光熱光学顕微鏡

光熱光学顕微鏡法/ 「光熱単一粒子顕微鏡法」は、非蛍光ラベルの検出に基づく技術です。これは、ラベル (金ナノ粒子、半導体ナノ結晶など) の吸収特性に依存し、共鳴変調加熱ビーム、非共鳴プローブビーム、および単一ナノ粒子からの光熱信号のロックイン検出を使用して、従来の顕微鏡で実現できます。これは、マクロ光熱分光法をナノスケール領域に拡張したものです。光熱顕微鏡法の高い感度と選択性により、吸収による単一分子の検出も可能です。蛍光相関分光法(FCS) と同様に、光熱信号を時間に関して記録して、溶液中の吸収ナノ粒子の拡散と移流の特性を調べることができます。この技術は、光熱相関分光法 (PhoCS) と呼ばれます。

この検出方式では、従来の走査型サンプル顕微鏡またはレーザー走査型透過顕微鏡が採用されています。加熱レーザービームとプローブレーザービームの両方が同軸に整列され、ダイクロイックミラーを使用して重ね合わされます。両方のビームは、通常、高 NA 照明顕微鏡対物レンズを介してサンプルに焦点を合わせ、検出顕微鏡対物レンズを使用して再収集されます。これによりコリメートされた透過ビームは、加熱ビームをフィルタリングした後、フォトダイオードに結像されます。光熱信号は、加熱レーザーによる透過プローブビーム電力の変化です。信号対雑音比を高めるために、ロックイン技術が使用される場合があります。この目的のために、加熱レーザービームは MHz オーダーの高周波数で変調され、検出されたプローブビーム電力は同じ周波数で復調されます。定量測定の場合、光熱信号をバックグラウンド検出電力(通常は変化よりもはるかに大きい) に正規化し、相対的な光熱信号を定義します。${\displaystyle \Delta }$${\displaystyle P_{d}}$${\displaystyle P_{d,0}}$${\displaystyle \Delta P_{d}}$${\displaystyle \Phi}$

${\displaystyle \Phi ={\frac {\Delta P_{d}}{P_{d,0}}}={\frac {P_{d}\left({\text{加熱ビームオン}}\right)-P_{d}\left({\text{加熱ビームオフ}}\right)}{P_{d}\left({\text{背景、粒子なし}}\right)}}}$

透過検出方式における光熱信号の物理的基礎は、加熱レーザー出力がナノ粒子に吸収されたときに生成される屈折率プロファイルのレンズ作用です。信号は、定常状態の差信号がメカニズムを説明し、前方散乱場と透過ビームの自己干渉が単純なレンズに予想されるエネルギー再分配に対応するという意味でホモダインです。レンズは、ナノ粒子の周囲の点光源温度プロファイルによって確立された 1/r 屈折率プロファイルによって決定される Gadient Refractive INdex (GRIN) 粒子です。熱屈折係数を持つ屈折率の均質媒体に埋め込まれた半径のナノ粒子の場合、屈折率プロファイルは次のようになります。 ${\displaystyle R}$${\displaystyle n_{0}}$${\displaystyle \mathrm {d} n/\mathrm {d} T}$

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

ここで、熱レンズのコントラストは、加熱ビームの波長におけるナノ粒子の吸収断面積、粒子の点における加熱ビームの強度、および埋め込み媒体の熱伝導率によって決定されます。信号は散乱の枠組みでうまく説明できますが、最も直感的な説明は、粒子物理学における波束のクーロン散乱との直感的な類似性によって見つけることができます。 ${\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}$

この検出方式では、従来の走査型サンプル顕微鏡またはレーザー走査型透過顕微鏡が採用されています。加熱用レーザービームとプローブ用レーザービームは、ダイクロイックミラーを使用して同軸に整列し、重ね合わせられます。両方のビームは、通常、高 NA 照明顕微鏡対物レンズを介してサンプルに焦点を合わせます。あるいは、プローブビームを加熱ビームに対して横方向にずらすこともできます。反射されたプローブビームのパワーはフォトダイオードに画像化され、加熱ビームによって誘発された変化が光熱信号を提供します。

検出は、熱レンズによるプローブ ビームの散乱場が、入射プローブ ビームの明確に定義された反射部分と後方方向に干渉するという意味でヘテロダインです。