Фототермическая оптическая микроскопия - Википедия - Photothermal optical microscopy

Фототермическая оптическая микроскопия / «Фототермическая микроскопия одиночных частиц» - это метод, основанный на обнаружении нефлуоресцентный этикетки. Он зависит от впитывающих свойств этикеток (наночастицы золота, полупроводниковые нанокристаллы и т. д.) и могут быть реализованы на обычном микроскопе с использованием резонансно-модулированного нагревательного луча, нерезонансного зондирующего луча и запирание обнаружение фототермических сигналов от одиночной наночастицы. Это расширение макроскопической фототермической спектроскопии на наноскопическую область. Высокая чувствительность и селективность фототермической микроскопии позволяет даже обнаруживать отдельные молекулы по их поглощению. Похожий на Флуоресцентная корреляционная спектроскопия (FCS) фототермический сигнал может быть записан относительно времени для изучения характеристик диффузии и адвекции поглощающих наночастиц в растворе. Этот метод называется фототермической корреляционной спектроскопией (PhoCS).

Схема прямого обнаружения

В этой схеме обнаружения используется обычный сканирующий образец или просвечивающий лазерный сканирующий микроскоп. И нагревательный, и зондирующий лазерный луч соосно выровнены и наложены друг на друга с помощью дихроичное зеркало. Оба луча фокусируются на образце, обычно через объектив микроскопа с высокой числовой апертурой, и собираются с помощью объектива детекторного микроскопа. Коллимированный таким образом переданный луч затем отображается на фотодиоде после фильтрации греющего луча. Тогда фототермический сигнал - это изменение в передаваемой мощности зондирующего пучка из-за нагревающего лазера. Для увеличения отношения сигнал / шум может использоваться метод синхронизации. С этой целью луч нагревающего лазера модулируется с высокой частотой порядка МГц, а затем обнаруженная мощность зондирующего луча демодулируется на той же частоте. Для количественных измерений фототермический сигнал может быть нормирован на мощность детектирования фона. (что обычно намного больше, чем изменение ), тем самым определяя относительный фототермический сигнал

Механизм обнаружения

Физической основой фототермического сигнала в схеме обнаружения пропускания является линзирующее действие профиля показателя преломления, которое создается при поглощении мощности нагревающего лазера наночастицей. Сигнал является гомодинным в том смысле, что разностный сигнал в установившемся режиме учитывает механизм, а самоинтерференция поля прямого рассеяния с переданным лучом соответствует перераспределению энергии, как и ожидалось для простой линзы. Линза представляет собой частицу Gadient Refractive INdex (GRIN), определяемую профилем показателя преломления 1 / r, установленным из-за профиля температуры точечного источника вокруг наночастицы. Для наночастицы радиуса погруженный в однородную среду с показателем преломления с коэффициентом терморефракции профиль показателя преломления:

в котором контраст тепловой линзы определяется наночастицей поглощение поперечное сечение на длине волны греющего луча интенсивность греющего луча в точке частицы и вмещающей среды теплопроводность через Хотя сигнал может быть хорошо объяснен в рамках теории рассеяния, наиболее интуитивное описание можно найти с помощью интуитивной аналогии с кулоновским рассеянием волновых пакетов в физике элементарных частиц.

Схема обратного обнаружения

В этой схеме обнаружения используется обычный сканирующий образец или просвечивающий лазерный сканирующий микроскоп. И нагревательный, и зондирующий лазерный луч соосно выровнены и наложены друг на друга с помощью дихроичное зеркало. Оба луча фокусируются на образец, обычно через объектив микроскопа с высокой числовой апертурой. В качестве альтернативы, зондирующий луч может быть смещен в боковом направлении относительно греющего луча. Затем мощность отраженного назад зондирующего луча отображается на фотодиоде, и изменение, вызванное нагревательным лучом, дает фототермический сигнал.

