Wetenschappers van Rice University hebben onthullende informatie gevonden waar licht van een molecuul licht van een nanodeeltje ontmoet.

De laboratoria van Rice-chemici Christy Landes en Stephan Link demonstreerden hoe een methode kan worden geoptimaliseerd die kleine concentraties moleculen kan detecteren door het licht dat ze uitzenden te versterken wanneer hun spectrale frequenties overlappen met die van nabijgelegen plasmonische nanodeeltjes.

De oppervlakteplasmonen, coherente elektronengolven die over het oppervlak van een metalen nanodeeltje rimpelen, fungeren als antennes en versterken het uitgestraalde licht van de moleculen tot 10 keer wanneer ze zich op de "sweet spot" in de buurt van een deeltje bevinden.

Hun techniek is het onderwerp van een paper in een speciale editie van de Tijdschrift voor Chemische Fysica gericht op opkomende richtingen in plasmonics. Het werk bij Rice zou onderzoekers kunnen helpen bij het analyseren van de actieve oppervlakken van katalysatoren en andere materialen op nanoschaal, een belangrijke stap in het verbeteren van hun efficiëntie.

De ontdekking is gebaseerd op het fenomeen elektrochemiluminescentie (ECL), waarbij elektriciteit chemische reacties aanstuurt die moleculen ertoe aanzetten licht uit te stralen, zei Thomas Heiderscheit, een afgestudeerde Rice-student en de hoofdauteur van de paper. Het wordt vaak gebruikt om sporenmaterialen zoals zware metalen in water of het Zika-virus in biologische vloeistoffen op te sporen.

Eerdere studies concludeerden dat spectrale overlap van het nanodeeltje en de moleculen het signaal zou versterken, maar die studies konden geen verklaring geven voor de aangeboren verschillen in grootte en vorm van nanodeeltjes die de effecten zouden kunnen maskeren. De Rice-onderzoekers hadden zich ten doel gesteld om deze andere effecten te minimaliseren om zich alleen te concentreren op de rol van spectrale frequentie-overlap bij signaalverbetering.

"Deze studie bekijkt welk type antenne het beste kan worden gebruikt, omdat de eigenschappen van het nanodeeltje het spectrum en de overlap met het molecuul dicteren, " zei Miranda Gallagher, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker van Rice en co-auteur van het artikel. "Moet het rond zijn of moet het scherpe randen hebben? Moet het kleiner of groter zijn?"

Bij experimenten, de onderzoekers combineerden gouden nanosferen of gouden nanodriehoeken met scherpe punten met een op ruthenium gebaseerd kleurstofmolecuul in een polymeeromhulsel dat ervoor zorgde dat de moleculen niet te ver van de deeltjes migreerden. "Dat is in wezen onze elektrode, "Zei Heiderscheit. "Als we het polymeer niet hadden, de kleurstofmoleculen zouden vrij kunnen bewegen en we zouden licht over het monster zien diffunderen."

Met de moleculen beperkt door het polymeer, ze konden duidelijk moleculen zien die nabij deeltjes uitstoten. Ze bepaalden dat signaalverbetering wordt geregeld door een combinatie van grootte en frequentie-aanpassing tussen het kleurstofmolecuul en de nanosferen, en alleen frequentieaanpassing voor nanodriehoeken.

Beeldvorming met één molecuul is nog steeds een uitdaging voor de ontluikende techniek, aldus Heiderscheit.

"Eigenlijk, we stellen ons voor hoe actief een oppervlak is, " zei hij. "Het ministerie van Energie (de hoofdsponsor van het project) geeft om dit onderzoek omdat het de reactiviteit op een oppervlak met superresolutie in kaart kan brengen." Superresolutie maakt het vastleggen van afbeeldingen onder de diffractielimiet van licht mogelijk .

"Bijvoorbeeld, als je nanodeeltjes in een batterijsysteem hebt, je kunt ECL gebruiken om in kaart te brengen waar de reacties chemisch het meest actief zijn, "Zei Heiderscheit. "Je bepaalt in wezen wat nanodeeltjes een goede katalysator maken, en we kunnen deze tool gebruiken om betere te ontwerpen."