תמיכה כספית על ידי ERC באמצעות מתקדם החוקר גרנט HYMEM, על ידי DFG דרך נאנומערכות יוזמת מינכן (נים) ובאמצעות Sonderforschungsbereich (SFB1032), פרויקט A8 הוא הודה בהכרת תודה. אנו אסירי תודה לד&quot;ר אלכסנדר Ohlinger, ד&quot;ר סול Carretero-פלאסיוס וספא Nedev לתמיכה ודיונים פוריים.

1. ניסיוני התקנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במיקרוסקופ את ימין וקבל שמן שדה חשוך עם צמצם מספרי (NA) = 1.2 לתאורת שדה חשוכה. השתמש מטרת טבילה במים עם הגדלה של X100 וNA = 1.0 לתצפיות חלקיקים והשמנה. השתמש אובייקטיבי אוויר עם 10X ההגדלה וNA = 0.2 לעקוב התנועה של Nauplius. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בהגדרת פינצטה אופטית עם לייזר גל רציף 1,064 ננומטר יחד למיקרוסקופ עד ימין. הגדר את כוח הלייזר של המלכודת האופטית ל100 mW (נמדד עם מד כוח לאחר האובייקטיבי). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במצלמה במהירות גבוהה CMOS או רפלקס דיגיטלי בודד עדשות (DSLR) מצלמה כדי לזהות ותמונת תנועת חלקיקי זהב במלכודת האופטית והתנועה של Nauplius. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש במסנן ברמה גבוהה על מנת למנוע את הלייזר מלהיכנס למצלמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במד כוח כדי למדוד את כוח הלייזר לאחר אובייקטיבי. </li></ol> 2. לדוגמא הכנה </p&gt; <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיפטה טיפת מים (180 μl) בשקופית זכוכית מיקרוסקופ ולמקם את המדגם במיקרוסקופ השדה האפל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיפטה Nauplius מטנק קטן מים לטיפת המים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש אובייקטיבי אוויר 10X כדי לראות את התנועה של Nauplius בפתרון ולהקליט את זרם וידאו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש nanoparticle זהב בקוטר של 60 ננומטר כגלאים להתבונן תנועת הנוזל שנוצרה על ידי Nauplius. לכן, להוסיף 5 μl של פתרון חלקיקים מדולל מאוד לתוך טיפת המים, כך שכ חלקיק אחד שניתן לראות בשדה ראיה עם מטרת טבילה במי 100X. </li></ol> 3. ניסוי מעקב חלקיקים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> nanoparticle זהב מלכודת אחת עם פינצטה האופטית. לכן, להביא את לייזר השמנת 1,064 ננומטר הקרוב לזהב nanoparticle כי הוא לשדר בפתרון על ידי הזזת הבמה מיקרוסקופ. הכוחות אופטיים האטרקטיביים למשוך את nanoparticle הזהב לכיוון נקודת ה המוקדקרן לייזר דואר. החלקיקים הלכודים לא לשדר יותר ולא שומר על מיקומה. קח את זרם וידאו של nanoparticle לכוד עם מצלמת DSLR במסגרת שיעור של 50 הרץ ל30 שניות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבה את הלייזר של פינצטה האופטית ולשחרר את nanoparticle הזהב מהמלכודת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתכנית מעקב אחר חלקיקים לreadout המיקום של חלקיקי זהב שנלכדו אופטי בכל מסגרת של זרם וידאו. שינוי פורייה מהיר (FFT) של xy-העמדה של החלקיקים לאורך הזמן מגלה ספקטרום תדרים. הערה: כאן, קוד שנכתב עצמי &quot;PRO איגור &#39;מחשב תכנית משמש כדי לנתח את עמדת מרכז החלקיקים בXY המטוס לאורך זמן ולצורך ניתוח FFT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כחלופה לקוד איגור בכתב עצמי להשתמש בתכנית &quot;וידאו ספוט Tracker&quot; זמינה באופן חופשי למעקב אחר החלקיקים בווידאו. השתמש בתוכנה המסחרית &#39;המקור&#39; כדי לבצע את השינוי פורייה של נתוני מעקב: <ol&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> גרור את קובץ וידאו לתכנית הפתוחה &#39;ספוט וידאו Tracker &quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עכבר לחץ על החלקיק ראה בתמונה הראשונה של זרם וידאו ואזור מעגלי של מופיעה ריבית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר ו&quot; מטב &quot;&quot; סימטריים &quot;בחלון שורת הפקודה העליון כדי לייעל את המעקב אחר החלקיקים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העכבר לחץ על &quot;כניסה&quot; בחלון שורת הפקודה העליון ולבחור תיקייה כדי לשמור את הנתונים. נתוני המעקב יישמרו כגיליון אלקטרוני נתונים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העכבר לחץ על &quot;וידאו הצגה&quot; בחלון שורת הפקודה השמאלי של תכנית המעקב ולחכות עד שכל המסגרות של הווידאו מנותחות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סגור את התוכנה ולפתוח את גיליון אלקטרוני נתונים שנשמר עם &#39;מקור&#39;. הגדר את ערכי העמודה בשם &quot;y 1&quot; ו &quot;y 2&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר צעדי זמן לכל מסגרת וידאו כמו &quot;x&quot; בגיליון האלקטרוני נתונים &#39;המקור&#39;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מארק xעמדת עמודה ולבצע FFT על ידי הבחירה &quot;ניתוח נתונים&quot; ו &quot;FFT&quot; בחלון שורת הפקודה העליון. חזור על השלב לעמודת Y-המיקום. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העלילה אמפליטודות של אות FFT מחושבת בx ו-y כיוון לעומת התדר. </li></ol></li></ol> 4. סימולציה נומרית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחשב את α הקיטוב של חלקיקי זהב 60 ננומטר באמצעות תוכנת המחשב &quot;Mathematica&quot;. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במשוואה (1) כדי לחשב את הקיטוב פי Kuwata אח&#39; 16.: <img alt="משוואת 1" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/51502/51502eq1.jpg" width="300" /> (1) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מגדיר שלושה הפרמטרים הבאים בקוד התכנית: הפונקציה דיאלקטרי המורכבת אורך הגל תלוי של חלקיקי זהב, רדיוס nanoparticle, ומקדמת שבירה של המדיום שמסביב. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתיאור של elecהפצת tric תחום קרן גאוס ממוקדת לפי Agayan אח&#39; 17 כדי לחשב את הכוחות אופטיים הפועלים על חלקיקי זהב 60 ננומטר.: <img alt="משוואה 2" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51502/51502eq2.jpg" width="500" /> (2) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> . משוואות שימוש (3) - (6) מAgayan אח&#39; 17 לחשב את שניהם, את הצבע ופיזור כוחות הפועלים על החלקיק: <img alt="משוואה 3" fo:content-width="3.5in" src="/files/ftp_upload/51502/51502eq3.jpg" width="350" /> (3) <img alt="משוואה 4" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/51502/51502eq4.jpg" width="300" /> (4) <img alt="משוואה 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51502/51502eq5.jpg" width="500" /> (5) <img alt="משוואה 6" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/51502/51502eq6.jpg" width="300" /> (6) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בקוד התכנית, להגדיר את הפרמטרים לכוח הלייזר, הצמצם המספרי של objective, וpolarizability המורכבת של nanoparticle. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לסכם את הכוח ההדרגתי וכוח הפיזור כדי לחשב את הכוח האופטי הכולל הפועל על חלקיקי זהב במלכודת אופטית. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להריץ את סימולציתו זמנית על ידי לחיצה על &quot;קונטרול&quot; ו&quot; Enter &quot;. </li></ol>

