -. 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>

המחברים אין לחשוף.

הגדרת השמנה אופטי שמתואר פרוטוקול זה בנוי סביב מיקרוסקופ הפוכה מסחרי ומשתמש אור לייזר אדום. עם זאת, טכניקות המתוארים הם מגוונים, ניתן להשתמש כדי לבנות מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי סביב מיקרוסקופים הכי מסחרי או מתוצרת בית, שניהם זקופים, הפוכה, עם רק קלה שינויים. ניתן לבחור את אורך הגל של הלייזר השמנה בתוך הספקטרום ניר רחב גלוי–, כל עוד שארית רכיבים אופטיים וגלאי מתפקדים ובאורך הגל הספציפי הזה. יחד עם זאת, בעת בחירת אורך גל לייזר, בקרבת ספקטרלי מגנטיים של החלקיקים להיות מתומרן וגודל יש לקחת בחשבון כי זה ישפיע על השמנה אופטי כוחות ועל ביצועים סיבוב2,5, סדר הגודל של photothermal אפקטים1ו- יציבות השמנה26. בהצלחה בעבר עבדנו עם פינצטה מקוטב באופן מעגלי לייזר באמצעות לייזר אורכי הגל של 660, 785, 830 1064 ננומטר.
אחד המרכיבים החשובים ביותר של ההתקנה השמנה אופטי הוא המטרה מיקרוסקופ. המטרה של פרוטוקול זה היא מטרה יבש עם NA = 0.95. השימוש של מטרה יבש הוא השפעול הבנה פשוטה של ההתקנה; עם זאת, הדבר עלול להוביל סטיות אופטי עקב שבירה ממשקי תא הדגימה. במקרה הנוכחי, התוצאה היא נקודת המוקד מעט מוגדלת (~1.2 מיקרומטר) לעומת המגבלה עקיפה (~0.4 מיקרומטר), אך אפשרות זו אינה משנה באופן משמעותי את הביצועים הכללי או חוגה של הפלטפורמה. שבעיקרון מגוון רחב של מטרות מיקרוסקופ יכול להיות בשימוש, סיפק שלהם שידור טוב על הגל השמנה, תחזוקה טובה קיטוב, מספיק זמן ומרחק עבודה לבצע השמנה דרך מיקרוסקופ כיסוי slip שכבה של מים. במקרה של השמנה 2D, NA יכול להיות נמוך יחסית, אשר הופך את הניסוי כולו פשוט ומספק כלי הניקוי קיטוב מעגלי בפוקוס. עם זאת, הכוחות לייזר ייתכן שיהיה צורך יותר במקרה של מטרה נה גבוהה. מניסיוננו, הביצועים הטובים ביותר להשמנה, ספקטרוסקופיה סיבוב ושדה כהה מתקבל עם מטרות עם נה 0.7-0.95, אך ניתן להשתמש מטרות נה נמוך יותר, כמו גם גבוה יותר.
כדי להשיג פוטון טוב מידות המתאם לאופקית, גלאי מהר פיקסל בודד-נחוץ. בחרו גלאי עם רוחב פס לפחות שניים, רצוי עשר, פעמים גבוה יותר מאשר תדירות הסיבוב הצפוי מוכפל את צורת מקרה מנוון גורם ורגישות גבוהה הגל השמנה בשימוש. רסיברים צילום סי מוגבר, פוטון יחיד סופר APDs, PMTs שימשו עם הצלחה setups שונים במעבדות שלנו. ניתן לקבל פרטים נוספים, לדוגמה על מלכודת נוקשות, על ידי מדידת וניתוח הזחה translational חלקיקים באמצעות טכניקות ומבוססת כגון ניתוח ספקטרלי כוח5. מספר הפרסומים הקודמים מתארים וריאציות שונות של38,זו טכניקה39. DF ספקטרוסקופיה יכול להתבצע באמצעות מגוון רחב חינם-רווח או סיבים מצמידים ספקטרומטרים ואת הבחירה צריכה להתבסס על טווח הספקטרום, אורך גל, רזולוציה טמפורלית לצורך המחקר המתוכנן.
בעת ביצוע ניסוי השמנה, חלקיקים נוספים עשויים בטעות ייכנס למלכודת. זה ניתן להבחין באמצעות ניטור תדר הסיבוב אשר משתנים חריפה בשל ההפרעה. בדיקה ויזואלית על ידי מיקרוסקופ DF יכול לשמש כדי לוודא המצאות חלקיקים נוספים, ובמקרה ניתן להעביר את הבמה כדי למנוע הפרעה או הניסוי צריך להפעיל מחדש.
המערכת שתוארה לעיל היא דרך פשוטה ויעילה להבין כליאה 2D וסיבוב של חלקיקים מתכתיים. עם זאת, עבור יישומים מסוימים, החופש של תואר נוסף עבור מניפולציה שמגיע עם השמנה תלת-ממד חשוב, ולכן התצורה הנוכחית מגבלה. עם זאת, כליאה 3D וסיבוב ייתכן ניתנים להשגה על-ידי ניצול נגד הפצת לייזר פינצטה או תצורות השמנה אקזוטי יותר.
למרות ניתן למטב את הפרמטרים של חלקיקים ומערכת שנדונו כאן כדי להפחית photothermal חימום מתחת K ~ 154, העלייה בטמפרטורה המשויך plasmonic עירור של חלקיקי מתכת יכול להיות בעייתיים מסוימים יישומים. מסלול אפשרי לקראת הפחתת החום נוספת היא להשתמש חלקיקים מבודד גבוהה-אינדקס במקום חלקיקים plasmonic. חלקיקים כאלה תמיכה חזקה מסוג Mie פיזור מגנטיים אבל באותו זמן התערוכה מקדמי ספיגה פנימית נמוכה. לאחרונה היינו מסוגלים לייצר colloidal חלקיקי סי התהודה עשוי להוכיח שימושי40,41זה כבוד.

