Nanoskopi gennem en plasmonisk nanolens

Billeddannelse i omfang af et enkelt molekyle har fået meget nylig forskningsinteresse inden for forskellige områder af molekylærbiologi, fysik og nanoteknologi. Forskere har brugt superopløselig mikroskopi for at få adgang til subdiffraktionsopløsning, men teknikken gælder ikke for plasmoniske nanopartikel dimer strukturer, der danner intense områder med feltforbedring, også kendt som plasmoniske hot spots, på grund af plasmonisk kobling (interaktion mellem to eller flere plasmoniske partikler) og tab af positionsinformation. I en nylig undersøgelse, Matthew J. Horton og et team af tværfaglige forskere i NanoPhotonics Center ved University of Cambridge, Blackett Laboratory ved Imperial College of London, og School of Physics and Astronomy ved University of Birmingham, Storbritannien, rekonstrueret placeringen af ​​molekyler inden for et plasmonisk hotspot med 1 nm præcision.

For at opnå dette, de brugte en plasmonisk nanoboldlins og etablerede plasmoniske nanokaviteter som et nanoskopisk og spektroskopisk værktøj. Arbejdet åbner nye muligheder for at studere molekylers adfærd lige fra et par molekyler ned til et enkelt molekyle i en plasmonisk nano-resonator, samtidig med at de sporer deres bevægelse og spektrale træk. De nyudviklede plasmoniske nanolener er nyttige til nanosensering, nanokemi og bioimaging - værket er nu offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences i Amerikas Forenede Stater (PNAS). I dette arbejde, Horton et al. brugte ultratynde plasmoniske nanogaps til at understøtte komplette tilstandssæt, der stærkt påvirker emner fra fjernfeltet af indlejrede fotoniske emittere, at rekonstruere dipolpositioner med 1 nm præcision. Baseret på deres placeringer i et plasmonisk hotspot, emitterne udstrålede tre spredningstyper til dannelse af pletter, ringe og skæve gloriebilleder; at fremhæve billeddannelsespotentialet for disse plasmoniske "krystalkugler".

Nanofotonik kan begrænse og koble lys til objekter i nanoskala. For eksempel, forskere kan placere en lysemitter i et optisk hulrum af høj kvalitet og begrænse lyset i lang tid, så der kan opstå kobling mellem stof og lys. Koblingen kan producere nye former for lys for at lette billeddannelse, lokalisering og manipulation af nanoobjekter på niveau med enkelt fotonemittere til mange applikationer og grundlæggende undersøgelser. Evnen til at begrænse optiske felter er signifikant for nanoskala -sansning, avancerede spektroskopier, biologiske anvendelser, single-atom optik, strømafbrydere, kvanteinformationsnetværk og ikke-lineær optik. I det nuværende arbejde, Horton et al. nøje udvalgt plasmonisk arkitektur til styring af begrænsede optiske tilstande, giver dem mulighed for at få adgang til positionsoplysninger i nærheden af ​​feltet, baseret på målinger af fjernstrålingsmønster, i sidste ende for at lette avancerede tekniske applikationer.

For at generere høj kvalitet, data i stor mængde, de udforskede en ny arkitektur, der indeholdt en guld nanopartikel (AuNP) koblet til dens billedladninger på et guld (Au) spejl for at danne nanopartikel-på-spejl (NPoM) arkitektur, adskilt af et selvsamlet molekylærlag. Arkitekturen var yderst robust, dannelse af pålidelige plasmoniske nanokaviteter via selvsamling for at studere tusinder af identiske nanostrukturer på et enkelt substrat. Forskergruppen placerede de næsten sfæriske AuNP'er (diametre på 60 eller 80 nm) på flade Au-spejle efter ensartet belægning med molekyler af methylenblåt (MB) farvestof. De indkapslede opsætningen i en molekylær beholder med cucurbit [7] uril (CB [7]). CB [7] bandt stærkt til Au for at danne en konstant afstand på 0,9 nm mellem AuNP og Au -spejlet nedenunder, samtidig med at de beskytter farvestofmolekylerne og deres vertikale orientering i opsætningen.

