Beeldvorming op de schaal van een enkel molecuul heeft veel recente onderzoeksinteresse gekregen in diverse gebieden van de moleculaire biologie, natuurkunde en nanotechnologie. Onderzoekers hebben superresolutiemicroscopie gebruikt om toegang te krijgen tot subdiffractieresolutie, maar de techniek is niet van toepassing op plasmonische nanodeeltjesdimeerstructuren die intense gebieden van veldversterking vormen, ook bekend als plasmonische hotspots, door plasmonische koppeling (interactie tussen twee of meer plasmonische deeltjes) en het verlies van positie-informatie. In een recente studie, Matthew J. Horton en een team van interdisciplinaire onderzoekers in het NanoPhotonics Center van de Universiteit van Cambridge, Blackett Laboratory aan het Imperial College van Londen, en de School voor Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Birmingham, VK, reconstrueerde de locaties van moleculen binnen een plasmonische hotspot met een precisie van 1 nm.

Om dit te bereiken, ze gebruikten een plasmonische nanobollens en stelden plasmonische nanoholten vast als een nanoscopisch en spectroscopisch hulpmiddel. Het werk opent nieuwe mogelijkheden om het gedrag van moleculen te bestuderen, variërend van een paar moleculen tot een enkel molecuul in een plasmonische nano-resonator, terwijl ze tegelijkertijd hun beweging en spectrale kenmerken volgen. De nieuw ontwikkelde plasmonische nanolens is nuttig voor nanosensing, nanochemie en bio-imaging - het werk is nu gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika (PNAS). In dit werk, Horton et al. ultradunne plasmonische nanogaps gebruikt om complete modussets te ondersteunen die de verre-veldemissiepatronen van ingebedde fotonische emitters sterk beïnvloeden, om dipoolposities te reconstrueren met een precisie van 1 nm. Op basis van hun locaties in een plasmonische hotspot, de emitters straalden drie soorten verstrooiingsdistributie uit om vlekken te vormen, ringen en scheve halo-afbeeldingen; om het beeldvormingspotentieel van deze plasmonische "kristallen ballen" te benadrukken.

Nanofotonica kan licht opsluiten en koppelen aan objecten op nanoschaal. Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen een lichtzender in een hoogwaardige optische holte plaatsen en het licht lange tijd opsluiten om koppeling tussen materie en licht te laten plaatsvinden. De koppeling kan nieuwe vormen van licht produceren om beeldvorming te vergemakkelijken, lokalisatie en manipulatie van nano-objecten op het niveau van enkelvoudige fotonstralers voor vele toepassingen en fundamentele studies. Het vermogen om optische velden te beperken is belangrijk voor detectie op nanoschaal, geavanceerde spectroscopieën, biologische toepassingen, optica met één atoom, laagvermogen schakelaars, kwantuminformatienetwerken en niet-lineaire optica. In het huidige werk, Horton et al. zorgvuldig geselecteerde plasmonische architectuur om beperkte optische modi te controleren, waardoor ze toegang hebben tot positie-informatie in het nabije veld, gebaseerd op metingen van het verre-veldstralingspatroon, uiteindelijk om geavanceerde technische toepassingen mogelijk te maken.

Voor het genereren van hoogwaardige, gegevens in grote hoeveelheden, ze verkenden een nieuwe architectuur die een gouden nanodeeltje (AuNP) bevatte, gekoppeld aan zijn beeldladingen op een gouden (Au) spiegel om de nanodeeltje-op-spiegel (NPoM) architectuur te vormen, gescheiden door een zelf-geassembleerde moleculaire laag. De architectuur was extreem robuust, het vormen van betrouwbare plasmonische nanoholtes via zelfassemblage om duizenden identieke nanostructuren op een enkel substraat te bestuderen. Het onderzoeksteam plaatste de bijna bolvormige AuNP's (diameters van 60 of 80 nm) op platte Au-spiegels nadat ze gelijkmatig waren bedekt met moleculen van methyleenblauw (MB) kleurstof. Ze hebben de opstelling ingekapseld in een moleculaire container van cucurbit[7]uril (CB[7]). De CB [7] bond sterk aan Au om een ​​constante afstand van 0,9 nm te vormen tussen de AuNP en de Au-spiegel eronder, terwijl ook de kleurstofmoleculen en hun verticale oriëntatie in de opstelling worden beschermd.