השיטות שהוצגו במאמר זה משכפל אלו המשמשים שלנו בעבודה הקודמת1 ללמוד ננו photothermal אפקטים המשפיעים על מנועים רוטרי מונחה-אור nanorod זהב. גרסאות של פלטפורמת ניסיוני שימש מספר פרסומים הקשורים2,3,4,5,6,7,8, 9.
מלקחיים אופטיים נמצאים בשימוש נרחב עבור שליטה העברת מיקום, כוח ו תנע קווי-פיסיקליות קטן ב פיזיקה, ביולוגיה, הנדסה10,11,12,13,14 . יכול להיות מועסק תנע זוויתי נישא על ידי אור מקוטב באופן מעגלי עבור בקרת תנועה נוספים כי זה להעביר מומנט אובייקטים לכוד15ברציפות. על ידי שילוב תמסורת אופטית ליניארי, תנע זוויתי, אז זה אפשרי לבנות לא פולשנית רוטרי nanomotors עם פוטנציאל ליישומים מגוונים, כגון משלוח סמים לתוך16,תאים בודדים17, ננו ניתוח18, nanofluidics הפעילה19, בין השאר.
באמצעות חלקיקים מתכתיים כמו הנושא של טיפול מונע אור, אחד יכולים לנצל את היתרונות של מקומי פלזמון משטח מגנטיים (LSPR של), המספקות חתכי רוחב אופטי גדול, רגישות גבוהה שינויים סביבתיים, תחום רחב שיפורים20,21,22,23. זה הוביל שפע של מחקרים על הגבול בין פלזמוניקה מניפולציה אופטי8,24,25,26,27. האינטראקציה אור-חומר חזק שמספק LSPR אפשרה לנו לעצב פלטפורמה איפה לייזר מקוטב באופן מעגלי פינצטה מסוגלים לנהוג nanorods זהב לסובב בתדרים סיבוב התקליטים מים2. על ידי מעקב של תנועה בראונית של nanorod מסתובב, מידע מפורט אודות הסביבה והטמפרטורה שלו ניתן להשיג3,5. ניתוח spectroscopic בו זמנית מספק ערוץ מידע עצמאי נוסף עבור ניתוח שהטמפרטורה ויציבות מורפולוגי של nanorod סיבוב1. מגוון רחב של מערכות ותצורות שימשו לימוד ויישום לאופקית ב מלקחיים אופטיים, יצירת תובנות חשובות בתוך29,30 28,15,שדה , 31 , 32. עם זאת, רוב המחקרים הללו התמודדו עם אובייקטים מספר מיקרון בזמן nanorod יחיד נותן גישה המשטר בגודל ננומטר. יתר על כן, כאשר זהב nanorods משמשים את nanomotor סיבוביים, מומנט כוח ביעילות מועבר בעיקר באמצעות פיזור2,33. פעולה זו מפחיתה את הסיכון של התחממות יתר חלקיקים לכוד3,34,35.
בהשיטה הבאה, אנחנו חלוקה לרמות את הצעדים הדרושים כדי לבנות מערכת מסוגלת השמנה אופטי יעילים וסיבוב של חלקיקי מתכת. Nanorods זהב נחשב במחקרים אלה יש פיזור גבוה חתכי רוחב, הלחץ קרינה הופך להיות חזק יותר הכוח הדרגתיות מבטלת בכיוון התפשטות. להגבלת עדיין החלקיקים ב- 3D, אנו מנצלים את האיזון בכוח בין סלידה הקולומבית ממשטח הזכוכית ואת הכוח פיזור לייזר בכיוון התפשטות. תצורה זו 2D-השמנה מאוד מרחיבה את טווח החלקיקים ללכידה, לעומת תקן מלקחיים אופטיים תלת-ממד, זה יכול להיות משולב בקלות עם הדמיה אופטית כהה-שדה וספקטרוסקופיה.