<ol>
	<li>Hellawell, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Biological indicators of freshwater pollution and environmental management. , (1986).</li><li>Diamond, J. M., Barbour, M. T., Stribling, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterizing+and+comparing+bioassessment+approaches+and+their+results:+A+perspective.">Characterizing and comparing bioassessment approaches and their results: A perspective.</a> Journal of the North American Benthological Society. 15, 713-727 (1996).</li><li>Carlisle, D. 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=The+quality+of+our+Nation&#8217;s+waters&#8212;Ecological+health+in+the+Nation&#8217;s+streams,+1993&#8211;2005.">The quality of our Nation&#8217;s waters&#8212;Ecological health in the Nation&#8217;s streams, 1993&#8211;2005.</a> U.S. Geological Survey Circular. 1391, (2013).</li><li>Boxhall, G. A., Defaye, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+diversity+of+copepods+(Crustacea+Copepoda)+in+freshwater.">Global diversity of copepods (Crustacea Copepoda) in freshwater.</a> Hydrobiologia. 595 (1), 195-207 (2008).</li><li>Ferdous, Z., Muktadir, A. K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Review:+Potentiality+of+Zooplankton+as+Bioindicator.">A Review: Potentiality of Zooplankton as Bioindicator.</a> American Journal of Applied Sciences. 6 (10), 1815-1819 (2009).</li><li>Andersen Borg, C. M., Bruno, E., Ki&#248;rboe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Kinematics+of+Swimming+and+Relocation+Jumps+in+Copepod+Nauplii.">The Kinematics of Swimming and Relocation Jumps in Copepod Nauplii.</a> PLoS ONE. 7 (10), (2012).</li><li>Gilchrist, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+and+Form+of+the+Brine+Shrimp+Artemia+Salina.">Growth and Form of the Brine Shrimp Artemia Salina.</a> Journal of Zoology. 134 (2), 221-235 (1960).</li><li>Boone, E., Baas-Becking, L. G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salt+Effects+on+Egga+and+Nauplii+of+Artemia+Salina+L.">Salt Effects on Egga and Nauplii of Artemia Salina L.</a> Journal of General Physiology. 14 (6), 453-763 (1931).</li><li>Drewes, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+investigations+of+hatching+in+brine+shrimp+cysts.">Quantitative investigations of hatching in brine shrimp cysts.</a> Association for Biology Laboratory Education. 27, 299-312 (2006).</li><li>Williams, T. 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+model+of+rowing+propulsion+and+the+ontogeny+of+locomotion+in+Artemia+larvae.">A model of rowing propulsion and the ontogeny of locomotion in Artemia larvae.</a> Biological Bulletin. 187, 164-173 (1994).</li><li>Croghan, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Mechanism+of+Osmotic+Regulation+in+the+Artemia+Salina+(L.):+The+Physiology+of+the+Branchiae.">The Mechanism of Osmotic Regulation in the Artemia Salina (L.): The Physiology of the Branchiae.</a> Journal of Experimental Biology. 35, 234-242 (1958).</li><li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., 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>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>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>Ohlinger, A., Deak, A., Lutich, A. A., 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=Optically+Trapped+Gold+Nanoparticle+Enables+Listening+at+the+Microscale.">Optically Trapped Gold Nanoparticle Enables Listening at the Microscale.</a> Physical Review Letters. 108 (1), (2012).</li><li>Kuwata, H., Tamaru, H., Esumi, K., Miyano, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonant+light+scattering+particles:+Practical+analysis+beyond+Rayleigh+approximation.">Resonant light scattering particles: Practical analysis beyond Rayleigh approximation.</a> Applied Physics Letters. 83 (22), 4625-4628 (2003).</li><li>Agayan, R. R., Gittes, F., Kopelman, R., 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=Optical+trapping+near+resonance+absorption.">Optical trapping near resonance absorption.</a> Applied Optics. 41 (12), 2318-2327 (2002).</li><li>Klar, T., Perner, M., Grosse, S., von Plessen, G., Spirkl, W., 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=Surface-Plasmon+Resonances+in+Single+Metallic+Nanoparticles.">Surface-Plasmon Resonances in Single Metallic Nanoparticles.</a> Physical Review Letters. 80, 4249-4252 (1998).</li><li>Ohlinger, A., Nedev, S., Lutich, A. A., 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=Optothermal+Escape+of+Plasmonically+Coupled+Silver+Nanoparticles+from+a+Three-Dimensional+Optical+Trap.">Optothermal Escape of Plasmonically Coupled Silver Nanoparticles from a Three-Dimensional Optical Trap.</a> Nano Letters. 11 (4), 1770-1774 (2011).</li><li>Urban, A. S., Lutich, A. A., Stefani, F. D., 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=Laser+Printing+Single+Gold+Nanoparticles.+Nano+Letters.">Laser Printing Single Gold Nanoparticles. Nano Letters.</a> Nano Letters. 10 (12), 4794-4798 (2010).</li><li>Urban, A. S., Fedoru, K. M., Nedev, S., Lutich, A., Lohmueller, 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=Shrink-to-fit+Plasmonic+Nanostructures.">Shrink-to-fit Plasmonic Nanostructures.</a> Advanced Optical Materials. 1 (2), 123-127 (2013).</li></ol>

