Overlap gør det muligt for nanopartikler at forbedre lysbaseret detektion

Rice University-forskere har fundet afslørende information, hvor lys fra et molekyle møder lys fra en nanopartikel.

Rice-kemikerne Christy Landes og Stephan Links laboratorier demonstrerede, hvordan man optimerer en metode, der kan registrere små koncentrationer af molekyler ved at forstærke det lys, de udsender, når deres spektralfrekvenser overlapper frekvenserne af nærliggende plasmoniske nanopartikler.

Overfladeplasmonerne, kohærente elektronbølger, der bølger hen over overfladen af ​​en metallisk nanopartikel, fungerer som antenner og forstærker molekylernes udsendte lys op til 10 gange, når de er i det "sweet spot" nær en partikel.

Deres teknik er emnet for et papir i en specialudgave af Journal of Chemical Physics fokuseret på nye retninger i plasmonics. Arbejdet hos Rice kunne hjælpe forskere med at analysere de aktive overflader af katalysatorer og andre materialer på nanoskala, et vigtigt skridt i at forbedre deres effektivitet.

Opdagelsen bygger på fænomenet elektrokemiluminescens (ECL), hvorved elektricitet driver kemiske reaktioner, der får molekyler til at udsende lys, sagde Thomas Heiderscheit, en Rice-studerende og avisens hovedforfatter. Det bruges ofte til at påvise spormaterialer som tungmetaller i vand eller Zika-virus i biologiske væsker.

Tidligere undersøgelser udledte, at spektral overlapning af nanopartikler og molekyler ville forbedre signalet, men disse undersøgelser kunne ikke redegøre for de medfødte forskelle i nanopartikelstørrelser og -former, der kunne maskere virkningerne. Rice-forskerne havde sat sig for at minimere disse andre påvirkninger for kun at fokusere på rollen som spektral frekvensoverlapning på signalforbedring.

"Denne undersøgelse ser på, hvilken type antenne der er bedst at bruge, fordi nanopartiklernes egenskaber dikterer spektret og dets overlap med molekylet, " sagde Miranda Gallagher, en Rice postdoc-forskningsassocieret og medforfatter til papiret. "Skal den være rund eller skal den have skarpe kanter? Skal den være mindre eller større?"

I eksperimenter, forskerne kombinerede enten guld-nanosfærer eller guld-nanotrekanter med skarpe spidser med et ruthenium-baseret farvestofmolekyle i en polymerskal, der forhindrede molekylerne i at migrere for langt fra partiklerne. "Det er i bund og grund vores elektrode, " sagde Heiderscheit. "Hvis vi ikke havde polymeren, farvestofmolekylerne ville være frie til at bevæge sig, og vi ville se lys spredt ud over prøven."

Med molekylerne begrænset af polymeren, de kunne tydeligt se molekyler udsende nær partikler. De fastslog, at signalforstærkning styres af en kombination af størrelse og frekvensmatchning mellem farvestofmolekylet og nanosfærerne, og kun frekvenstilpasning for nanotrangler.

Enkeltmolekyle billeddannelse er stadig en strækning for den begyndende teknik, sagde Heiderscheit.

"I bund og grund, vi forestiller os, hvor aktiv en overflade er, " sagde han. "The Department of Energy (hovedsponsoren af ​​projektet) bekymrer sig om denne forskning, fordi den kunne opnå superopløsningskortlægning af reaktivitet på en overflade." Superopløsning muliggør optagelse af billeder under lysets diffraktionsgrænse .

"For eksempel, hvis du har nanopartikler i et batterisystem, du kan bruge ECL til at kortlægge, hvor reaktionerne er mest kemisk aktive, " sagde Heiderscheit. "Du bestemmer i bund og grund, hvilke nanopartikler der gør en god katalysator, og vi kan bruge dette værktøj til at designe bedre."