Nanoparticle מתכת לכוד על אינטראקציה עם הסביבה, מידע מפורט אודות אינטראקציה זו מכילה את התנועה ואת תכונות ספקטרליות. לאחר המתארות כיצד לבנות את מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי, אנחנו ולכן גם חלוקה לרמות איך לשלב אינסטרומנטציה עבור חיטוט דינמיקה סיבובית, מדידת ספקטרום פיזור ריילי בכיוונון ניסיוני. התוצאה היא פלטפורמה תכליתי ללימודי התופעות סיבוב ננו, פיזיקה, כימיה וביולוגיה.
פרוטוקול זה מבוסס על ההנחה כי החוקר יש גישה מתאימה colloidal חלקיקי מתכת, רצוי אחת nanorods זהב גבישי. Nanorods זהב שניתן לרכוש מחברות מיוחדות או מסונתז בית בשיטת רטוב-כימיה. Nanorods שימוש בניסויים שלנו נעשו על ידי שיטת גידול בתיווך זרע שמתואר Ye et al. 201336. זה יתרון אם התכונות האופטיות של חלקיקים ומורפולוגיה טוב מאופיינים, לדוגמה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) ומדידות הכחדה אופטי. איור 1 מציג נתוני הקליטה של מדידות כאלה nanorod נציג סוגים1.
חלוקה לרמות של הפרוטוקול הוא כדלקמן: בחלק הראשון, אנו מתארים את בניית הפינצטה אופטי מבוסס על קיטוב מעגלי. במקטע השני, אנו נתאר כיצד לחלץ מידע nanomotor ע י הקלטת דינמיקה סיבובית ומאפיינים הפיזור שלו. תדירות הסיבוב, של תנועה בראונית הסיבוב של החלקיק לכוד נמדד באמצעות פוטון המתאם ספקטרוסקופיה לפי להקרין אור לייזר backscattered מתערבבת עם מקטב ליניארי על גלאי מהר פיקסל בודד-3. על-ידי הזזת את הנתונים לכל פונקציה autocorrelation תיאורטיים, תדירות הסיבוב והן הזמן דעיכה של פעפוע בראונית המסתובבת יכול להיות חילוץ2,3. מאפייני לכוד על ננו-חלקיק אופטי נמדדים באמצעות שדה אפל ספקטרוסקופיה, אשר מספק מידע משלים על החלקיק ואת סביבתו. בחלק השלישי, אנו מתארים הליך ניסיוני השמנה והסיבוב של nanorods זהב.
הפרוטוקול המתואר עד לנקודה זו הוא נתיב ישיר למערכת מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי מתפקדת עבור סיבוב nanoparticle. עם זאת, לעיתים מתעוררות בעיות תשומת נוספים לפי דרישה. בחלק הרביעי, אנו מכינים כמה מן הבעיות הנפוצות נתקלנו וכיצד לטפל בהם. אלה כוללים נושאים הקשורים nanoparticle התכונות האופטיות המוביל אל מלכודת המסכן יציבות (4.1), נמוך תדירויות הסיבוב עקב קיטוב מעגלי שיוצרת הנגרמת על ידי שבירה כפולה beamsplitter (4.2), דבק של חלקיקים במשטח זכוכית עקב דחיה הקולומבית לא מספיקות (4.3), סטייה האות autocorrelation אופיינית (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

