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

Questo lavoro è stato supportato dal Knut e Alice Wallenberg Foundation, Consiglio di ricerca svedese e la zona di Chalmers di Advance nanoscienza e nanotecnologia.

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	<li>Andr&#233;n, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+photothermal+effects+on+optically+trapped+gold+nanorods+by+simultaneous+plasmon+spectroscopy+and+brownian+dynamics+analysis.">Probing photothermal effects on optically trapped gold nanorods by simultaneous plasmon spectroscopy and brownian dynamics analysis.</a> ACS Nano. 11 (10), 10053-10061 (2017).</li><li>Shao, L., Yang, Z. -. 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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

L'installazione di intrappolamento ottico descritto in questo protocollo è costruito intorno a un microscopio invertito commerciale e utilizza la luce laser rosso. Tuttavia, le tecniche descritte sono versatili e possono essere utilizzate per costruire la pinzetta ottica polarizzata circolarmente intorno più commerciale o casa costruita microscopi, entrambi in posizione verticale e invertito, con solo lievi alterazioni. La lunghezza d'onda del laser di registrazione dei colori possa essere scelti all'interno di uno spettro NIR largo visibile–, come il resto dei componenti ottici e rivelatori sono funzionali a questa lunghezza d'onda specifica. Tuttavia, quando si sceglie una lunghezza d'onda del laser, le dimensioni e la spettrale vicinanza alle risonanze delle particelle per essere manipolato dovrebbe essere considerati perché questo influenzerà le forze di intrappolamento ottico e rotazione prestazioni2,5, la grandezza di photothermal effetti1e la stabilità di intrappolamento26. In precedenza abbiamo lavorato con successo con pinzette laser circolarmente polarizzata utilizzando lunghezze d'onda laser di 660, 785, 830 e 1064 nm.
Uno dei più importanti componenti del setup dell'intrappolamento ottico è l'obiettivo del microscopio. L'obiettivo in questo protocollo è un obiettivo asciutto con NA = 0,95. L'uso di un obiettivo asciutto è sperimentalmente una realizzazione più semplice dell'installazione; Tuttavia, comporta aberrazioni ottiche a causa di rifrazione nelle interfacce delle cellule del campione. Nel caso di specie, il risultato è un punto di messa a fuoco leggermente allargata (~1.2 µm) rispetto al limite di diffrazione (~0.4 µm), ma questo non cambia in modo significativo le prestazioni generali o rotativa della piattaforma. In linea di principio, una vasta gamma di obiettivi del microscopio può essere utilizzato, a condizione che abbiano buona trasmissione a lunghezza d'onda di intrappolamento, polarizzazione buona manutenzione e abbastanza lunga distanza di lavoro per eseguire la registrazione dei colori attraverso un microscopio vetrini coprioggetto e strato d'acqua. In caso di intrappolamento 2D, il NA può essere relativamente basso, che rende l'intero esperimento più semplice e fornisce un pulitore polarizzazione circolare nel fuoco. Tuttavia, potenze laser superiori potrebbero essere richiesti che in caso di un alto obiettivo di NA. Nella nostra esperienza, le migliori prestazioni per il trapping, spettroscopia di rotazione e campo scuro è ottenuta con obiettivi con NA 0,7-0.95, ma è possibile utilizzare obiettivi NA inferiori così come superiori.
Per ottenere buona fotone misure di correlazione di moto rotatorio, è necessario un veloce singolo-detector. Scegliere un rivelatore con una larghezza di banda di almeno due, preferibilmente dieci, volte superiore rispetto alla frequenza di rotazione prevista moltiplicata per il fattore di degenerazione di forma e alta sensibilità alla lunghezza d'onda di registrazione dei colori utilizzati. Amplificato Si fotorivelatori, singolo fotone conteggio APDs e PMTs sono stati utilizzati con successo in diverse configurazioni di memoria nei nostri laboratori. Ulteriori informazioni, ad esempio sulla rigidità di trappola, possono essere ottenuti misurando ed analizzando cilindrata translational delle particelle usando tecniche consolidate come l'analisi spettrale di potere5. Un numero di precedenti pubblicazioni descriva diverse varianti di questa tecnica38,39. Spettroscopia di DF può essere eseguita utilizzando un vasta gamma dello spazio libero o fibra accoppiata spettrometri e la scelta dovrebbe essere basata sull'intervallo spettrale e la lunghezza d'onda e la risoluzione temporale necessario per lo studio pianificato.
Quando si esegue un esperimento di intrappolamento, ulteriori particelle possono entrare accidentalmente la trappola. Questo può essere rilevato mediante il monitoraggio della frequenza di rotazione, che fluttuerà fortemente dovuto la dispersione. Ispezione visiva da microscopia DF può essere utilizzato per verificare la presenza di una particella aggiuntiva, nel qual caso la fase può essere spostata per evitare ulteriori disturbi o l'esperimento deve essere riavviato.
Il sistema sopra descritto è un modo semplice ed efficiente per realizzare confinamento 2D e rotazione di nanoparticelle metalliche. Tuttavia, per alcune applicazioni, il grado di libertà supplementare per la manipolazione che viene fornito con intrappolamento 3D è importante, e la configurazione attuale è pertanto una limitazione. Tuttavia, rotazione e confinamento 3D potrebbe essere realizzabile utilizzando contatore propagazione pinzette laser o configurazioni di intrappolamento più esotiche.
Anche se i parametri delle particelle e sistema discussi qui possono essere ottimizzati per ridurre photothermal riscaldamento a ~ 15 K4, l'aumento di temperatura connesso con eccitazione plasmoniche di nanoparticelle metalliche può essere problematico in alcuni applicazioni. Un possibile percorso verso ulteriore riduzione di calore consiste nell'utilizzare nanoparticelle dielettriche ad alto indice anziché particelle plasmoniche. Tali particelle forti risonanze di scattering di Mie-tipo di supporto, ma allo stesso tempo presentano coefficienti di basso assorbimento intrinseco. Recentemente siamo stati in grado di produrre nanoparticelle Si risonante colloidali che potrebbero rivelarsi utili in questo rispetto40,41.