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

מיקרוסקופ שדה אפל הוא כלי רב עוצמה המאפשר הדמית חלקיקי זהב עם ממדים מתחת לגבול ההשתברות האופטית, שכן חתך פיזור של חלקיקי המתכת עולה על הסעיף שלהם הגיאומטרי הצלב (איור 2 א cp.) 18. בהתקנת פינצטה, גישה זו גם מאפשרת להבחין ולו רק חלקיקי זהב בודדים או מרובים לכודים על ידי קרן הלייזר בגלל צימוד plasmonic בין החלקיקים גורם להיסט לאדום של תדר התהודה plasmon 15. מיקרוסקופ שדה חשוך עם תצורת פינצטה אופטית ולכן מספק אפשרויות ניסיוניות חדשות ומאוד שימושיות רבות, אבל השילוב אינו מובן מאליו. להשמנה אופטית יציבה נדרשת קרן לייזר ממוקדת מאוד, שכן מקורו של מלכודת אופטית בשלושת ממדים נגרמת על ידי שיפוע של צפיפות השדה האופטי. בדרך כלל, מטרות עם פתחים מספריים גבוהים (NA = 1.3-1.4) משמשות לפינצטההגדרות כדי להשיג הדוק התמקדות של הלייזר 19. NA הגבוה ביותר של מעבי שמן כהה שדה זמין באופן מסחרי, לעומת זאת, הוא 1.2. זה מגביל את מכלול מטרות שיכולות לשמש ללכידת החלקיקים לNA &lt;1.2 כי מטרות NA גבוהות יותר לשאת את הבעיה שמפוזרת לא רק, אלא גם אור ישר נאסף על ידי העדשה האובייקטיבית. להתקנה שלנו, אנו מסוגלים להשיג השמנה אופטית יציבה באמצעות טבילה במים אובייקטיבי עם NA = 1.0 וקבל שדה חשוך עם NA = 1.2. זה אפשרי, כי הרחבת קרן לייזר מול המיקרוסקופ הובילה למילוי יתר של הצמצם האחורי של המטרה, ולכן למספיק התמקדות של הלייזר (אפילו עם NA של רק 1.0). השמנה יציבה של זהב nanoparticle plasmonic היא גם מאוד תלויה באורך הגל של 12-14 לייזר ההשמנה. בניסויים שלנו, אורך גל של 1,064 ננומטר נבחר לBEC ההשמנה חלקיקיםause אורך גל זה הוא מרחיקת אדום עבר מגל התהודה plasmon של החלקיקים ב ~ 530 ננומטר. זה חשוב להשמנה יציבה מאז כוחות השיפוע אופטיים הפועלים על חלקיקי הזהב הם דומיננטיים לאורך גל זה תוך פיזור כוחות, שמקורם מהעברת תנע של פוטונים מפוזרים ונספגו, הם מינימאליים. שניהם, שיפוע וכוח פיזור, גורמים לחלקיקים לנוע לכיוונים שונים, אבל רק כוחות השיפוע להוביל להשמנה אופטית יציבה שכן הם מכוונים כלפי האזור בעוצמה הגבוהה ביותר המהווה את המוקד של קרן הלייזר. פיזור כוחות, לעומת זאת, מצביעים על הציר של שטף האנרגיה של קרן האור. באורך גל קרוב לתהודת החלקיקים, פיזור של אור הופך להיות חזק ופיזור כוחות דומיננטיים. חלקיקים במקרה זה הם דחפו ולא לכודים על ידי קרן הלייזר, גם מעבר למישור מוקד 20,21. השמנה יציבה מאוד של החלקיקים היאדרישה לזהות כל הפרעת microfluidic חיצונית קטנה ולהשיג אות משופרת יחס רעש בספקטרום התדרים מעקירת החלקיקים התלוי בזמן במלכודת האופטית. במקביל, כוח לייזר גבוה יכול לגרום לחימום משמעותי של nanoparticle אשר יכולה לגרום לתופעות לא רצויות תרמית כוללים חימום של המדגם כולו המים. כדי להשיג אות ברורה בשטח פורייה של החלקיקים שני הגורמים יש לקחת בחשבון והניסוי מותאם בצורה כזו שהשפעות חימום הן מזעריות, אבל השמנה יציבה מספיק מושגת. כמו כן, חשוב לציין כי התנאים של מדגם המים, כגון הטמפרטורה וחומציות, שאולי יש להם השפעה על הכדאיות של הזחלים במהלך המדידה, וכי גורמים אלה ובכך צריכים להיות מבוקרים ונשמרו קבועים. לפיכך, אנו ביצענו את כל המדידות בטמפרטורת חדר (~ 20 מעלות צלזיוס) וב-pH של כ 7.5. בסך הכל, לאהוא שיטה לגילוי התנועה של זחלי Nauplius על ידי מעקב אחר המיקום של nanoparticle זהב בודד במלכודת אופטית מייצגת דרך לא פולשנית לנתח את הפעילות של דגימת המים ללא הדרישה להפריע או אפילו לראות את Nauplius במהלך המדידה. בנוסף, כיוון תנודות microfluidic יכול להיקבע על ידי ניתוח פורייה הספקטרום התלוי הכיוון של העקירה של nanoparticle. תצורת פינצטה האופטית ובכך הופכת אותו ניתן לזהות אפילו תנודות fluidic קטנות בתמיסה מימית עם רגישות גבוהה. בעתיד, גישה זו ניתן תהיה להאריכו להבחין בין סוגים שונים של אורגניזמים שונים בדגימת מים אחד ובו בזמן. יתר על כן, גישה זו של שימוש nanoparticle זהב כגלאי רגיש אינה מוגבלת למדידה של זחלי Nauplius בלבד ויכולה באופן עקרוני להיות מיושמת למדידה כל זרימה שנוצרה על ידי אובייקטים קטנים בהרבה, כגון תאים ופו אחדחיידקים אפילו ssibly.

הערכת איכות מים המבוססת על אינדיקטורים כימיים וביולוגיים היא בעל חשיבות עליונה כדי לקבל תובנה על תנאי המדינה וסביבתי של מערכת אקולוגית ימי 1-3. שיטות קלאסיות לניתוח מים כימי המבוססות על מאפייני organoleptic או קביעת הפרמטרים physicochemical. אינדיקטורים ביולוגיים, לעומת זאת, הם בעלי החיים שנוכחותם ויכולת קיום לספק תובנות על התנאים הסביבתיים וההשפעה של מזהמים למערכת אקולוגית שהם מתרחשים בו דוגמאות אופייניות לbioindicators הם copepods, קבוצה של סרטנים מים קטנים, שיכול ניתן למצוא כמעט בכל בית הגידול 4,5 מים. התבוננות בפעילות ויכולת הקיום של מינים אלה מדגימת מים ולכן יכולה לשמש כדי לקבל מידע על התנאים הכלליים של מערכת אקולוגית 5. הזחלים של copepods, אשר נקראים Nauplii, להשתמש בתנועות קצביות של האנטנות שלהם (יש לו כל זחל שלושה זוגות appendaGES באזור הראש שלהם) כדי לשחות במים 6. התדירות והעוצמה של תנועות אלה היא בכך אינדיקציה ישירה של הגיל, כושר, ותנאים סביבתיים של החיה 7-10. כל חקירות על דגימות אלה נעשות בדרך כלל באמצעות מיקרוסקופ על ידי התבוננות וסופר את חבטות האנטנה של Nauplii ישירות. בשל גודלם (~ 100-500 מיקרומטר) 11, זה לעתים קרובות דורש לעשות מדידות או אחד אחד או לתקן Nauplius אחת למצע. הנה, אנחנו מדגימים גישה חדשה להתבונן בפעילות של copepod זחלים בדגימות מים על ידי שימוש בזהב nanoparticle לכוד אופטי כגלאי רגיש במיוחד. פינצטה אופטית משמשות בדרך כלל על ידי קבוצות רבות ככלי ניסיוני בסדר להחיל או למדוד כוחות בין מולקולות עד טווח piconewton 12-14. לאחרונה, מגוון רחב של יישומים עבור פינצטה אופטית הורחב להתבונן בתנודות אקוסטיות ולפתורתנודות NT בתקשורת נוזלית על ידי ניטור התנועה של ננו וmicroparticles שנכלאים במלכודת אופטית 15. חלקיקים ששקועים בנוזל חשופים לתנועה הבראונית. בתוך מלכודת אופטית, לעומת זאת, תנועה זו היא דיכא באופן חלקי על ידי, כוח שיפוע חזק, לייזר מושרה. לכן, את הנוקשות של המלכודת האופטית והלוקליזציה של החלקיקים בתוך המיקוד של קרן הלייזר יכולים להיות מכוונת על ידי כוח הלייזר. במקביל, ניתן לחשוף את המאפיינים על פוטנציאל ההשמנה ולנתח אינטראקציות של מולקולות עם החלקיקים על ידי ניטור תנועת חלקיקים תלוי זמן במלכודת. גישה זו הופכת את זה אפשרי להרים את התדירות, עוצמה וכיוון תנועת fluidic שנוצר על ידי אובייקט נע בסביבה נוזלית שלה. אנו מדגימים כיצד רעיון כללי זה יכול להיות מיושם להשגת ספקטרום תדרים של התנועה Nauplius בודד ללא הדרישהלהתערב באופן ישיר עם הדגימה. גישה ניסויית זה מציגה תפיסה כללית חדשה להתבוננות בהתנהגות ניעתי של דגימות מים בצורה מאוד רגישה. לתצפיות במינים bioindicator, זה יכול להרחיב את המתודולוגיה הנוכחית לניתוח מים ויכול להיות מיושם כדי להשיג מידע על הבריאות והתקינות של מערכות אקולוגיות מימיים.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="874">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Microscope Zeiss Axio Scope.A1</td>
			<td style="width:127px;">Carl Zeiss</td>
			<td style="width:201px;">490035-0012-000</td>
			<td style="width:303px;">dark field illumination</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Water objective Achroplan</td>
			<td style="width:127px;">Carl Zeiss</td>
			<td style="width:201px;">440087</td>
			<td>100x magnification, NA=1.0</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Air objective Epiplan</td>
			<td style="width:127px;">Carl Zeiss</td>
			<td style="width:201px;">442934</td>
			<td>10x magnification, NA=0.2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Dark field oil condenser</td>
			<td style="width:127px;">Carl Zeiss</td>
			<td style="width:201px;">445323</td>
			<td>NA=1.2</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:244px;">Cobolt Rumba CW 1064 nm DPSSL</td>
			<td style="width:127px;">Cobolt&#160;</td>
			<td style="width:201px;">1064-05-01-2000-500</td>
			<td>1064nm, CW, &#955;=1064nm, 2 Watt, TEM00</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:244px;">Beam expander</td>
			<td style="width:127px;">Edmund Optics</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td>Part no. 1064 2-8X 64414</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">High Speed Camera Dimax HD</td>
			<td style="width:127px;">PCO. Germany</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Color Camera Canon EOS 500 D&#160;</td>
			<td style="width:127px;">Canon</td>
			<td></td>
			<td>FAQ-ID: 8201395700</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Notch filter StopLine 532/1064</td>
			<td style="width:127px;">Semrock</td>
			<td style="width:201px;">A11149-711265</td>
			<td>Part no. NF01-532U</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Water&#160;</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Nauplius Artemia Salina</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Gold colloid</td>
			<td style="width:127px;">BBInternational</td>
			<td style="width:201px;">Batch 13741&#160;</td>
			<td>Diameter 60nm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">MQMie Version 3.2&#160;</td>
			<td style="width:127px;">r. Michael Quinten</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Mathematica 8.0</td>
			<td style="width:127px;">Wolfram</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Comsol Multiphysics 4.0&#160;</td>
			<td style="width:127px;">COMSOL, Inc.</td>
			<td style="width:201px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

analyzing the movement of the nauplius 'artemia salina' by optical tracking of plasmonic nanoparticles

אנו מדגימים כיצד פינצטה אופטית עשויה לספק כלי רגיש לנתח את תנודות fluidic שנוצרו על ידי התנועה של אורגניזמים ימיים קטנים. Nanoparticle זהב בודד שנערך על ידי פינצטה אופטית משמש כחיישן לכמת את התנועה הקצבית של זחל Nauplius (סאלינה הארטמיה) בדגימת מים. זו מושגת על ידי ניטור העקירה תלויה בזמן של nanoparticle הלכודים כתוצאה מפעילות Nauplius. אנליזה פורייה של עמדת nanoparticle אז תשואות ספקטרום תדרים שאופייניים לתנועה של המינים שנצפו. ניסוי זה מדגים את יכולתה של שיטה זו כדי למדוד ולאפיין את הפעילות של זחלים מימיים קטנים ללא הדרישה לצפות בהם באופן ישיר וכדי להשיג מידע על מיקומו של הזחלים ביחס לחלקיקים הלכודים. בסך הכל, גישה זו יכולה לתת תובנות על החיוניות של מינים מסוימים שנמצאו בדואר ימיcosystem ויכול להרחיב את מגוון שיטות מקובלות לניתוח דגימות מים.

איור סכמטי של הגדרת הניסוי מוצג באיור 1 א. תצורת שדה חשוכה יש צורך לזהות אופטי התזוזה של חלקיקי זהב 60 ננומטר במלכודת אופטית 15. אורך הגל של 1,064 ננומטר לליזר ההשמנה נבחר כדי להבטיח את כליאה יציבה של 12,14 חלקיקי זהב הגלאי. מפצל אלומה במיקרוסקופ משמש כדי למקד את אלומת אור הלכידה דרך האובייקטיבי וסינון ברמה גבוהה מונע לייזר ההשמנה מלהיכנס למכשיר האיתור של הניסוי. Nauplius היה ביצוע תנועות בפתרון המים המקיפים את nanoparticle לכודים אופטי הזהב (איור 1). תנודות fluidic המופקים על ידי בעלי החיים להפיץ באמצעות המדיום הנוזלי ואינטראקציה עם החלקיקים הלכודים אופטי. איור 2 א מראה תמונת שדה חשוכה של זהב nanoparticle אחת 60 ננומטר כי הוא לכוד בy קרן הלייזר. הצבע הירקרק תחת תאורת שדה חשוכה מציין תדירות פיזורה שבטווח אורכי הגל. התבוננות הצבע של חלקיקים הלכודים עם מצלמת DSLR מבטיחה כי רק אחד nanoparticle plasmonic הוא נלכד על ידי הלייזר הממוקד מאז הלכידה של חלקיקים שני תביא לשינוי בצבע עקב צימוד plasmonic. ההפצה המחושבת של הכוח האופטי הכולל שמחזיק את החלקיקים כלוא במלכודת שמוצגת באיור 2. ללא כל רטט fluidic חיצוני, התזוזה של nanoparticle plasmonic הלכודים תערוכות הפצת גאוס, שכן התנועה שלה היא אך ורק בכפוף לתנועה הבראונית (איור 2 ג). ברגע שאחד Nauplius מתווסף לדוגמא, התנועה שלה יוצרת אינטראקציה fluidic עם חלקיקי הגלאי. Nanoparticle במלכודת האופטית מתחיל להתנדנד בכיוון של האינטראקציה הנוזל עד משרעת תנודה של 100 ננומטר (איור 2). התנועות של מספר זחלי Nauplius נותחו באופן עצמאי על ידי ניטור השחייה ההתנהגות שלהם עם מצלמה CMOS במהירות גבוהה. למשל מוצג באיור 3 א. תנודה מלאה אחת מהתנועה המחזורית של הזרוע העיקרית של האנטנות הגדולות לוקחת 148 אלפיות שניות, אשר תואמת לתדר של כ 6.75 הרץ. אנו הבחנו באותו Nauplius על פני תקופה של כמה שניות זמן ושונים Nauplii גם הוא מאותו המדגם. מהתבוננות הישירה צפינו תדרים למשייכות אנטנות בטווח שבין 4.1 ו7.2 הרץ. איור 3 ואיור 3C מראים את ספקטרום התדרים של זהב nanoparticle לכוד בלי (עקום שחור) ועם (עקומה אדומה) הווה Nauplius בטיפת המים שנצפתה. כמעט אין אות שניתן לראות בx-הכיוון של הספקטרום פורייה של החלקיקים. לעומת זאת, ה-Y הכיוון של ספקטרום התדרים מראה שו&quot;ת חזקonse. זו יכולה להיות מוסברת על ידי את המיקום היחסי של Nauplius ביחס למלכודת החלקיקים. Nanoparticle מזהה רק את רעידות שנוצרות על ידי האורגניזם. איתות חזקה בכיוון y-לכן מציינת את הכיוון של תנודות fluidic וגם עמדתו של בעל החיים (cp. איור 2 ד). הפיכת מסלול עקירת חלקיקים תלוי הזמן לחלל פורייה ולכן מובילה לכיוון הבדל תלוי בעוצמת האות של ספקטרום התדרים. הטווח הנוכחי במדידות שלנו הרחב בתדר עולה בקנה אחד עם תנועתיות האורגניזם נטו. התנועות של שתי האנטנות העיקריות של Nauplius אינן המקור הבלעדי של עקירה נוזלית. תנועות של זוגות אנטנה קטנים ובליטות אחרות בגוף גם לתרום לאות שנצפתה. לכל המדידות, מצאנו מקסימום תדר בין 3.0 ו7.2 הרץ לתנועת