האפשרות ליצור ולמדוד את הסיבוב, מומנט ננו הוא עניין מהותי ויישום של nanomotors ביולוגי, מלאכותיים, עשוי לספק מסלולים חדשים לקראת ניתוח תא בודד, מחקרים של לא שיווי משקל תרמודינמיקה, הופעה מכני של מערכות ננו. דרך נתיישב סיבוב כונן היא להשתמש אור מקוטב באופן מעגלי לייזר ממוקדת במלקחיים אופטיים. באמצעות גישה זו, חלקיקים מתכתיים יכול להיות מופעל כמו יעילים ביותר מבוססת על פיזור רוטרי מנועים מסתובבים בתדרים סיבוב חסרת תקדים במים.
ב פרוטוקול זה, אנו המתאר את הקמה ותפעול של מקוטב באופן מעגלי מלקחיים אופטיים עבור סיבוב ננו-חלקיק, לתאר את המכשור הדרוש עבור הקלטת את הדינמיקה בראונית ואת פיזור ריילי של החלקיק לכוד. תנועה סיבובית של ספקטרום פיזור מספק מידע עצמאי על המאפיינים של ננו-חלקיק ואת סביבתו הקרובה. פלטפורמה ניסיוני הוכיח שימושי לאמוד nanoscopic של צמיגות ואת הטמפרטורה המקומית, למעקב אחר שינויים מורפולוגיים של nanorods, ציפויים מולקולרית, וכן בדיקה של photothermal ותהליכי תרמודינמי עם מתמר.

