फोटोथर्मल ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी

फोटोथर्मल ऑप्टिकल सूक्ष्मदर्शी / फोटोथर्मल सिंगल पार्टिकल सूक्ष्मदर्शी ऐसी विधि है जो गैर-प्रतिदीप्ति लेबल का पता लगाने पर आधारित है। यह लेबल (कोलाइडल सोना, क्वांटम डॉट, आदि) के अवशोषण गुणों पर निर्भर करता है, और एकल नैनोकण से फोटोथर्मल संकेतों का पता लगाने के लिए गुंजयमान संग्राहक ऊष्मीय किरण, गैर-अनुनाद प्रोब किरण और लॉक-इन का उपयोग करके पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी पर संवेदन किया जा सकता है। यह नैनोस्कोपिक डोमेन के लिए मैक्रोस्कोपिक फोटोथर्मल स्पेक्ट्रोस्कोपी का विस्तार है। फोटोथर्मल सूक्ष्मदर्शी की उच्च संवेदनशीलता और चयनात्मकता उनके अवशोषण द्वारा एकल अणुओं का पता लगाने की अनुमति भी देती है। प्रतिदीप्ति सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफसीएस) के समान, समाधान में नैनोकणों को अवशोषित करने के प्रसार और संवहन विशेषताओं का अध्ययन करने के लिए फोटोथर्मल सिग्नल को समय के संबंध में अंकित किया जा सकता है। इस विधि को फोटोथर्मल कोरिलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएचओसीएस) कहा जाता है।

अग्रसर अनुसन्धान योजना

इस पहचान योजना में पारंपरिक स्कैनिंग प्रतिरूप या लेजर-स्कैनिंग ट्रांसमिशन सूक्ष्मदर्शी कार्यरत है। दोनों, ऊष्मीय और प्रोबिंग लेजर किरण समाक्षीय रूप से संरेखित हैं

डाइक्रोइक फिल्टर का उपयोग करके आरोपित होते हैं। दोनों किरण प्रतिरूप पर केंद्रित होते हैं, सामान्यतः उच्च-एनए प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शी उद्देश्य के माध्यम से, और पहचान सूक्ष्मदर्शी उद्देश्य का उपयोग करके याद किया जाता है। इसके बाद संचरित संचरित किरण को ऊष्मीय किरण को छानने के बाद फोटोडायोड पर चित्रित किया जाता है। फोटोथर्मल सिग्नल तब परिवर्तन है $\Delta$ प्रेषित प्रोब किरण शक्ति में $P_{d}$ ऊष्मीय लेजर के कारण सिग्नल-टू-शोर अनुपात को बढ़ाने के लिए लॉक-इन विधि का उपयोग किया जा सकता है। इसके लिए, ऊष्मीय लेजर किरण को मेगाहर्ट्ज के क्रम की उच्च आवृत्ति पर संशोधित किया जाता है और पता चला प्रोब किरण शक्ति को उसी आवृत्ति पर डिमॉड्यूलेट किया जाता है। मात्रात्मक मापन के लिए, फोटोथर्मल सिग्नल को पृष्ठभूमि में पाई गई शक्ति के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है $P_{d,0}$ (जो सामान्यतः परिवर्तन से काफी बड़ा होता है $\Delta P_{d}$), जिससे सापेक्ष फोटोथर्मल सिग्नल को परिभाषित किया जा सके $\Phi$

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

अनुसन्धान तंत्र

ट्रांसमिशन अनुसन्धान योजना में फोटोथर्मल सिग्नल के लिए भौतिक आधार अपवर्तक इंडेक्स प्रोफाइल की लेंसिंग क्रिया है जो नैनोपार्टिकल द्वारा ऊष्मीय लेजर पावर के अवशोषण पर बनाई गई है। संकेत इस अर्थ में होमोडाइन है कि तंत्र के लिए स्थिर स्थिति अंतर संकेत खाता है और प्रेषित किरण के साथ आगे बिखरे हुए क्षेत्र का आत्म-हस्तक्षेप साधारण लेंस के लिए अपेक्षित ऊर्जा पुनर्वितरण से मेल खाता है। लेंस गैडिएंट रिफ्रैक्टिव इंडेक्स (जीआरआईएन) कण है जो नैनोपार्टिकल के चारों ओर बिंदु-स्रोत तापमान प्रोफ़ाइल के कारण स्थापित 1/r अपवर्तक सूचकांक प्रोफ़ाइल द्वारा निर्धारित होता है। त्रिज्या के नैनोपार्टिकल के लिए $R$ अपवर्तक सूचकांक के सजातीय माध्यम में एम्बेडेड $n_{0}$ थर्मोरेफेक्टिव गुणांक के साथ $\mathrm {d} n/\mathrm {d} T$ अपवर्तक सूचकांक प्रोफ़ाइल पढ़ता है:

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

जिसमें ऊष्मीय लेंस के कंट्रास्ट को नैनोकणों के अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) क्रॉस-सेक्शन द्वारा निर्धारित किया जाता है $\sigma _{\rm {abs}}$ ऊष्मीय किरण वेवलेंथ पर, ऊष्मीय किरण की तीव्रता $I_{h}$ कण और एम्बेडिंग माध्यम की तापीय चालकता के बिंदु पर $\kappa$ के माध्यम से $\Delta n=\left(\mathrm {d} n/\mathrm {d} T\right)\sigma _{\rm {abs}}I_{h}/4\pi \kappa R$.

यद्यपि सिग्नल को स्कैटरिंग फ्रेमवर्क में अच्छी तरह से समझाया जा सकता है, कण भौतिकी में वेव पैकेट्स के कूलम्ब स्कैटरिंग के सहज सादृश्य द्वारा सबसे सहज विवरण पाया जा सकता है।

पिछले अनुसन्धान योजना

इस पहचान योजना में पारंपरिक स्कैनिंग प्रतिरूप या लेजर-स्कैनिंग ट्रांसमिशन सूक्ष्मदर्शी कार्यरत है। दोनों, ऊष्मीय और प्रोबिंग लेजर किरण समाक्षीय रूप से संरेखित हैं,

डाइक्रोइक फिल्टर का उपयोग करके आरोपित होते हैं। दोनों किरण प्रतिरूप पर केंद्रित होते हैं, सामान्यतः उच्च-एनए प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शी उद्देश्य के माध्यम से। वैकल्पिक रूप से, ऊष्मीय किरण के संबंध में प्रोब-किरण को बाद में विस्थापित किया जा सकता है। पुन: परावर्तित प्रोब-किरण शक्ति को फिर फोटोडायोड पर चित्रित किया जाता है और ऊष्मीय किरण द्वारा प्रेरित परिवर्तन फोटोथर्मल सिग्नल प्रदान करता है।

अनुसन्धान तंत्र

अनुसन्धान इस अर्थ में हेटेरोडाइन है कि ऊष्मीय लेंस द्वारा प्रोब किरण का बिखरा हुआ क्षेत्र इंसिडेंस प्रोबिंग किरण के अच्छी तरह से परिभाषित रेट्रोरफ्लेक्टेड भागो के साथ पीछे की दिशा में हस्तक्षेप करता है।

संदर्भ

• Boyer, D. (2002-08-16). "Photothermal Imaging of Nanometer-Sized Metal Particles Among Scatterers". Science. American Association for the Advancement of Science (AAAS). 297 (5584): 1160–1163. doi:10.1126/science.1073765. ISSN 0036-8075. PMID 12183624. S2CID 8758957.
• Cognet, L.; Tardin, C.; Boyer, D.; Choquet, D.; Tamarat, P.; Lounis, B. (2003-09-17). "Single metallic nanoparticle imaging for protein detection in cells". Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (20): 11350–11355. doi:10.1073/pnas.1534635100. ISSN 0027-8424. PMC 208760. PMID 13679586.
• Gaiduk, Alexander; Ruijgrok, Paul V.; Yorulmaz, Mustafa; Orrit, Michel (2010). "Detection limits in photothermal microscopy". Chemical Science. Royal Society of Chemistry (RSC). 1 (3): 343–350. doi:10.1039/c0sc00210k. ISSN 2041-6520.
• Selmke, Markus; Cichos, Frank (2013). "Photonic Rutherford scattering: A classical and quantum mechanical analogy in ray and wave optics". American Journal of Physics. American Association of Physics Teachers (AAPT). 81 (6): 405–413. arXiv:1208.5593. doi:10.1119/1.4798259. ISSN 0002-9505. S2CID 119276853.
• Selmke, Markus; Cichos, Frank (2013-03-06). "Photothermal Single Particle Rutherford Scattering Microscopy". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 110 (10): 103901. doi:10.1103/physrevlett.110.103901. ISSN 0031-9007. PMID 23521256.
• Selmke, Markus; Braun, Marco; Cichos, Frank (2012-02-28). "Photothermal Single-Particle Microscopy: Detection of a Nanolens". ACS Nano. American Chemical Society (ACS). 6 (3): 2741–2749. doi:10.1021/nn300181h. ISSN 1936-0851. PMID 22352758.
• Selmke, Markus; Braun, Marco; Cichos, Frank (2012-03-22). "Nano-lens diffraction around a single heated nano particle". Optics Express. The Optical Society. 20 (7): 8055–8070. doi:10.1364/oe.20.008055. ISSN 1094-4087. PMID 22453477.
• Selmke, Markus; Braun, Marco; Cichos, Frank (2012-09-28). "Gaussian beam photothermal single particle microscopy". Journal of the Optical Society of America A. The Optical Society. 29 (10): 2237–41. doi:10.1364/josaa.29.002237. ISSN 1084-7529. PMID 23201674.
• Selmke, Markus; Schachoff, Romy; Braun, Marco; Cichos, Frank (2013). "Twin-focus photothermal correlation spectroscopy". RSC Adv. Royal Society of Chemistry (RSC). 3 (2): 394–400. doi:10.1039/c2ra22061j. ISSN 2046-2069.
• Selmke, Markus; Braun, Marco; Schachoff, Romy; Cichos, Frank (2013). "Photothermal signal distribution analysis (PhoSDA)". Physical Chemistry Chemical Physics. Royal Society of Chemistry (RSC). 15 (12): 4250–7. doi:10.1039/c3cp44092c. ISSN 1463-9076. PMID 23385281.
• Bialkowski, Stephen (1996). Photothermal spectroscopy methods for chemical analysis. New York: Wiley. ISBN 978-0-471-57467-5. OCLC 32819267.
• "Molecular Nanophotonics Group: Photothermal Imaging". Retrieved 2020-03-19.