Skærpning af nanofokus:Forskere bruger nanoantenna til at forbedre plasmonisk sansning

(PhysOrg.com) - Sådanne meget eftertragtede tekniske evner som observation af enkeltkatalytiske processer i nanoreaktorer, eller den optiske påvisning af lave koncentrationer af biokemiske midler og gasser er et vigtigt skridt tættere på at blive gennemført. Forskere ved U.S. Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbejde med forskere ved universitetet i Stuttgart i Tyskland, rapporter den første eksperimentelle demonstration af antenneforstærket gasføling på enkeltpartikelniveau. Ved at placere en palladium nanopartikel på fokuseringsspidsen af ​​en guld nanoantenna, de var i stand til tydeligt at opdage ændringer i palladiumets optiske egenskaber ved eksponering for brint.

"Vi har demonstreret resonansantenneforstærket enkeltpartikelbrintføling i det synlige område og præsenteret en fremstillingstilgang til placeringen af ​​en enkelt palladium-nanopartikel i nanofokus af en guldnanoantenna, "siger Paul Alivisatos, Berkeley Labs direktør og lederen af ​​denne forskning. "Vores koncept giver en generel blueprint til forstærkning af plasmoniske sansesignaler på enkeltpartikelniveau og bør bane vejen for den optiske observation af kemiske reaktioner og katalytiske aktiviteter i nanoreaktorer, og til lokal biosensering. "

Alivisatos, som også er Larry og Diane Bock professor i nanoteknologi ved University of California, Berkeley, er den tilsvarende forfatter til et papir i tidsskriftet Naturmaterialer beskriver denne forskning. Papiret har titlen "Nanoantenna-forbedret gasføling i en enkelt skræddersyet nanofokus." Medforfatter af papiret med Alivisatos var Laura Na Liu, Ming Tang, Mario Hentschel og Harald Giessen.

Et af de hotteste nye felter inden for teknologi i dag er plasmonik-indeslutning af elektromagnetiske bølger i dimensioner mindre end halvdelen af ​​bølgelængden af ​​de indfaldende fotoner i det frie rum. Dette gøres typisk ved grænsefladen mellem metalliske nanostrukturer, normalt guld, og et dielektrikum, normalt luft. Indeslutningen af ​​de elektromagnetiske bølger i disse metalliske nanostrukturer genererer elektroniske overfladebølger kaldet "plasmoner". En matchning af oscillationsfrekvensen mellem plasmoner og de hændende elektromagnetiske bølger giver anledning til et fænomen kendt som lokaliseret overfladeplasmonresonans (LSPR), som kan koncentrere det elektromagnetiske felt til et volumen mindre end et par hundrede kubik nanometer. Ethvert objekt, der bringes ind i dette lokalt begrænsede felt - benævnt nanofokus - vil påvirke LSPR på en måde, der kan detekteres via mørkfeltmikroskopi.

"Nanofokusering har umiddelbare konsekvenser for plasmonisk sansning, "siger Laura Na Liu, hovedforfatter af Nature Materials -papiret, der var på det tidspunkt, arbejdet blev udført, medlem af Alivisatos 'forskningsgruppe, men nu er hos Rice University. "Metalliske nanostrukturer med skarpe hjørner og kanter, der danner en spids spids, er særligt gunstige for plasmonisk sansning, fordi de elektromagnetiske bølgeres feltstyrker er så stærkt forbedret over et så ekstremt lille sansevolumen."

Plasmonisk sansning er især lovende til påvisning af brandfarlige gasser, såsom brint, hvor brug af sensorer, der kræver elektriske målinger, udgør sikkerhedsproblemer på grund af den potentielle trussel fra gnistdannelse. Brint, for eksempel, kan antænde eller eksplodere i koncentrationer på kun fire procent. Palladium blev set som en førende kandidat til plasmonisk registrering af brint, fordi det let og hurtigt absorberer brint, der ændrer dets elektriske og dielektriske egenskaber. Imidlertid, LSPR'erne for palladium -nanopartikler giver brede spektrale profiler, der gør det ekstremt vanskeligt at opdage ændringer.

"I vores resonante antenneforbedrede skema, vi bruger dobbelt elektronstråle litografi i kombination med en dobbelt lift-off procedure til præcist at placere en enkelt palladium nanopartikel i nanofokus af en guld nanoantenna, "Liu siger." Den stærkt forstærkede guldpartikelplasmon nær-felter kan fornemme ændringen i den dielektriske funktion af den proksimale palladium-nanopartikel, når den absorberer eller frigiver brint. Lys spredt af systemet opsamles af et mørkfeltmikroskop med tilknyttet spektrometer, og LSPR-ændringen aflæses i realtid. "

Alivisatos, Liu og deres medforfattere fandt ud af, at antenneforbedringseffekten kunne kontrolleres ved at ændre afstanden mellem palladium-nanopartiklen og guldantennen, og ved at ændre antennens form.

"Ved at forstærke sansesignaler på enkeltpartikelniveau, vi eliminerer de statistiske og gennemsnitlige egenskaber, der er forbundet med ensemble -målinger, "Siger Liu." Desuden, vores antenneforbedrede plasmoniske sanseteknik omfatter en ikke-invasiv ordning, der er biokompatibel og kan bruges i vandige miljøer, gør den anvendelig på en række forskellige fysiske og biokemiske materialer. "

For eksempel, ved at udskifte palladium -nanopartiklen med andre nanokatalysatorer, såsom ruthenium, platin, eller magnesium, Liu siger, at deres antenneforstærkede plasmoniske sansningsordning kan bruges til at overvåge tilstedeværelsen af ​​mange andre vigtige gasser ud over brint, herunder kuldioxid og lattergasene. Denne teknik tilbyder også et lovende plasmonisk sansningsalternativ til fluorescerende påvisning af katalyse, som afhænger af den udfordrende opgave med at finde passende fluoroforer. Antenneforstærket plasmonisk sansning har også potentiale til observation af enkelte kemiske eller biologiske hændelser.

"Vi tror, ​​at vores antenneforbedrede sanseteknik kan tjene som en bro mellem plasmonik og biokemi, "Siger Liu." Plasmonisk sansning tilbyder et unikt værktøj til optisk sondering af biokemiske processer, der er optisk inaktive i naturen. Ud over, da plasmoniske nanostrukturer fremstillet af guld eller sølv ikke blegner eller blinker, de giver mulighed for kontinuerlig observation, en væsentlig evne til in situ-overvågning af biokemisk adfærd. "