Fototermální optická mikroskopie - Photothermal optical microscopy - Wikipedia

Fototermální optická mikroskopie / „fototermální mikroskopie s jedním částicem“ je technika, která je založena na detekcifluorescenční štítky. Spoléhá se na absorpční vlastnosti štítků (zlaté nanočástice, polovodičové nanokrystaly atd.) a lze je realizovat na konvenčním mikroskopu pomocí rezonančního modulovaného topného paprsku, nerezonančního paprsku sondy a zavřít 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 podle jejich absorpce. Podobný Fluorescenční korelační spektroskopie (FCS) může být fototermální signál zaznamenán s ohledem na čas ke studiu difúzních a advekčních charakteristik absorbujících nanočástic v roztoku. Tato technika se nazývá fototermální korelační spektroskopie (PhoCS).

Schéma detekce vpřed

V tomto detekčním schématu je použit konvenční skenovací vzorek nebo laserový skenovací transmisní mikroskop. Jak ohřívací, tak sondážní laserový paprsek jsou koaxiálně vyrovnány a superponovány pomocí a dichroické zrcadlo. Oba paprsky jsou zaostřeny na vzorek, obvykle přes objektiv s osvětlením mikroskopu s vysokou NA, a jsou znovu vybrány pomocí objektivu s detekčním mikroskopem. Takto kolimovaný vysílaný paprsek je poté po odfiltrování topného paprsku zobrazen na fotodiodu. Změnou je pak fototermální signál ${ displaystyle Delta}$ ve vysílaném výkonu paprsku sondy ${ displaystyle P_ {d}}$ kvůli topnému laseru. Ke zvýšení poměru signálu k šumu lze použít blokovací techniku. Za tímto účelem je topný laserový paprsek modulován na vysoké frekvenci řádově MHz a detekovaný výkon paprsku sondy je poté demodulován na stejné frekvenci. U kvantitativních měření může být fototermální signál normalizován na výkon detekovaný na pozadí ${ displaystyle P_ {d, 0}}$ (což je obvykle mnohem větší než změna ${ displaystyle Delta P_ {d}}$), čímž definuje relativní fototermální signál ${ displaystyle Phi}$

${ displaystyle Phi = { frac { Delta P_ {d}} {P_ {d, 0}}} = { frac {P_ {d} vlevo ({ text {topný paprsek zapnutý}} vpravo) -P_ {d} vlevo ({ text {topný paprsek vypnutý}} vpravo)} {P_ {d} vlevo ({ text {pozadí, žádná částice}} doprava)}}}$

Detekční mechanismus

Fyzickým základem fototermálního signálu ve schématu detekce přenosu je čočková akce profilu indexu lomu, který je vytvořen při absorpci výkonu topného laseru nanočásticemi. Signál je homodynní v tom smyslu, že signál o rozdílu v ustáleném stavu odpovídá za mechanismus a vlastní interference dopředu rozptýleného pole s přenášeným paprskem odpovídá přerozdělení energie, jak se očekává u jednoduché čočky. Objektiv je částice Gadient Refractive INdex (GRIN) určená profilem indexu lomu 1 / r stanoveným na základě teplotního profilu bodového zdroje kolem nanočástice. Pro nanočástice o poloměru ${ displaystyle R}$ vložený do homogenního média indexu lomu ${ displaystyle n_ {0}}$ s termorefrakčním koeficientem ${ displaystyle mathrm {d} n / mathrm {d} T}$ profil indexu lomu zní:

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

ve kterém je kontrast tepelné čočky určen nanočásticemi vstřebávání průřez ${ displaystyle sigma _ { rm {abs}}}$ na vlnové délce topného paprsku, intenzita topného paprsku ${ displaystyle I_ {h}}$ v bodě částice a zalévacího média tepelná vodivost ${ displaystyle kappa}$ přes ${ displaystyle Delta n = left ( mathrm {d} n / mathrm {d} T right) sigma _ { rm {abs}} I_ {h} / 4 pi kappa R}$Ačkoli lze signál dobře vysvětlit v rozptylovém rámci, nejintuitivnější popis lze najít pomocí intuitivní analogie s Coulombovým rozptylem vlnových paketů ve fyzice částic.

Zpětné detekční schéma

V tomto detekčním schématu je použit konvenční skenovací vzorek nebo laserový skenovací transmisní mikroskop. Jak ohřívací, tak sondážní laserový paprsek jsou koaxiálně vyrovnány a superponovány pomocí a dichroické zrcadlo. Oba paprsky jsou zaostřeny na vzorek, obvykle přes objektiv s osvětlením mikroskopu s vysokou NA. Alternativně může být paprsek sondy bočně posunut vzhledem k topnému paprsku. Síla retroreflektovaného paprsku sondy se poté zobrazí na fotodiodu a změna vyvolaná topným paprskem poskytne fototermální signál

Detekční mechanismus

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

Reference