Theorie en simulaties

Volgens eerdere onderzoeken met NPoM's, licht in de holte kan worden ontkoppeld via een van de twee antennemodi die ofwel een transversale deeltjesmodus of een verticale veldgapmodus met een langere golflengte bevatten. In dit geval, de emissie van moleculen binnen plasmonische hiaten op nanoschaal was afhankelijk van niet-verwaarloosbare bijdragen van een groot aantal nanocavity-modi. De koppeling van de modi was gebaseerd op de precieze positie van de moleculen in de opening, waardoor ze kunnen worden geïnterpreteerd vanuit de verre veldverdeling van het uitgekoppelde licht. Horton et al. onderzocht deze complexiteit met behulp van eindige-elementenmethoden en bevestigde vergelijkbare emissiepatronen met behulp van eindige-verschil tijdsdomeinsimulaties. Het was typisch om een ​​facetgrootte (defectgrootte) van 20 nm te observeren voor 80 nm NPoM's, met MB-kleurstoffen in dit werk. Technisch gezien, het team zou een plasmonische Au-bol bovenop een zender kunnen plaatsen om te fungeren als een nanolens of plasmonische brekende bol om het oplosbare gezichtsveld in de regio uit te breiden.

Het experiment

Het team plaatste daarom een ​​plasmonische Au-bol bovenop een zender om te fungeren als een nanolens of plasmonische brekende bol om het oplosbare gezichtsveld in de regio uit te breiden. Om het beschreven nanolenseffect te observeren, Horton et al. afwisselend opgenomen donkerveldverstrooiing en lichtemissie van dezelfde NPoM in de tijd. Ze gebruikten een radiaal gepolariseerde continue golflaser met een golflengte van 633 nm en een vermogensdichtheid van 150 µW.µm ^-2 in het middelpunt, om de gap-modus te prikkelen en honderden NP's individueel in beeld te brengen. Ze analyseerden ze spectroscopisch na ruimtelijke vergroting van het uitgestraalde licht (∼3, 500 keer) in de ingangsspleet van een monochromator (een smalbandgolflengtefilter met instelbare transmissiegolflengte) na spectraal wegfilteren van de 633 nm golflengte van de excitatielaser.

Het donkerveldbeeld gevormd via witlichtverstrooiing van elke NPoM, nam meestal de vorm van een ring aan. Echter, vanwege de polarisatiegevoeligheid van het optische systeem, de wetenschappers observeerden lichte asymmetrieën in de donkere veldbeelden. Inelastische lichtemissie waargenomen door een combinatie van fotoluminescentie (PL), oppervlakte-versterkte resonante Raman-verstrooiing (SERRS) en elektronische achtergrond Raman-verstrooiing van Au vormden ook zeer verschillende ruimtelijke vormen (vlekken, ringen en scheve halo's).

De inelastische emissie vertoonde ook vergelijkbare emissiespectra, wat inhoudt dat ze allemaal afkomstig zijn van dezelfde kleurstofmoleculen. Tijdens langdurige observaties van een enkele NPoM, het team merkte op dat de emissie-intensiteit en distributie van een deeltje in het verre veld met de tijd varieert onder verlichting. De diameter van de nanodeeltjes bepaalde de facetbreedte, die de spectrale afstemming van de NPoM-gapmodi binnen de experimentele opstelling regelde.

Het team stelt verder een intrigerende toepassing voor waarbij Au-nanoconstructen als nanolenzen worden gebruikt om diepe subgolflengtebeelden in realtime te reconstrueren, om de beweging van emitters in de nanogap te volgen. Ze kunnen deze methode ook combineren om afzonderlijke moleculen op te lossen met bestaande benaderingen zoals lokalisatiemicroscopie, eerder gebruikt om frame-by-frame beelden van elk uitgezonden foton te verkrijgen. Horton et al. observeerde het complexe samenspel tussen de facetgrootte en de emitterpositie om verschillende vormen in dit werk te produceren. Verder, de kleinere NP's (40 nm) hadden een kleinere verstrooiingssterkte, waardoor hun emissie te zwak was om ruimtelijk op te lossen. Het onderzoeksteam verwacht dat sterk gekoppelde systemen observaties van coherente interacties tussen emitters en de nanoholte mogelijk maken. Het werk zal een route bieden om onder omgevingsomstandigheden in gesolvateerde molecuul-metaal-interfaces te kijken en moleculen binnen enkele nanometers op te lossen. Deze nanocavity gap-modi kunnen precisie op nanometerschaal leveren van enkele frames om afzonderlijke moleculen te lokaliseren, oplossen hoe meerdere actieve emitters worden verdeeld en hoe ze ruimtelijk in de tijd veranderen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk