(PhysOrg.com) -- Zulke zeer begeerde technische mogelijkheden als de observatie van enkelvoudige katalytische processen in nanoreactoren, of de optische detectie van lage concentraties biochemische agentia en gassen is een belangrijke stap dichter bij de realisatie. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland, rapporteer de eerste experimentele demonstratie van antenne-versterkte gasdetectie op het niveau van een enkel deeltje. Door een palladium nanodeeltje op de focuspunt van een gouden nanoantenne te plaatsen, ze waren in staat om veranderingen in de optische eigenschappen van het palladium duidelijk te detecteren bij blootstelling aan waterstof.

"We hebben resonante antenne-versterkte waterstofdetectie met één deeltje in het zichtbare gebied aangetoond en een fabricagebenadering gepresenteerd voor de positionering van een enkel palladiumnanodeeltje in de nanofocus van een gouden nanoantenne, " zegt Paul Alivisatos, directeur van Berkeley Lab en de leider van dit onderzoek. "Ons concept biedt een algemene blauwdruk voor het versterken van plasmonische detectiesignalen op het niveau van één deeltje en zou de weg moeten effenen voor de optische observatie van chemische reacties en katalytische activiteiten in nanoreactoren, en voor lokale biosensing."

Alivisatos, die ook de Larry en Diane Bock hoogleraar nanotechnologie is aan de Universiteit van Californië, Berkeley, is de corresponderende auteur van een artikel in het tijdschrift Natuurmaterialen dit onderzoek beschrijft. Het artikel is getiteld "Nanoantenna-enhanced gas sensing in een enkele nanofocus op maat." Co-auteur van het artikel met Alivisatos waren Laura Na Liu, Ming Tang, Mario Hentschel en Harald Giessen.

Een van de heetste nieuwe velden in de technologie van vandaag is plasmonica - de opsluiting van elektromagnetische golven in afmetingen die kleiner zijn dan de helft van de golflengte van de invallende fotonen in de vrije ruimte. Meestal gebeurt dit op het grensvlak tussen metalen nanostructuren, meestal goud, en een diëlektricum, meestal lucht. De opsluiting van de elektromagnetische golven in deze metalen nanostructuren genereert elektronische oppervlaktegolven die 'plasmonen' worden genoemd. Een afstemming van de oscillatiefrequentie tussen plasmonen en de invallende elektromagnetische golven leidt tot een fenomeen dat bekend staat als gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR), die het elektromagnetische veld kan concentreren in een volume van minder dan een paar honderd kubieke nanometer. Elk object dat in dit lokaal begrensde veld wordt gebracht - de nanofocus genoemd - zal de LSPR beïnvloeden op een manier die kan worden gedetecteerd via donkerveldmicroscopie.

"Nanofocusing heeft onmiddellijke gevolgen voor plasmonische waarneming, " zegt Laura Na Liu, hoofdauteur van de Nature Materials-paper die op het moment dat het werk werd gedaan lid was van de onderzoeksgroep van Alivisatos, maar nu bij Rice University is. "Metalen nanostructuren met scherpe hoeken en randen die een puntige punt vormen, zijn vooral gunstig voor plasmonische detectie omdat de veldsterkten van de elektromagnetische golven zo sterk worden verbeterd over zo'n extreem klein detectievolume."

Plasmonische detectie is vooral veelbelovend voor de detectie van ontvlambare gassen zoals waterstof, waar het gebruik van sensoren die elektrische metingen vereisen veiligheidsproblemen opleveren vanwege de potentiële dreiging van vonken. Waterstof, bijvoorbeeld, kan ontbranden of exploderen in concentraties van slechts vier procent. Palladium werd gezien als een uitstekende kandidaat voor de plasmonische detectie van waterstof omdat het gemakkelijk en snel waterstof absorbeert, wat de elektrische en diëlektrische eigenschappen ervan verandert. Echter, de LSPR's van palladium-nanodeeltjes leveren brede spectrale profielen op die het detecteren van veranderingen extreem moeilijk maken.

"In ons resonante antenne-verbeterde schema, we gebruiken dubbele elektronenstraallithografie in combinatie met een dubbele lift-off procedure om een ​​enkel palladium nanodeeltje precies in de nanofocus van een gouden nanoantenne te positioneren, " zegt Liu. "De sterk verbeterde nabije velden van het gouddeeltjesplasmon kunnen de verandering in de diëlektrische functie van het proximale palladiumnanodeeltje waarnemen wanneer het waterstof absorbeert of afgeeft. Licht dat door het systeem wordt verstrooid, wordt opgevangen door een donkerveldmicroscoop met bijgevoegde spectrometer en de LSPR-verandering wordt in realtime uitgelezen."

Alivisatos, Liu en hun co-auteurs ontdekten dat het antenneverbeteringseffect kon worden gecontroleerd door de afstand tussen het palladium-nanodeeltje en de gouden antenne te veranderen, en door de vorm van de antenne te veranderen.

"Door waarnemingssignalen op het niveau van één deeltjes te versterken, we elimineren de statistische en gemiddelde kenmerken die inherent zijn aan ensemblemetingen, " zegt Liu. "Bovendien, onze antenne-versterkte plasmonische detectietechniek omvat een niet-invasief schema dat biocompatibel is en kan worden gebruikt in waterige omgevingen, waardoor het toepasbaar is op een verscheidenheid aan fysische en biochemische materialen."

Bijvoorbeeld, door het palladium-nanodeeltje te vervangen door andere nanokatalysatoren, zoals ruthenium, platina, of magnesium, Liu zegt dat hun antenne-versterkte plasmonische detectieschema kan worden gebruikt om de aanwezigheid van tal van andere belangrijke gassen naast waterstof te controleren, inclusief kooldioxide en de stikstofoxiden. Deze techniek biedt ook een veelbelovend plasmonisch detectiealternatief voor de fluorescerende detectie van katalyse, die afhangt van de uitdagende taak om geschikte fluoroforen te vinden. Met antenne versterkte plasmonische waarneming biedt ook mogelijkheden voor de waarneming van afzonderlijke chemische of biologische gebeurtenissen.

"We geloven dat onze met antenne versterkte detectietechniek kan dienen als een brug tussen plasmonica en biochemie, " zegt Liu. "Plasmonische waarneming biedt een uniek hulpmiddel voor het optisch onderzoeken van biochemische processen die optisch inactief van aard zijn. In aanvulling, aangezien plasmonische nanostructuren gemaakt van goud of zilver niet bleken of knipperen, ze zorgen voor continue observatie, een essentieel vermogen voor in-situ monitoring van biochemisch gedrag."