I metodi presentati in questo articolo consente di replicare quelli utilizzati nel nostro precedente lavoro1 per studiare gli effetti di photothermal su scala nanometrica che influenzano motori rotanti basati su luce oro nanorod. Varianti della piattaforma sperimentale è stato utilizzato in albergo diverse pubblicazioni relative2,3,4,5,6,7,8, 9.
Pinzette ottiche sono ampiamente utilizzate per il controllo di posizione, forza e momento lineare trasferimento a scale di lunghezza piccola in fisica, biologia e ingegneria10,11,12,13,14 . Quantità di moto angolare trasportato da luce circolarmente polarizzata può essere impiegato per ulteriori motion control perché continuamente trasferire coppia a oggetti intrappolati15. Combinando il trasferimento ottico lineare e angolare, è quindi possibile costruire nanomotori invasivo rotativo con potenziale per diverse applicazioni, come ad esempio la somministrazione di farmaci in singole cellule16,17, su scala nanometrica Chirurgia18e nanofluidica attivo19, tra gli altri.
Usando nanoparticelle metalliche come oggetto di manipolazione guidato luce, uno in grado di sfruttare i vantaggi della risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR), che forniscono grandi sezioni trasversali ottiche, elevata sensibilità ai cambiamenti ambientali e grande campo miglioramenti20,21,22,23. Ciò ha portato ad una ricchezza degli studi al confine tra la plasmonica e manipolazione ottica8,24,25,26,27. L'interazione luce-materia forte fornito da LSPR ci ha permesso di progettare una piattaforma dove sono in grado di pilotare oro nanorod a girare alle frequenze di rotazione record in acqua2pinzette laser polarizzata circolarmente. Registrando il moto browniano di un rotazione nanorod, dettagliate informazioni su ambiente e temperatura ottenibile3,5. L'analisi spettroscopica simultanea fornisce un canale di ulteriori informazioni indipendenti per analisi temperatura locale e la stabilità morfologica del nanorod rotante1. Una gamma di sistemi e configurazioni sono stati utilizzati per lo studio e l'applicazione di movimento rotatorio a Pinzetta ottica, generando importanti intuizioni entro il campo15,28,29,30 , 31 , 32. Tuttavia, la maggior parte di questi studi hanno trattati con oggetti parecchi micrometri di diametro mentre un singolo nanorod dà accesso al regime di dimensione nanometrica. Inoltre, quando oro nanorod sono usati come il nanomotore rotativo, coppia di torsione è efficientemente trasferiti principalmente tramite dispersione2,33. Questo diminuisce il rischio di surriscaldamento delle particelle intrappolate3,34,35.
Nel metodo riportato di seguito, abbiamo delineare i passaggi necessari per costruire un sistema capace di intrappolamento ottico efficiente e rotazione di nanoparticelle metalliche. L'oro nanorod considerato in questi studi hanno alta dispersione sezioni trasversali, e la pressione di radiazione risulta per essere più forte della forza di gradiente contrastando in direzione di propagazione. Per ancora confinare le particelle in 3D, utilizziamo la forza dell'equilibrio tra repulsione di Coulomb da una superficie di vetro e la forza di dispersione di laser nella direzione di propagazione. Questa configurazione di 2D-intrappolamento espande notevolmente la gamma di particelle intercettabile, rispetto alla Pinzetta ottica 3D standard, e può essere facilmente combinato con spettroscopia e imaging ottico campo scuro.
Una nanoparticella di metallo intrappolata e rotazione interagisce con l'ambiente, e informazioni dettagliate su questa interazione sono contenuti nel suo movimento e le proprietà spettrali. Dopo aver descritto come costruire la pinzetta ottica polarizzata circolarmente, abbiamo pertanto anche delineare come integrare strumentazione per sondare la dinamica di rotazione e misurare gli spettri di scattering di Rayleigh nel setup sperimentale. Il risultato è una piattaforma versatile per lo studio di fenomeni di rotazione su scala nanometrica in fisica, chimica e biologia.
Questo protocollo si presuppone che il ricercatore abbia accesso alle nanoparticelle di metallo colloidale adatte, preferibilmente singolo nanorod di oro cristallino. Nanorod oro possono essere acquistati da aziende specializzate o sintetizzato in casa utilizzando metodi di bagnato-chimica. Nanorod utilizzato nei nostri esperimenti sono state fatte con il metodo di crescita mediata dal seme descritto in Ye et al. 201336. È vantaggioso se la morfologia e le proprietà ottiche delle nanoparticelle sono ben caratterizzate, ad esempio mediante misure di estinzione ottica e microscopia elettronica a scansione (SEM). Figura 1 Visualizza i dati registrati da tali misure per nanorod rappresentante tipi1.
Un contorno del protocollo è come segue: nella prima sezione, descriviamo la costruzione di pinzette ottiche basate su polarizzazione circolare. Nella seconda sezione, descriviamo come estrarre informazioni dal nanomotore registrando le sue proprietà di scattering e la dinamica di rotazione. La frequenza di rotazione e la rotazione moto browniano delle particelle intrappolate è misurata utilizzando la spettroscopia a correlazione di fotoni da proiettare luce retrodiffusa laser filtrata attraverso un polarizzatore lineare su un veloce singolo pixel detector3. Inserendo i dati a una funzione di autocorrelazione teorica, sia la frequenza di rotazione e il tempo di decadimento della diffusione rotazionale browniano possono essere estratti2,3. Le proprietà ottiche della nanoparticella intrappolata e rotante sono misurate usando la spettroscopia del campo scuro, che fornisce informazioni complementari sulla particella ed il relativo ambiente. Nella terza sezione, descriviamo la procedura sperimentale per l'intrappolamento e la rotazione di nanorod oro.
Il protocollo descritto fino a questo punto è un percorso semplice per un sistema funzionante di Pinzetta ottica polarizzata circolarmente per rotazione delle nanoparticelle. Tuttavia, a volte problemi che richiedono ulteriore attenzione. Nella quarta sezione, descriviamo alcuni dei problemi comuni che abbiamo incontrato e come risolverli. Questi includono questioni relative alla proprietà ottiche delle nanoparticelle che conducono alla stabilità trappola poveri (4.1), basse frequenze di rotazione a causa della polarizzazione circolare suboptimale causato da beamsplitter birifrangenza (4.2), attaccando delle nanoparticelle sulla superficie di vetro a causa di insufficiente repulsione di Coulomb (4.3) e la deviazione dal segnale caratteristico autocorrelazione (4.4).

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

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

La possibilità per generare e misurare la rotazione e la coppia a scala nanometrica è di fondamentale interesse allo studio e all'applicazione di nanomotori biologico e artificiale e può fornire nuove rotte verso analisi unicellulare, studi di non-equilibrio termodinamica e azionamento meccanico dei sistemi su nanoscala. Un modo facile per rotazione consiste nell'utilizzare la luce polarizzata circolarmente laser concentrata in pinzette ottiche. Utilizzando questo approccio, nanoparticelle metalliche possono funzionare come altamente efficienti motori rotanti scattering-driven filatura alle frequenze di rotazione senza precedenti in acqua.
In questo protocollo, abbiamo delineare la costruzione e l'esercizio di pinzette ottiche circolarmente polarizzati per rotazione di nanoparticelle e descrivere la strumentazione necessaria per la registrazione il dynamics browniano e Rayleigh scattering delle particelle intrappolate. Il movimento di rotazione e gli spettri di dispersione fornisce informazioni indipendenti sulle proprietà della nanoparticella e l'ambiente circostante. La piattaforma sperimentale si è dimostrato utile come un misuratore nanoscopica di viscosità e temperatura locale, per tenere traccia delle modifiche morfologiche di nanorod e rivestimenti molecolari e come un trasduttore e sonda di photothermal e processi termodinamici.

