Konstruktion af ultrafølsomme sonder af fysiske og kemiske processer i nanoskala

Sommetider, det virker, som om molekyler kæmper for at kommunikere med videnskabsmænd. Når det kommer til junction plasmons, i det væsentlige lette bølger fanget ved små mellemrum mellem ædle metaller, hvad molekylerne har at sige, kan radikalt ændre designet af detektorer, der bruges til videnskab og sikkerhed. Enkeltmolekyle-detektionsfølsomhed er mulig gennem Raman-spredning fra molekyler coaxet ind i plasmoniske forbindelser. Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) fandt ud af, at sekvenser af Raman-spektre optaget ved et plasmonisk kryds, dannet af en guldspids og en sølvoverflade, udviser dramatiske intensitetsudsving, ledsaget af skift fra velkendte vibrationslinjespektre for et molekyle til bredbåndsspektre af samme oprindelse. Udsvingene bekræfter holdets tidligere model, der tildeler forbedrede båndspektre i Raman-spredning fra plasmoniske nanoforbindelser til kortslutning af forbindelsesplasmonen gennem mellemliggende molekylære broer.

"Det handler om at stille det rigtige spørgsmål og lytte til, hvad det har at sige, " sagde Dr. Patrick El-Khoury, som har arbejdet på dette projekt i 2 år.

En række nye state-of-the-art enheder og instrumenter er afhængige af molekyle-plasmon-interaktioner. Nylige værker demonstrerede yoctomolar detektionsfølsomhed i Raman-spredning fra plasmoniske nanojunctions, eller evnen til at detektere 1 molekyle i 602, 214, 000, 000, 000, 000, 000, 000. Plasmoniske sensorer, der fungerer ved denne detektionsgrænse, er i stand til at bestemme den kemiske identitet af små mængder af radioaktive og miljømæssige farer. Udviklingen af ​​enkeltmolekyle kemiske nanoskoper kunne besvare grundlæggende spørgsmål om fysiske og kemiske processer, der finder sted over nanometerlængdeskalaer. Det grundlæggende opnået fra denne undersøgelse kan påvirke designet af ultrafølsomme plasmoniske sensorer og kemiske nanoskoper, der bruges til at forstå den grundlæggende kemi bag energilagring og -produktion, såvel som tegningerne af ekstremt små elektroniske enheder.

"Før du kan konstruere de enheder, du har brug for, du skal vide, hvordan molekyler opfører sig over længdeskalaer, der kan sammenlignes med deres karakteristiske dimensioner. Vores forskning er grundlæggende, giver ny indsigt i, hvordan molekyler interagerer med forbindelsesplasmoner, " sagde Dr. Wayne Hess, en kemisk fysiker ved PNNL.

Holdet begyndte med en tynd glasplade. De dyrkede et tyndt lag sølv ovenpå. De tilføjede et enkelt lag på 4, 4'-dimercaptostilben (DMS), et molekyle, der binder sig med en af ​​sine to thioldele til sølvoverfladen. De placerede prøven på et omvendt optisk mikroskop, hvorpå der er monteret et atomkraftmikroskop (AFM). Guld AFM-sonden er aktiveret og indstillet til at være i kontakt med prøveoverfladen. En grøn laserstråle er meget tæt fokuseret gennem mikroskopobjektivet, bevæger sig gennem glasset og den tynde metalfilm, og exciterer forbindelsen dannet mellem AFM-spidsen og prøven. Holdet registrerede derefter sekvenser af Raman-spektre fra DMS-molekyler i krydset. En todimensionel korrelationsanalyse af de registrerede spektralsekvenser viste, at de observerbare vibrationstilstande af DMS kan opdeles i to undersæt, i kraft af symmetrien (C2h) af reporteren holdet specifikt udvalgt til denne undersøgelse. Det første sæt omfatter de totalt symmetriske (ag) Raman tilladte vibrationer, der hverken er korrelerede med hinanden eller med de strømførende plasmoner. Det andet sæt består af svagt tilladte bu-tilstande, som er korreleret både med hinanden og med plasmonerne. Disse observationer viser tydeligt, at tunnelplasmoner modulerer de vibroniske koblingsudtryk, hvorfra intensiteterne af bu-vibrationerne er afledt. Træde i kræft, El-Khoury og Hess identificerede gateway-vibrationstilstande til at formidle ladningstransport over et plasmonisk hul gennem ledende molekylære broer.

"Dette er et paradigmeskifte inden for molekylær spektroskopi, da vi ikke længere er ude efter molekylære egenskaber. Hellere, vi bruger disse egenskaber - i denne undersøgelse, symmetrien af ​​de observerbare vibrationstilstande - for at fortælle os om de rige miljøer, hvori molekyler opholder sig, " sagde El-Khoury.

Ved at bruge den grundlæggende viden opnået fra denne undersøgelse, El-Khoury og Hess designer nye plasmoniske sensorer og arbejder på at udvikle et ultrafølsomt kemisk nanoskop. Mere specifikt, de udvikler ny instrumentering, der udnytter de unikke egenskaber ved ladningstransporterende plasmoner.