Interferometrická detekce rozptylu světla na nanočásticích

Abstract

V této práci rozšiřujeme možnosti nového mikroskopu založeného na interferometrické detekci rozptylu (iSCAT) a posouváme jeho výkon na hranice fyzikálních limitů citlivosti a rozlišení. Zobrazujeme rozptýlené světlo na biomolekulách a kovových nanočásticích ve widefield konfiguraci. V této konfiguraci detekujeme zlaté nanočástice pouhé 2nm v průměru. Jsme tak schopni lokalizovat nanočástice menší než jedna molekula proteinu s přesností, která překonává současné možnosti lokalizace pomocí fluorescence. Zlaté nanočástice jsou detekovány v milisekundových a mikrosekundových expozičních časech. Srovnání těchto měření odhaluje vliv délky molekulární kotvy propojující rozptylovou značku a studovanou biomolekulu na přesnost změřené trajektorie. Dále je experimentální uspořádání iSCAT rozšířeno na detekci optické anizotropie nanoobjektů (zlaté nanotyčky a dimery zlatých nanočástic). Využití extrémně malých zlatých nanočástic jako rozptylových značek s vysokou lokalizační přesností nám umožní v blízké budoucnosti rozlišovat prostorové informace menší než jedna molekula proteinu. Naše studie naznačuje cestu k detekci více rozptylových značek v jednom difrakčně limitovaném bodě pomocí optické anizotropie vázaných plasmonických systémů.

A novel microscope based on interferometric detection of scattering (iSCAT) is advanced and its performance is pushed to the physical limits of sensitivity and resolution. We demonstrate wide-field imaging of light scattered on biomolecules and metallic nanoparticles with possible interrogation of polarization anisotropy. We show the possibility of imaging gold nanoparticles as small as 2 nm in diameter. We localize sub-protein sized scattering labels. Localization precision is found in the few-nanometer range, which exceeds the state-of-the-art in fluorescent microscopy. High-speed tracking of gold nanoparticles is performed and compared for millisecond and microsecond exposure times. We further investigate the effect of the chemical linker used for anchoring a scattering label on the tracking fidelity. The optical anisotropy of nano-objects (gold nanorods and nanoparticle dimers) is resolved using the iSCAT imaging developed in this work. The combination of the physical size of tested labels and the feasible localization precision will allow us to pinpoint and potentially resolve the spatial information on scales smaller than one protein molecule in near future. Our studies pave the way towards detection of multiple scattering labels within one diffraction limited spot based on the anisotropy of coupled plasmonic systems.