Engineering enkelt-molekyle fluorescens med asymmetriske nano-antenner

NIR-fluorescens har vist et stort potentiale inden for biovidenskab, men lavt kvanteudbytte har i høj grad hæmmet forskning i de fleste NIR-fluoroforer. Her, videnskabsmænd i Kina bruger asymmetriske plasmoniske nano-antenner til drastisk at forbedre et NIR-farvestofs enkeltmolekyle fluorescensintensitet. Asymmetrien giver en ekstra afstemningsparameter, der giver nye muligheder for at modulere nær- og fjernfelts egenskaber for de plasmoniske tilstande, derved forbedrer fluorescensen uden at kompromittere molekylets fotostabilitet. Dette arbejde giver et universelt skema til konstruktion af NIR enkelt-molekyle fluorescens.

Enkeltmolekyle fluorescensdetektion (SMFD) er i stand til at sondere, et molekyle ad gangen, dynamiske processer, der er afgørende for at forstå funktionelle mekanismer i biosystemer. Fluorescens i det nær-infrarøde (NIR) giver forbedret signal/støjforhold (SNR) ved at reducere spredningen, absorption og autofluorescens fra biologiske celle- eller vævsprøver, og derfor, giver høj billedopløsning med øgede vævsgennemtrængningsdybder, der er vigtige for biomedicinske anvendelser. Imidlertid, de fleste NIR-emittere lider af lavt kvanteudbytte, og det svage NIR-fluorescenssignal gør detektionen ekstremt vanskelig.

Plasmoniske nanostrukturer er i stand til at omdanne lokaliseret elektromagnetisk energi til fri stråling og omvendt. Denne evne gør dem til effektive nano-antenner til modulering af molekylær fluorescens. Den plasmoniske nano-antenne øger generelt fluorescensen af ​​et nærliggende molekyle ved at øge excitationshastigheden og kvanteudbyttet af molekylet. For at forbedre fluorescensen optimalt, nanoantennens plasmoniske tilstand skal 1) koble sig kraftigt til molekylet og 2) udstråle kraftigt til det frie rum. At opfylde de to krav samtidig udgør en udfordring, som er umulig at overkomme i konventionelle, symmetriske plasmoniske nanostrukturer.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , forskere fra State Key Laboratory of Surface Physics, Fysisk afdeling ved Fudan University, Kina, etablerer en roman, universel tilgang til at forbedre enkelt-molekyle fluorescens i NIR-regimet uden at kompromittere molekylets fotostabilitet.

De konstruerer asymmetriske nano-antenner bestående af to stænger med ulige længder (fig. 1), der giver flere plasmoniske tilstande med afstembare resonansfrekvenser, der matcher både excitations- og emissionsfrekvenser af fluoroforen. Den tilføjede indstillingsparameter, dvs. forholdet mellem stanglængderne, i sådanne asymmetriske strukturer giver nye muligheder for at modulere nærfelts- og fjernfeltegenskaberne af de plasmoniske tilstande, derved yderligere forbedre både excitations- og emissionsprocesser. Som resultat, de opnår eksperimentelt en enkeltmolekyle fluorescensforstærkende faktor op til 405 (fig. 2), og de tilsvarende teoretiske beregninger indikerer, at kvanteudbyttet kan være så højt som 80%. Fordi kvanteudbyttet spiller en stor rolle i denne opsætning, denne forbedring opnås uden at ofre molekylernes overlevelsestid under laserbestråling.

Ud over, sammenlignet med referencegrupper af molekyler placeret på glassubstrat, forfatterne har observeret en signifikant øget fotoblegningstid i molekyler placeret omkring asymmetriske dobbeltstængede nano-antenner (fig. 3), hvilket indikerer et meget højere antal fluorescensfotoner udsendt af disse molekyler. Nano-antennerne er, derfor, i stand til drastisk at undertrykke fotoblegning. Fordi den lokale feltforbedring ikke forbedrer fotostabiliteten, undertrykkelsen kommer hovedsageligt fra det øgede kvanteudbytte som følge af konkurrence mellem fotoblegningshastighed og energioverførselshastighed til antenne.