Nauplius, שהוא בפי טוב frequ נצפה ישירות<html> encies של מיקרואורגניזם הביולוגי וגם מתאים היטב לטווח התדרים הצפוי לNauplius בשלב זחל 6,8-10. <img alt="איור 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51502/51502fig1highres.jpg" width="500" /> איור 1. איור סכמטי של הגדרת הניסוי. א) תצורה כהה שדה ופינצטה האופטית. מפצל אלומה במיקרוסקופ משמש כדי למקד את אלומת אור הלכידה (ננומטר 1,064, גל רציף) לבמה של מיקרוסקופ השדה האפל. סינון ברמה גבוהה מונע את הלייזר מלהיכנס במהירות גבוהה או מצלמת DSLR. B) nanoparticle זהב אחת לכוד בפינצטה האופטית כדי לזהות תנודות microfluidic של אחד Nauplius במדיום שמסביב. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/51502/51502fig1highres.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של זה דמות.</a> <html> class = &quot;jove_content&quot; עבור: לשמור-together.within-page = &quot;תמיד&quot;&gt; <img alt="איור 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51502/51502fig2highres.jpg" width="500" /> איור 2: אופטי השמנה של זהב nanoparticle. חישוב) תמונה כהה שדה של חלקיק זהב לכוד אחד. ב) לכח הכולל הפועל על החלקיקים במלכודת אופטית. אורך גל הלייזר הוא 1,064 ננומטר ואת כוחו של 100 mW נמדד תחת המטרה. הכוח הוא להתוות באזור של 2 מיקרומטר סביב הנקודה. C) xy-התזוזה של חלקיקי זהב במלכודת אופטית המוקד. תנועת החלקיקים אינה מופרעת על ידי תנודות fluidic ונגרמה רק על ידי תנועה בראונית. XY-תזוזה של חלקיקי זהב במלכודת ד &#39;), לאחר הוספת Nauplius לנוזל. זרימת microfluidic שנוצרה על ידי בעלי החיים גורמת לעיוות תלויה בתדירות של עקירת nanoparticle הזהב בy-כיוון.href = &quot;https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/51502/51502fig2highres.jpg&quot; target = &quot;_blank&quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51502/51502fig3highres.jpg" width="500" /> איור 3: ספקטרום תדרים של זהב nanoparticle לכוד ליד Nauplius שחייה. א) אנטנות מלטפת של Nauplius אחת בנקודות זמן שונות. . תנודה אחת שלמה של התנועה המחזורית של האנטנות המרכזיות לוקחת בערך 148 אלפיות שנייה (6.75 הרץ) B) עקומה שחורה: ספקטרום תדרים של התזוזה של nanoparticle לכודים אופטי באין מפריע בx-כיוון שנלקח כנקודת התייחסות. עקומה אדומה: ספקטרום תדרים של חלקיקי הזהב הבא לNauplius שוחה בx-כיוון. הספקטרום לא מראה איתות חזקה בשל המיקום היחסי של Nauplius לparticl הלכוד אופטידואר. הבלעה: איור סכמטי של עמדת Nauplius וnanoparticle הזהב במהלך הניסוי. הזרימה שנוצרה על ידי Nauplius נע מצביעה בעיקר בy-כיוון העקומה שחורה C):. ספקטרום תדרי ייחוס של חלקיקי זהב באין מפריע בy-כיוון. עקומה אדומה:. ספקטרום תדרים של עקירת nanoparticle זהב בנוכחות של Nauplius <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/51502/51502fig3highres.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles at JoVE.com