סיבוב של תנועה בראונית המסתובבת של nanorod זהב זה כראוי לכודים את הפינצטה לייזר מקוטב באופן מעגלי פתור ע י הקלטת פיזור אור בעוצמה תנודות (איור 3a) באמצעות גלאי פיקסל יחיד. הספקטרום autocorrelation של האות הזה מכיל רכיב מתנדנדות, בדומה לזו המוצגת באיור 3b. אשר יכול להתאים לכל פונקציה autocorrelation תיאורטיים. ההתאמה מאפשר חילוץ של תדירות הסיבוב ואת הזמן ריקבון autocorrelation, אשר קשורה תנודות בראונית המסתובבת, nanorod.
כאמור בפרוטוקול (הוראת 4.4.2), זה חיוני להשתמש גרעין סיב עבה מספיק כדי לאסוף את אור הלייזר backscattered על פוטון המתאם ספקטרוסקופיה. אם זה לא המקרה, מונח דעיכה נוספים הקשורים תרגום חלקיקים בתוך ומחוץ האחסון בדיקה להיות נוכח בפונקציה המתאם, ראה איור 4. דרך ניתוח זהיר, זה יכול לספק מידע נוסף אודות המערכת; עם זאת, זה מסבך הניתוח של הדינמיקות בראונית המסתובבת הכלול הנתונים.
כדי לקבל ספקטרום פיזור נכון של DF חלקיקים לכוד, כמתואר בסעיף 3.5, הנתונים הגולמיים ספקטרלי צריך להיות מכויל. פעולה זו מתבצעת ע י הקלטת את הספקטרום מנורה של תאורה, כמו גם קשת רקע (איור 5a). בעת התמקדות אור לייזר אינטנסיבי על משטח זכוכית, כגון המצע שמולו nanorods לכודים, כמה קרינה פלואורסצנטית יכול להיווצר (ראה את התרומה ספקטרלי אדומה בספקטרום רקע של איור 5a). זיהום קרינה פלואורסצנטית הזה יכול להיות מופחת על-ידי שימוש fused סיליקה סובסטרטים. עם זאת, בכל מקרה מומלץ להקליט קשת רקע עם מלקחיים אופטיים ריק-עוצמת הלייזר הנכון. קשת פיזור נרשם ומתי כל הרכיבים ספקטרלי שאינן קשורות לפיזור nanoparticle בפועל קיבלו פיצוי על הספקטרום יכול להיות מצויד בקנה מידה אנרגיה עם פונקציית התאמה דו-Lorentzian כדי לחלץ מידע הקשור LSPR הפסגה העמדות (איור 5b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> איור 1: תמונות SEM, אנסמבל ספקטרה הכחדה עבור אצוות nanoparticle נציג שתי.) סרגל קנה מידה הוא 200 ננומטר. b) הכחול/אדום הגובלת תמונות SEM) מתאימות את הקשת אדום/כחול, בהתאמה. פסגות הספקטרלי הקשורים את LSPRs רוחביים האורך והרוחב הם ניתן להבחנה ברורה. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> איור 2: איור סכמטי של מלקחיים אופטיים ההתקנה למדידות סיבוב nanoparticle. אור לייזר ממוקדת, מורחבת דרך טלסקופ Keplerian, לאחר מכן מודרכת המטרה בעזרת שתי מראות מטלטלין (M1, M2), של beamsplitter (BS). Waveplates שני בנתיב לייזר למטב את קיטוב מעגלי של מלקחיים אופטיים (λ/2, λ/4). אור לייזר backscattered ניתן לאסוף לאחר מקטב ליניארי עבור פוטון המתאם ספקטרוסקופיה ומדידות דינמיקה סיבובית. לאחר הסרת אור הלייזר, אור לבן פזורים מונחה ספקטרומטר או מצלמה. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> איור 3: נציג הנתונים בעוצמה, autocorrelation עם עקומה מתאימה לכוד על nanorod.) עוצמת תנודות שהוקלט על ידי גלאי פיקסל אחד לאחר מקטב ליניארי 1s, חלקת מוגדלת ב התנודות. b) נתונים Autocorrelated של עוצמת התנודה עבור זהב מסתובבת nanorod (כחול נקודות), אסף אור לייזר backscattered. הנתונים מראים של תנודה זה נרקב לאחר מספר תקופות. תנודה קשורה תדירות הסיבוב nanorod, ואילו הדעיכה הוא חיישן תנועה בראונית המסתובבת. A מתאימים לפונקציה autocorrelation תיאורטיים מתבצע (הקו האדום) כדי לחלץ תדר הסיבוב של f = 24285 ± 45 הרץ ואת מתאם ריקבון זמן τ0 = 40.9 ± 1.06 µs. אי הוודאויות0 f וτמייצגים 95% מרווחי הביטחון של התאים, אשר יש מקדם הדטרמינציה (R2) של 0.9877. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> איור 4: בעיה עם אמצעי בדיקה קטנה מדי מדידות ספקטרוסקופיה המתאם פוטון.) Autocorrelation נתונים עבור nanorod זהב, מסתובב נאסף באמצעות עבה (נתונים מיקרומטר, הכחול 400), דק (62.5 מיקרומטר, נתונים אדום) סיבים. אוסף באמצעות בד עבה מבטיחה כי nanorod תמיד מוגבל בתוך האחסון בדיקה כי הפונקציה autocorrelation מודד דינמיקה סיבובית בלבד. מונח נוסף דעיכה עקב תנועה בראונית translational קיים כאשר אמצעי האחסון בדיקה אינה מספיקה. ב b) ו- c), איורים סכמטי של אפקט ותמונות של האזור אוסף בחזרה מואר מוצגים. גודל ברים הם 2 מיקרומטר. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> איור 5: שדה אפל למופת פיזור ספקטרה הקליטה עבור nanorod זהב שטיחות לכודים 660 ננומטר לייזר אור. באזור ספקטרלי 630-670 nm (1.85-1.97 eV) תסולף עקב מסננים חריץ צריך לחסום את אור הלייזר השמנה. ) ספקטרה הפיזור גולמיים (כחול כהה) הצגת תכונות אינן הטמון הפיזור של החלקיק צריך להיות מכויל עבור. אלה כוללים את הספקטרום רקע (אדום), המכיל autofluorescence נרגש על ידי אור לייזר מאוד ממוקדת, ואת הקשת עירור אור לבן (תפוז, נרשמה ללא מסנן חריץ). לאחר כיול, הקשת פיזור המתוקן (תכלת) מציג שתי הפסגות LSPR ברורים כצפוי. החצים מצביעים על קנה המידה עבור כל הספקטרום. b) פיזור ספקטרום עבור nanorod לכוד (כחול נקודות) יחד עם התאמה לפונקציה מודל דו-Lorentzian (אדום) עם מרכיביו (תכלת וכתום). באזור ספקטרלי מעוותת היא התעלמו ב ההתאמה של הנתונים ויש ההתאמה של R2 של 0.9975. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System at JoVE.com

