Фототермическая оптическая микроскопия

Фототермическая оптическая микроскопия / «фототермическая микроскопия одиночных частиц» — это метод, основанный на обнаружении нефлуоресцентных меток . Он основан на поглощающих свойствах меток ( наночастицы золота , полупроводниковые нанокристаллы и т. д.) и может быть реализован на обычном микроскопе с использованием резонансного модулированного нагревательного луча, нерезонансного зондирующего луча и синхронного обнаружения фототермических сигналов от одной наночастицы. . Это расширение макроскопической фототермической спектроскопии на наноскопическую область. Высокая чувствительность и селективность фототермической микроскопии позволяют обнаруживать даже одиночные молекулы по их поглощению. Подобно флуоресцентной корреляционной спектроскопии (FCS), фототермический сигнал может быть записан во 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 лазерно-сканирующий трансмиссионный микроскоп. Как нагревательный, так и зондирующий лазерный луч ориентированы соосно и наложено с помощью дихроичного зеркала . Оба луча фокусируются на образце, обычно через объектив осветительного микроскопа с высокой числовой апертурой, и собираются с помощью объектива детекторного микроскопа. Таким образом, коллимированный прошедший луч затем отображается на фотодиоде после фильтрации нагревательного луча. Фототермический сигнал – это изменение $\Delta$ мощности передаваемого зондирующего луча $P_{d}$ из-за нагревающего лазера. Для увеличения отношения сигнал/шум можно использовать метод синхронизации. С этой целью нагревательный лазерный луч модулируется на высокой частоте порядка МГц, а затем детектируемая мощность зондирующего луча демодулируется на той же частоте. Для количественных измерений фототермический сигнал можно нормализовать по обнаруженной мощности фона. $P_{d,0}$ (что обычно намного больше, чем изменение $\Delta P_{d}$), тем самым определяя относительный фототермический сигнал $\Phi$

$\Phi ={\frac {\Delta P_{d}}{P_{d,0}}}={\frac {P_{d}\left({\text{heating beam on}}\right)-P_{d}\left({\text{heating beam off}}\right)}{P_{d}\left({\text{background, no particle}}\right)}}$

Механизм обнаружения

Физической основой фототермического сигнала в схеме обнаружения пропускания является линзирующее действие профиля показателя преломления, который создается при поглощении мощности нагревательного лазера наночастицей. Сигнал является гомодинным в том смысле, что устойчивый разностный сигнал объясняет этот механизм, а самоинтерференция поля, рассеянного вперед, с прошедшим 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 в результате профиля температуры точечного источника вокруг наночастицы. Для наночастицы радиуса $R$ погруженный в однородную среду с показателем преломления $n_{0}$ с коэффициентом терморефракции $\mathrm {d} n/\mathrm {d} T$ профиль показателя преломления гласит:

$n\left(\mathbf {r} \right)=n_{0}+{\frac {\mathrm {d} n}{\mathrm {d} T}}\Delta T\left(\mathbf {r} \right)=n_{0}+\Delta n{\frac {R}{r}}$

в котором контраст тепловой линзы определяется сечением наночастиц поглощения $\sigma _{\rm {abs}}$ при длине волны греющего луча интенсивность греющего луча $I_{h}$ в точке частицы и теплопроводность внедряющей среды $\kappa$ с помощью $\Delta n=\left(\mathrm {d} n/\mathrm {d} T\right)\sigma _{\rm {abs}}I_{h}/4\pi \kappa R$. Хотя сигнал можно хорошо объяснить 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 лазерно-сканирующий трансмиссионный микроскоп. Как нагревательный, так и зондирующий лазерный луч ориентированы соосно и наложено с помощью дихроичного зеркала . Оба луча фокусируются на образце, обычно через объектив осветительного микроскопа с высокой числовой апертурой. Альтернативно, зондирующий луч может быть смещен вбок относительно нагревательного луча. Затем мощность отраженного зондирующего луча отображается на фотодиоде, и изменение, вызванное нагревательным лучом, обеспечивает 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.

Ссылки

• Бойер, Д. (16 августа 2002 г.). «Фототермическое изображение металлических частиц нанометрового размера среди рассеивателей». Наука . 297 (5584). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1160–1163. дои : 10.1126/science.1073765 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   12183624 . S2CID   8758957 .
• Когнет, Л.; Тардин, К.; Бойер, Д.; Шоке, Д.; Тамарат, П.; Лоунис, 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 . ПМК   208760 . ПМИД   13679586 .
• Гайдук, Александр; Руйгрок, Пол В.; Йорулмаз, Мустафа; Оррит, Мишель (2010). «Пределы обнаружения в фототермической микроскопии». Химическая наука . 1 (3). Королевское химическое общество (RSC): 343–350. дои : 10.1039/c0sc00210k . ISSN   2041-6520 .
• Сельмке, Маркус; Сичос, Фрэнк (2013). «Фотонное резерфордовское рассеяние: классическая и квантовомеханическая аналогия в лучевой и волновой оптике». Американский журнал физики . 81 (6). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 405–413. arXiv : 1208.5593 . дои : 10.1119/1.4798259 . ISSN   0002-9505 . S2CID   119276853 .
• Сельмке, Маркус; Сичос, Фрэнк (6 марта 2013 г.). «Фототермическая микроскопия резерфордовского рассеяния одной частицы». Письма о физических отзывах . 110 (10). Американское физическое общество (APS): 103901. doi : 10.1103/physrevlett.110.103901 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   23521256 .
• Сельмке, Маркус; Браун, Марко; Сичос, Фрэнк (28 февраля 2012 г.). «Фототермическая одночастичная микроскопия: обнаружение нанолинзы». АСУ Нано . 6 (3). Американское химическое общество (ACS): 2741–2749. дои : 10.1021/nn300181h . ISSN   1936-0851 . ПМИД   22352758 .
• Сельмке, Маркус; Браун, Марко; Сичос, Фрэнк (22 марта 2012 г.). «Дифракция нанолинз вокруг одиночной нагретой наночастицы» . Оптика Экспресс . 20 (7). Оптическое общество: 8055–8070. arXiv : 1109.2772 . дои : 10.1364/oe.20.008055 . ISSN   1094-4087 . ПМИД   22453477 .
• Сельмке, Маркус; Браун, Марко; Сичос, Фрэнк (28 сентября 2012 г.). «Гауссово-лучевая фототермическая микроскопия одиночных частиц» . Журнал Оптического общества Америки А. 29 (10). Оптическое общество: 2237–41. arXiv : 1105.3815 . дои : 10.1364/josaa.29.002237 . ISSN   1084-7529 . ПМИД   23201674 .
• Сельмке, Маркус; Шачофф, Роми; Браун, Марко; Сичос, Фрэнк (2013). «Двухфокусная фототермическая корреляционная спектроскопия». РСК Адв . 3 (2). Королевское химическое общество (RSC): 394–400. дои : 10.1039/c2ra22061j . ISSN   2046-2069 .
• Сельмке, Маркус; Браун, Марко; Шачофф, Роми; Сичос, Фрэнк (2013). «Анализ распределения фототермических сигналов (PhoSDA)». Физическая химия Химическая физика . 15 (12). Королевское химическое общество (RSC): 4250–7. дои : 10.1039/c3cp44092c . ISSN   1463-9076 . ПМИД   23385281 .
• Бялковски, Стивен (1996). Фототермические спектроскопические методы химического анализа . Нью-Йорк: Уайли. ISBN  978-0-471-57467-5 . ОСЛК   32819267 .
• «Группа молекулярной нанофотоники: фототермическая визуализация» . Проверено 19 марта 2020 г.