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

אנו משתמשים במעקב אופטי של חלקיקי plasmonic לחקור ולאפיין את התנועות בתדירות של אורגניזמים ימיים.

ניתוח התנועה של Nauplius &#39;<em&gt; סלינה הארטמיה</em&gt; &quot;על ידי מנגנון עקיבה האופטי של Plasmonic חלקיקים

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

analyzing-movement-nauplius-artemia-salina-optical-tracking-plasmonic

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

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

10.4K Views.  Ludwig-Maximilians-Universität.  אנו משתמשים במעקב אופטי של חלקיקי plasmonic לחקור ולאפיין את התנועות בתדירות של אורגניזמים ימיים. 

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

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

Metamaterials בודה בשיטת ציור הסיבים

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

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 ...

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

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

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

עיצוב, ייצור, וניסויית אפיון של פולטי Terahertz פוטו Plasmonic

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

Evaluating Plasmonic Transport in Current-carrying Silver Nanowires

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

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

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

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

דפוסים באמצעות מעברי Saturable אופטיים - ייצור ואפיון

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at a frequency above the acoustic range (20 kHz). As a solid-state technology, ultrasonic lubrication can be used where conventional lubricants are unfeasible or undesirable. Further, ultrasonic lubrication allows for electrical modulation of the effective friction coefficient between two sliding surfaces. This property enables adaptive systems that modify their frictional state and associated dynamic response as the operating conditions change. Surface wear can also be reduced through ultrasonic lubrication. We developed a protocol to investigate the dependence of friction force reduction and wear reduction on the linear sliding velocity between ultrasonically lubricated surfaces. A pin-on-disc tribometer was built which differs from commercial units in that a piezoelectric stack is used to vibrate the pin at 22 kHz normal to the rotating disc surface. Friction and wear metrics including effective friction force, volume loss, and surface roughness are measured without and with ultrasonic vibrations at a constant pressure of 1 to 4 MPa and three different sliding velocities: 20.3, 40.6, and 87 mm/sec. An optical profilometer is utilized to characterize the wear surfaces. The effective friction force is reduced by 62% at 20.3 mm/sec. Consistently with existing theories for ultrasonic lubrication, the percent reduction in friction force diminishes with increasing speed, down to 29% friction force reduction at 87 mm/sec. Wear reduction remains essentially constant (49%) at the three speeds considered.