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

Nanorods זהב plasmonic יכול להיות לכוד בתוך נוזלים, מסובב בתדרים kHz באמצעות מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי. היכרות עם כלים dynamics בראונית ניתוח של scatteringspectroscopy אור מוביל מערכת חזקה עבור מחקר ויישום בתחומים רבים של המדע.

הקמה ותפעול של מערכת מנוע מונחה אור רוטרי Nanorod זהב

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

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

Universidad de Cartagena UDEC

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Moment of Inertia

Rotation and Rigid Bodies

SCIENTISTS IN ACTION

8.8K Views.  Chalmers University of Technology. Nanorods זהב plasmonic יכול להיות לכוד בתוך נוזלים, מסובב בתדרים kHz באמצעות מלקחיים אופטיים מקוטב באופן מעגלי. היכרות עם כלים dynamics בראונית ניתוח של scatteringspectroscopy אור מוביל מערכת חזקה עבור מחקר ויישום בתחומים רבים של המדע.

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.

לכידה אופטית של חלקיקים

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 ...

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.

ייצור ותפעול של מסוע ננו-אופטי

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.

הכנת ZnO nanorod / גראפן / ZnO nanorod Epitaxial זוגי Heterostructure לPiezoelectrical Nanogenerator על ידי השימוש בPreheating הידרותרמיות

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.

סינתזה הידרוקינון המבוססת של Nanorods הזהב

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

Chemistry

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.

תכנון והרכבה של Microdrive קל במיוחד ממונע להקלטות עצביות כרוניות בבעלי חיים קטנים

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

Neuroscience

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.

ייצור Dynein וקינסין הרכבים מוטוריים ב-DNA אוריגמי ננו מבנים עבור תצפית מולקולה אחת

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

Biochemistry

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.

מונחי-אור המנועים המולקולריים על משטחים עבור יחיד הדמיה מולקולרית

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.

הרכבה של Nanorods זהב לתוך כיראלי Metamolecules Plasmonic באמצעות תבניות אוריגמי דנ א

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.

זהב nanorod בסיוע גירוי אופטי של תאים עצביים

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.

אפיון Biophysical של פונקציות 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 ...