Fototermální optická mikroskopie - Photothermal optical microscopy

Fototermální optická mikroskopie / „fototermální mikroskopie s jednou částicí“ je technika, která je založena na detekci nefluorescenčních značek. Spoléhá se na absorpční vlastnosti štítků ( zlaté nanočástice , polovodičové nanokrystaly atd.) A lze jej realizovat na konvenčním mikroskopu pomocí rezonančně modulovaného topného paprsku, neresonančního paprsku sondy a lock-in detekce fototermálních signálů z jedné nanočástice . Jedná se o rozšíření makroskopické fototermální spektroskopie na nanoskopickou doménu. Vysoká citlivost a selektivita fototermální mikroskopie umožňuje dokonce detekci jednotlivých molekul jejich absorpcí. Podobně jako fluorescenční korelační spektroskopie (FCS) může být fototermální signál zaznamenáván s ohledem na čas ke studiu difúzních a advekčních charakteristik absorbujících nanočástic v roztoku. Tato technika se nazývá fototermální korelační spektroskopie (PhoCS).

Schéma dopředné detekce

V tomto detekčním schématu je použit konvenční skenovací vzorek nebo laserový skenovací přenosový mikroskop. Ohřev i sondovací laserový paprsek jsou koaxiálně vyrovnány a překryty pomocí dichroického zrcadla . Oba paprsky jsou zaostřeny na vzorek, obvykle přes vysoce mikroskopický objektiv s osvětlením NA a znovu zachyceny pomocí objektivu detekčního mikroskopu. Takto kolimovaný vysílaný paprsek je poté po odfiltrování topného paprsku zobrazen na fotodiodu. Fototermální signál je pak změnou výkonu přenášeného paprsku sondy v důsledku ohřívacího laseru. Ke zvýšení poměru signálu k šumu lze použít techniku ​​lock-in. Za tímto účelem je topný laserový paprsek modulován na vysoké frekvenci řádově MHz a detekovaný výkon paprsku sondy je poté demodulován na stejné frekvenci. Pro kvantitativní měření může být fototermální signál normalizován na výkon detekovaný na pozadí (který je obvykle mnohem větší než změna ), čímž se definuje relativní fototermální signál${\ displaystyle \ Delta}$${\ displaystyle P_ {d}}$${\ displaystyle P_ {d, 0}}$${\ displaystyle \ Delta P_ {d}}$${\ displaystyle \ Phi}$

${\ Displaystyle \ Phi = {\ frac {\ Delta P_ {d}} {P_ {d, 0}}} = {\ frac {P_ {d} \ left ({\ text {topný paprsek zapnutý}} \ \ vpravo) -P_ {d} \ vlevo ({\ text {topný paprsek vypnutý}} \ vpravo)} {P_ {d} \ left ({\ text {background, no particle}} \ \ right)}}}}$

Detekční mechanismus

Fyzikálním základem fototermálního signálu ve schématu detekce přenosu je čočkové působení profilu indexu lomu, který se vytvoří absorpcí energie ohřívacího laseru nanočásticemi. Signál je homodynní v tom smyslu, že mechanismus odpovídá signálu v ustáleném stavu a vlastní interference interferenčního pole dopředného rozptýleného pole s vysílaným paprskem odpovídá redistribuci energie, jak se očekává u jednoduché čočky. Čočka je částice Gadient Refractive INdex (GRIN) určená profilem indexu lomu 1/r stanoveným teplotním profilem bodového zdroje kolem nanočástic. Pro nanočástice o poloměru vložené do homogenního média indexu lomu s termorefrakčním součinitelem profil indexu lomu zní: ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle n_ {0}}$${\ Displaystyle \ mathrm {d} n/\ mathrm {d} T}$

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

ve kterém je kontrast tepelné čočky určen absorpčním průřezem nanočástic na vlnové délce ohřívacího paprsku, intenzitou ohřívacího paprsku v bodě částice a tepelnou vodivostí obklopujícího média prostřednictvím . Přestože lze signál dobře vysvětlit v rámci rozptylu, nejintuitivnější popis lze nalézt pomocí intuitivní analogie s Coulombovým rozptylem vlnových paketů ve fyzice částic. ${\ displaystyle \ sigma _ {\ rm {abs}}}$${\ displaystyle I_ {h}}$ ${\ displaystyle \ kappa}$${\ Displaystyle \ Delta n = \ left (\ mathrm {d} n/\ mathrm {d} T \ right) \ sigma _ {\ rm {abs}} I_ {h}/4 \ pi \ kappa R}$

Zpětné detekční schéma

V tomto detekčním schématu je použit konvenční skenovací vzorek nebo laserový skenovací přenosový mikroskop. Ohřev i sondovací laserový paprsek jsou koaxiálně vyrovnány a překryty pomocí dichroického zrcadla . Oba paprsky jsou zaostřeny na vzorek, typicky pomocí mikroskopu s vysokým NA osvětlením. Alternativně může být paprsek sondy laterálně posunut vzhledem k topnému paprsku. Retroreflektovaný výkon paprsku sondy je poté zobrazen na fotodiodu a změna vyvolaná topným paprskem poskytuje fototermální signál

Detekční mechanismus

Detekce je heterodynní v tom smyslu, že rozptýlené pole paprsku sondy tepelnou čočkou interferuje ve zpětném směru s dobře definovanou retroreflektovanou částí paprsku snímajícího dopad.

Reference