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

ניסויים בUltrasonic שימון שימוש Tribometer סייע-Piezoelectrically וProfilometer האופטי

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to neutral gold Au(0) by reducing agents, such as sodium citrate or sodium borohydride. The extension of this method to decorate iron oxide or similar nanoparticles with gold nanoparticles to create multifunctional hybrid Fe2O3-Au nanoparticles is straightforward. This approach yields fairly good control over Au nanoparticle dimensions and loading onto Fe2O3. Additionally, the Au metal size, shape, and loading can easily be tuned by changing experimental parameters (e.g., reactant concentrations, reducing agents, surfactants, etc.). An advantage of this procedure is that the reaction can be done in air or water, and, in principle, is amenable to scaling up. The use of such optically tunable Fe2O3-Au nanoparticles for hyperthermia studies is an attractive option as it capitalizes on plasmonic heating of gold nanoparticles tuned to absorb light strongly in the VIS-NIR region. In addition to its plasmonic effects, nanoscale Au provides a unique surface for interesting chemistries and catalysis. The Fe2O3 material provides additional functionality due to its magnetic property. For example, an external magnetic field could be used to collect and recycle the hybrid Fe2O3-Au nanoparticles after a catalytic experiment, or alternatively, the magnetic Fe2O3 can be used for hyperthermia studies through magnetic heat induction. The photothermal experiment described in this report measures bulk temperature change and nanoparticle solution mass loss as functions of time using infrared thermocouples and a balance, respectively. The ease of sample preparation and the use of readily available equipment are distinct advantages of this technique. A caveat is that these photothermal measurements assess the bulk solution temperature and not the surface of the nanoparticle where the heat is transduced and the temperature is likely to be higher.

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

We describe the synthesis and properties of multifunctional Fe2O3-Au nanoparticles produced by a wet chemical approach and investigate their photothermal properties using laser irradiation. The composite Fe2O3-Au nanoparticles retain the properties of both materials, creating a multifunctional structure with excellent magnetic and plasmonic properties.

Fe ההיברידי משולב<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; חלקיקי -Au עבור חימום יעיל Plasmonic

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to ...

Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step process that finishes with Negishi coupling. Negishi coupling is a cross-coupling process in which a chemical precursor is first lithiated, followed by transmetallation with ZnCl2. The resultant organozinc compound can be coupled to a dibrominated aromatic precursor to give the conjugated monomer. Polymer films can be prepared via electropolymerization of the monomer and characterized using cyclic voltammetry and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopy. Nanoparticles (NPs) are prepared via emulsion polymerization of the monomer using a two-surfactant system to yield an aqueous dispersion of the polymer NPs. The NPs are characterized using dynamic light scattering, electron microscopy, and UV-Vis-NIR-spectroscopy. Cytocompatibility of NPs is investigated using the cell viability assay. Finally, the NP suspensions are irradiated with a NIR laser to determine their effectiveness as potential materials for photothermal therapy (PTT).

A protocol is presented for the synthesis and preparation of nanoparticles consisting of electroactive polymers.

מאפייני electroactive פולימר החלקיקים מציגים photothermal

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step ...

Use of Sacrificial Nanoparticles to Remove the Effects of Shot-noise in Contact Holes Fabricated by E-beam Lithography

Nano-patterns fabricated with extreme ultraviolet (EUV) or electron-beam (E-beam) lithography exhibit unexpected variations in size. This variation has been attributed to statistical fluctuations in the number of photons/electrons arriving at a given nano-region arising from shot-noise (SN). The SN varies inversely to the square root of a number of photons/electrons. For a fixed dosage, the SN is larger in EUV and E-beam lithographies than for traditional (193 nm) optical lithography. Bottom-up and top-down patterning approaches are combined to minimize the effects of shot noise in nano-hole patterning. Specifically, an amino-silane surfactant self-assembles on a silicon wafer that is subsequently spin-coated with a 100 nm film of a PMMA-based E-beam photoresist. Exposure to the E-beam and the subsequent development uncover the underlying surfactant film at the bottoms of the holes. Dipping the wafer in a suspension of negatively charged, citrate-capped, 20 nm gold nanoparticles (GNP) deposits one particle per hole. The exposed positively charged surfactant film in the hole electrostatically funnels the negatively charged nanoparticle to the center of an exposed hole, which permanently fixes the positional registry. Next, by heating near the glass transition temperature of the photoresist polymer, the photoresist film reflows and engulfs the nanoparticles. This process erases the holes affected by SN but leaves the deposited GNPs locked in place by strong electrostatic binding. Treatment with oxygen plasma exposes the GNPs by etching a thin layer of the photoresist. Wet-etching the exposed GNPs with a solution of I2/KI yields uniform holes located at the center of indentations patterned by E-beam lithography. The experiments presented show that the approach reduces the variation in the size of the holes caused by SN from 35% to below 10%. The method extends the patterning limits of transistor contact holes to below 20 nm.

Uniformly sized nanoparticles can remove fluctuations in contact hole dimensions patterned in poly(methyl methacrylate) (PMMA) photoresist films by electron beam (E-beam) lithography. The process involves electrostatic funneling to center and deposit nanoparticles in contact holes, followed by photoresist reflow and plasma- and wet-etching steps.

שימוש של חלקיקים של הקורבן להסיר את ההשפעות של Shot-רעש חורים לתקשר מפוברק על ידי E-הקורה ליתוגרפיה

Nano-patterns fabricated with extreme ultraviolet (EUV) or electron-beam (E-beam) lithography exhibit unexpected variations in size. This variation has ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

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

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

השמנת Plasmonic ושחרור של חלקיקים בסביבת ניטור

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