La rotazione e il moto browniano rotazionale di un oro nanorod che correttamente viene intercettato nelle pinzette laser circolarmente polarizzata può essere sondata registrando fluttuazioni di intensità di dispersione della luce (Figura 3a) utilizzando un rivelatore di singolo pixel. Uno spettro di autocorrelazione di questo segnale contiene un componente oscillatorio, simile a quella mostrata nella Figura 3b. che può essere in forma per una funzione di autocorrelazione teorica. Il raccordo consente l'estrazione della frequenza di rotazione e il tempo di decadimento di autocorrelazione, che è legato alle fluttuazioni browniana rotazionale, dei nanorod.
Come accennato nel protocollo (istruzioni 4.4.2), è essenziale utilizzare un nucleo di fibra sufficientemente spessa per raccogliere la luce retrodiffusa laser per spettroscopia a correlazione di fotoni. Se questo non è il caso, un termine ulteriore decadimento legato alla traduzione delle particelle dentro e fuori il volume sonda sarà presente nella funzione di correlazione, vedere la Figura 4. Attraverso un'attenta analisi, questo potrebbe fornire ulteriori informazioni sul sistema; Tuttavia, complica l'analisi della dinamica rotazionale browniana contenuta nei dati.
Per ottenere gli spettri di dispersione DF corretti da nanoparticelle intrappolate, come descritto nella sezione 3.5, i dati spettrali crudi devono essere calibrato. Ciò avviene registrando lo spettro di lampada di illuminazione, nonché un spettro di fondo (Figura 5a). Messa a fuoco di luce laser intensa a una superficie di vetro, come il substrato contro cui sono intrappolati nanorod, quando alcuni fluorescenza potrebbe essere generato (si veda il contributo spettrale rosso nello spettro sfondo della Figura 5a). Questa contaminazione di fluorescenza può essere ridotto utilizzando substrati di silice fusa. Tuttavia, in ogni caso è altamente consigliato per registrare uno spettro di sfondo con pinzette ottiche vuote presso la potenza del laser corretta. Quando viene registrato uno spettro di scattering e tutte le componenti spettrali non legate alla dispersione delle nanoparticelle effettivo sono state compensate per, lo spettro può essere montato in scala di energia con una funzione di raccordo bi-Lorentzian per estrarre le informazioni relative alla Posizioni di picco LSPR (Figura 5b).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig1.jpg"> Figura 1: immagini al SEM e spettri di estinzione ensemble per due lotti rappresentativo nanoparticella. un) Barra della scala è di 200 nm. b) il blu/rosso bordered immagini al SEM in un) corrispondono allo spettro rosso/blu, rispettivamente. I picchi spettrali relazionati al LSPRs trasversali e longitudinali sono chiaramente distinguibili. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57947/57947fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig2.jpg"> Figura 2: illustrazione schematica del programma di installazione di pinzette ottiche per misure di rotazione di nanoparticella. Luce laser è collimata e ampliato attraverso un telescopio kepleriano e successivamente guidato l'obiettivo attraverso l'uso di due specchi mobili (M1, M2) e un beamsplitter (BS). Due birifrangenti nel percorso del laser ottimizzano la polarizzazione circolare delle pinzette ottiche (λ/2, λ/4). Luce laser backscattered possa essere ritirate dopo un polarizzatore lineare per spettroscopia a correlazione di fotoni e la dinamica di rotazione misurazioni. Dopo aver rimosso la luce laser, luce bianca diffusa è guidata da uno spettrometro o una macchina fotografica. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57947/57947fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig3.jpg"> Figura 3: dati rappresentativi di intensità e autocorrelazione con curva adattano per una trappola e rotante nanorod. un) Fluttuazioni di intensità registrate dal rivelatore singolo pixel dopo un polarizzatore lineare per 1s e una trama ingrandita delle fluttuazioni. b) dati di autocorrelazione di fluttuazione di intensità per un nanorod oro rotante (punti blu), raccolti da luce retrodiffusa laser. I dati mostrano un'oscillazione che decade dopo alcuni periodi. L'oscillazione è relativo alla frequenza di rotazione di nanorod, considerando che il decadimento è movimento browniano rotatorio. Viene eseguita una misura della funzione di autocorrelazione teorico (linea rossa) per estrarre una frequenza di rotazione di f = 24285 ± 45 Hz e una correlazione decadimento tempo τ0 = 40,9 ± 1.06 µs. Le incertezze di0 f e τrappresentano gli intervalli di confidenza del 95% della fit, che ha un coefficiente di determinazione (R2) di 0.9877. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57947/57947fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig4.jpg"> Figura 4: problema con un volume troppo piccola sonda in correlazione fotone. misure di spettroscopia un) Dati di autocorrelazione per un nanorod oro rotante, raccolti tramite una spessa (400 µm, blu dati) e una sottile (62,5 µm, dati rossi) della fibra. Insieme utilizzando una fibra spessa assicura che il nanorod è sempre limitato all'interno del volume di sonda e che la funzione di autocorrelazione misure solo la dinamica di rotazione. Un termine ulteriore decadimento dovuto traslazionale browniano è presente quando il volume di sonda è insufficiente. In b) e c), illustrazioni schematiche dell'effetto vengono mostrate immagini della regione collezione retro-illuminato. Barre della scala sono 2 µm. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57947/57947fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57947/57947fig5.jpg"> Figura 5: spettri di dispersione del campo scuro esemplare registrato per un oro nanorod otticamente intrappolati dalla luce di laser 660 nm. La regione spettrale 630-670 nm (1.85-1,97 eV) è distorto a causa di filtri notch necessari per bloccare la luce del laser di intrappolamento. un) spettri Raw scattering (blu scuro) presentano caratteristiche che non sono inerenti alla dispersione della particella e devono essere calibrati per. Questi includono lo spettro di sfondo (rosso), che contiene autofluorescence eccitato dalla luce di laser altamente concentrati, e lo spettro di eccitazione di luce bianca (arancione, registrato senza filtro notch). Dopo la calibrazione, lo spettro di dispersione corretto (blu chiaro) Mostra due picchi distinti LSPR come previsto. Le frecce indicano la scala per ogni spettro. b) spettro di Scattering per un nanorod intrappolati (punti blu) insieme a una vestibilità alla funzione del modello bi-Lorentzian (rossa) con i suoi componenti (azzurro e arancio). La regione spettrale distorta è ignorata nel raccordo dei dati e la fit ha un R2 di 0.9975. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57947/57947fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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