Teori og simuleringer

Ifølge tidligere undersøgelser med NPoM'er, lys i hulrummet kunne kobles ud via en af ​​to antennetilstande indeholdende enten en tværgående partikelmodus eller en længere bølgelængde med et lodret feltgab. I dette tilfælde, emissionen fra molekyler inden for plasmoniske huller i nanoskala var afhængig af ubetydelige bidrag fra et stort antal nanokavitetstilstande. Koblingen af ​​tilstande baserede sig på molekylernes præcise position i hullet, tillader dem at blive fortolket ud fra fjernfeltdistribution af det udkoblede lys. Horton et al. udforskede denne kompleksitet ved hjælp af begrænsede elementmetoder og bekræftede lignende emissionsmønstre ved hjælp af tidsbegrænsede tidsdomænesimuleringer. Det var typisk at observere en facetstørrelse (defektstørrelse) på 20 nm for 80 nm NPoM'er, med MB -farvestoffer i dette arbejde. Teknisk set, holdet kunne placere en plasmonisk Au -kugle oven på en emitter for at fungere som en nanolens eller plasmonisk brydningsklods for at udvide det opløselige synsfelt i regionen.

Eksperimentet

Holdet placerede derfor en plasmonisk Au -kugle oven på en emitter for at fungere som en nanolens eller plasmonisk brydningsklods for at udvide det opløselige synsfelt i regionen. For at observere den beskrevne nanolens effekt, Horton et al. skiftevis registreret mørkfeltspredning og lysemission fra den samme NPoM i tide. De brugte en radialt polariseret kontinuerlig bølgelaser med en bølgelængde på 633 nm og effekttæthed på 150 µW.µm ^-2 i fokus, at ophidse gap -tilstanden og individuelt billede hundredvis af NP'er. De analyserede dem spektroskopisk efter rumligt at forstørre det udsendte lys (∼3, 500 gange) ind i indgangsslidsen på en monokromator (et smalbåndet bølgelængdefilter med justerbar transmissionsbølgelængde) efter spektralfiltrering af excitationslaserens 633nm bølgelængde.

Det mørke feltbillede dannet via spredning af hvidt lys fra hver NPoM, antog typisk en ringform. Imidlertid, på grund af polarisationsfølsomhed for det optiske system, forskerne observerede små asymmetrier i billederne i det mørke felt. Uelastisk lysemission observeret på grund af en kombination af fotoluminescens (PL), overfladeforbedret resonant Raman-spredning (SERRS) og elektronisk baggrunds-elektronisk Raman-spredning fra Au dannede også meget forskellige rumlige former (pletter, ringe og skæve glorier).

Den uelastiske emission viste også lignende emissionsspektre, hvilket betyder, at de alle stammer fra de samme farvestofmolekyler. Under langvarige observationer af et enkelt NPoM, teamet bemærkede fjernfeltemissionsintensiteten og fordelingen af ​​en partikel til at variere med tiden under belysning. Nanopartikeldiameteren bestemte facettens bredde, som kontrollerede spektral tuning af NPoM -gap -tilstande inden for den eksperimentelle opsætning.

Teamet foreslår endvidere en spændende applikation, der bruger Au nanoconstructs som nanolenses til at rekonstruere dybe subbølgelængdebilleder i realtid, for at spore emitteres bevægelse inde i nanogapet. De kan også kombinere denne metode til at løse enkeltmolekyler med eksisterende tilgange som lokaliseringsmikroskopi, tidligere brugt til at opnå billede-for-billede billeder af hver udsendt foton. Horton et al. observerede det komplekse samspil mellem facetstørrelse og emitterposition for at producere forskellige former i dette arbejde. Desuden, de mindre NP'er (40 nm) havde en mindre spredningsstyrke, hvilket gjorde deres emission for svag til rumligt at løse. Forskergruppen forventer stærkt koblede systemer til at lette observationer af sammenhængende interaktioner mellem emittere og nanokaviteten. Arbejdet vil tilbyde en rute til at kigge inde i solvaterede molekyle-metal-grænseflader under omgivelsesbetingelser og løse molekyler inden for få nanometer. Disse nanokavitetsgabtilstande kan levere nanometer-præcision fra enkeltbilleder for at lokalisere enkeltmolekyler, løse, hvordan flere aktive emittere fordeles, og hvordan de ændres rumligt i tid.

© 2020 Science X Network