Механизм обнаружения

Обнаружение является гетеродинным в том смысле, что рассеянное поле зондирующего луча тепловой линзой интерферирует в обратном направлении с четко определенной ретроотраженной частью падающего зондирующего луча.

Рекомендации

  • Бойер, Д. (16 августа 2002 г.). "Фототермическое изображение металлических частиц нанометрового размера среди рассеивателей". Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 297 (5584): 1160–1163. Дои:10.1126 / science.1073765. ISSN  0036-8075. PMID  12183624.
  • Cognet, L .; Tardin, C .; Boyer, D .; Choquet, D .; Tamarat, P .; Лунис, Б. (17 сентября 2003 г.). «Визуализация одиночных металлических наночастиц для обнаружения белков в клетках». Труды Национальной академии наук. 100 (20): 11350–11355. Дои:10.1073 / pnas.1534635100. ISSN  0027-8424. PMID  13679586.
  • Гайдук Александр; Ruijgrok, Paul V .; Йорулмаз, Мустафа; Оррит, Мишель (2010). «Пределы обнаружения в фототермической микроскопии». Химическая наука. Королевское химическое общество (RSC). 1 (3): 343–350. Дои:10.1039 / c0sc00210k. ISSN  2041-6520.
  • Сельмке, Маркус; Cichos, Франк (2013). «Фотонное резерфордовское рассеяние: классическая и квантово-механическая аналогия в лучевой и волновой оптике». Американский журнал физики. Американская ассоциация учителей физики (AAPT). 81 (6): 405–413. arXiv:1208.5593. Дои:10.1119/1.4798259. ISSN  0002-9505.
  • Сельмке, Маркус; Cichos, Франк (2013-03-06). "Фототермическая микроскопия резерфордского рассеяния одиночных частиц". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 110 (10): 103901. Дои:10.1103 / Physrevlett.110.103901. ISSN  0031-9007. PMID  23521256.
  • Сельмке, Маркус; Браун, Марко; Cichos, Франк (2012-02-28). "Фототермическая микроскопия одиночных частиц: обнаружение нанолинзы". САУ Нано. Американское химическое общество (ACS). 6 (3): 2741–2749. Дои:10.1021 / nn300181h. ISSN  1936-0851. PMID  22352758.
  • Сельмке, Маркус; Браун, Марко; Cichos, Франк (2012-03-22). «Дифракция нанолинзы вокруг одной нагретой наночастицы». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 20 (7): 8055–8070. Дои:10.1364 / oe.20.008055. ISSN  1094-4087. PMID  22453477.
  • Сельмке, Маркус; Браун, Марко; Цихос, Фрэнк (28 сентября 2012). «Фототермическая микроскопия одиночных частиц с гауссовым пучком». Журнал Оптического общества Америки A. Оптическое общество. 29 (10): 2237–41. Дои:10.1364 / josaa.29.002237. ISSN  1084-7529. PMID  23201674.
  • Сельмке, Маркус; Шахофф, Роми; Браун, Марко; Cichos, Франк (2013). «Двухфокусная фототермическая корреляционная спектроскопия». RSC Adv. Королевское химическое общество (RSC). 3 (2): 394–400. Дои:10.1039 / c2ra22061j. ISSN  2046-2069.
  • Сельмке, Маркус; Браун, Марко; Шахофф, Роми; Cichos, Франк (2013). «Анализ распределения фототермических сигналов (PhoSDA)». Физическая химия Химическая физика. Королевское химическое общество (RSC). 15 (12): 4250–7. Дои:10.1039 / c3cp44092c. ISSN  1463-9076. PMID  23385281.
  • Бялковски, Стивен (1996). Методы фототермической спектроскопии для химического анализа. Нью-Йорк: Вили. ISBN  978-0-471-57467-5. OCLC  32819267.
  • «Группа молекулярной нанофотоники: фототермическая визуализация». Получено 2020-03-19.