Plasmoniche nanorod oro possono essere intrappolati in liquidi e ruotato a frequenze kHz utilizzando pinzette ottiche polarizzata circolarmente. L'introduzione di strumenti per l'analisi dinamica browniano e luce scatteringspectroscopy conduce ad un potente sistema di ricerca e applicazione in numerosi campi della scienza.

Costruzione e funzionamento di un sistema motore basato su luce oro Nanorod Rotary

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

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

Nanyang Technological University

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8.8K Views.  Chalmers University of Technology. Plasmoniche nanorod oro possono essere intrappolati in liquidi e ruotato a frequenze kHz utilizzando pinzette ottiche polarizzata circolarmente. L'introduzione di strumenti per l'analisi dinamica browniano e luce scatteringspectroscopy conduce ad un potente sistema di ricerca e applicazione in numerosi campi della scienza.

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.

Trapping ottica di nanoparticelle

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 ...

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Ingegneria

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.

Fabbricazione e funzionamento di un nano-ottica Nastro trasportatore

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.

Preparazione di ZnO Nanorod / grafene / ZnO Nanorod epitassiale Doppia Heterostructure per piezoelettrico nanogeneratore utilizzando preriscaldamento Idrotermale

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.

Idrochinone Based Sintesi di oro Nanorods

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

Chimica

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.

Progettazione e assemblaggio di un ultraleggero motorizzato per Microdrive croniche Recordings neurali in animali di piccola taglia

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

Neuroscienze

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.

Produzione di Dynein e Kinesin Motor Ensemble su nanostrutture DNA Origami per l'osservazione a singola molecola

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

Biochimica

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.

Motori molecolari basati su luce sulle superfici per l'Imaging molecolare singola

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.

Assemblaggio di nanorod oro in Metamolecules plasmoniche chirale utilizzando modelli di Origami del DNA

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

Gold Nanorod-assisted Optical Stimulation of Neuronal Cells

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

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

Oro nanorod-assistito stimolazione ottica di cellule neuronali

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.

Caratterizzazione biofisica delle funzioni flagellare a motore

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