NIR-fluorescentie heeft een groot potentieel getoond in de biowetenschappen, maar de lage kwantumopbrengst heeft het onderzoek naar de meeste NIR-fluoroforen grotendeels belemmerd. Hier, wetenschappers in China gebruiken asymmetrische plasmonische nano-antennes om de fluorescentie-intensiteit van een NIR-kleurstof met één molecuul drastisch te verbeteren. De asymmetrie biedt een extra afstemmingsparameter die nieuwe mogelijkheden biedt om near-field en far-field-eigenschappen van de plasmonische modi te moduleren, waardoor de fluorescentie wordt verbeterd zonder de fotostabiliteit van het molecuul in gevaar te brengen. Dit werk biedt een universeel schema voor het ontwerpen van NIR-fluorescentie met één molecuul.

Single-molecule fluorescentiedetectie (SMFD) kan sonderen, één molecuul tegelijk, dynamische processen die cruciaal zijn voor het begrijpen van functionele mechanismen in biosystemen. Fluorescentie in het nabij-infrarood (NIR) biedt een verbeterde signaal-ruisverhouding (SNR) door de verstrooiing te verminderen, absorptie en autofluorescentie van biologische cellulaire of weefselmonsters, en daarom, biedt een hoge beeldresolutie met grotere weefselpenetratiediepten die belangrijk zijn voor biomedische toepassingen. Echter, de meeste NIR-stralers hebben een lage kwantumopbrengst en het zwakke NIR-fluorescentiesignaal maakt de detectie extreem moeilijk.

Plasmonische nanostructuren zijn in staat om gelokaliseerde elektromagnetische energie om te zetten in vrije straling en vice versa. Dit vermogen maakt ze efficiënte nano-antennes voor het moduleren van moleculaire fluorescentie. De plasmonische nano-antenne verbetert in het algemeen de fluorescentie van een nabijgelegen molecuul door de excitatiesnelheid en de kwantumopbrengst van het molecuul te verhogen. Om de fluorescentie optimaal te versterken, de plasmonische modus van de nano-antenne moet 1) sterk aan het molecuul koppelen en 2) sterk uitstralen naar de vrije ruimte. Het gelijktijdig voldoen aan de twee vereisten vormt een uitdaging die onmogelijk te overwinnen is in conventionele, symmetrische plasmonische nanostructuren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , wetenschappers van het State Key Laboratory of Surface Physics, Natuurkunde afdeling van Fudan University, China, maakt een roman, universele benadering om de fluorescentie van één molecuul in het NIR-regime te verbeteren zonder de fotostabiliteit van het molecuul in gevaar te brengen.

Ze construeren asymmetrische nano-antennes bestaande uit twee staven met ongelijke lengtes (figuur 1) die meerdere plasmonische modi bieden met afstembare resonantiefrequenties die overeenkomen met zowel excitatie- als emissiefrequenties van de fluorofoor. De toegevoegde afstemmingsparameter, d.w.z., de verhouding van de staaflengtes, in dergelijke asymmetrische structuren biedt nieuwe mogelijkheden om de near-field en far-field eigenschappen van de plasmonische modi te moduleren, waardoor zowel de excitatie- als de emissieprocessen verder worden verbeterd. Als resultaat, ze verwerven experimenteel een fluorescentieverbeteringsfactor van één molecuul tot 405 (Fig. 2), en de bijbehorende theoretische berekeningen geven aan dat de kwantumopbrengst wel 80% kan zijn. Omdat de kwantumopbrengst een grote rol speelt in deze opstelling, deze verbetering wordt bereikt zonder de overlevingstijd van de moleculen onder laserbestraling op te offeren.

In aanvulling, vergeleken met referentiegroepen van moleculen op glassubstraat, de auteurs hebben een significant verhoogde fotoblekingstijd waargenomen in moleculen die zich rond asymmetrische dubbelstaafs nano-antennes bevinden (Fig. 3), wat wijst op een veel hoger aantal fluorescentiefotonen die door die moleculen worden uitgezonden. De nano-antennes zijn, daarom, in staat om fotobleking drastisch te onderdrukken. Omdat de lokale veldverbetering de fotostabiliteit niet verbetert, de onderdrukking komt voornamelijk van de verhoogde kwantumopbrengst als gevolg van concurrentie tussen de fotoblekingssnelheid en de energieoverdrachtssnelheid naar de antenne.