NIR-fluorescens har visat stor potential inom biovetenskap, men lågt kvantutbyte har i hög grad hämmat forskning på de flesta NIR-fluoroforer. Här, forskare i Kina använder asymmetriska plasmoniska nanoantenner för att drastiskt förbättra ett NIR-färgämnes enmolekylära fluorescensintensitet. Asymmetrin ger en extra avstämningsparameter som erbjuder nya möjligheter att modulera närfälts- och fjärrfältsegenskaper för de plasmoniska lägena, därigenom förbättrar fluorescensen utan att kompromissa med molekylens fotostabilitet. Detta arbete tillhandahåller ett universellt schema för konstruktion av NIR-enkelmolekylfluorescens.

Single-molecule fluorescence detection (SMFD) kan sondera, en molekyl i taget, dynamiska processer som är avgörande för att förstå funktionella mekanismer i biosystem. Fluorescens i det nära-infraröda (NIR) ger förbättrat signal/brusförhållande (SNR) genom att minska spridningen, absorption och autofluorescens från biologiska cell- eller vävnadsprover, och därför, ger hög bildupplösning med ökade vävnadspenetrationsdjup som är viktiga för biomedicinska tillämpningar. Dock, de flesta NIR-emittrar lider av lågt kvantutbyte och den svaga NIR-fluorescenssignalen gör detektionen extremt svår.

Plasmoniska nanostrukturer kan omvandla lokaliserad elektromagnetisk energi till fri strålning och vice versa. Denna förmåga gör dem till effektiva nano-antenner för att modulera molekylär fluorescens. Den plasmoniska nanoantennen förbättrar i allmänhet fluorescensen hos en närliggande molekyl genom att öka excitationshastigheten och kvantutbytet av molekylen. För att optimalt förbättra fluorescensen, nanoantennens plasmoniska läge måste 1) kopplas starkt till molekylen och 2) stråla kraftigt till fritt utrymme. Att samtidigt uppfylla de två kraven innebär en utmaning som är omöjlig att övervinna i konventionella, symmetriska plasmoniska nanostrukturer.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , forskare från State Key Laboratory of Surface Physics, Fysiska institutionen vid Fudan University, Kina, skapar en roman, universellt tillvägagångssätt för att förbättra enmolekyls fluorescens i NIR-regimen utan att kompromissa med molekylens fotostabilitet.

De konstruerar asymmetriska nano-antenner som består av två staplar med olika längder (Fig. 1) som ger flera plasmoniska lägen med avstämbara resonansfrekvenser som matchar både excitations- och emissionsfrekvenser för fluoroforen. Den tillagda inställningsparametern, d.v.s. förhållandet mellan stånglängderna, i sådana asymmetriska strukturer erbjuder nya möjligheter att modulera närfälts- och fjärrfältsegenskaperna för de plasmoniska moderna, vilket ytterligare förbättrar både excitations- och emissionsprocesser. Som ett resultat, de förvärvar experimentellt en enkelmolekylär fluorescensförstärkningsfaktor upp till 405 (Fig. 2), och motsvarande teoretiska beräkningar indikerar att kvantutbytet kan vara så högt som 80 %. Eftersom kvantutbytet spelar en stor roll i denna uppställning, denna förbättring uppnås utan att offra molekylernas överlevnadstid under laserbestrålning.

Dessutom, jämfört med referensgrupper av molekyler lokaliserade på glassubstrat, författarna har observerat en signifikant ökad fotoblekningstid i molekyler som är belägna runt asymmetriska dubbelstreckade nanoantenner (Fig. 3), vilket indikerar ett mycket högre antal fluorescensfotoner som emitteras av dessa molekyler. Nano-antennerna är, därför, kan drastiskt undertrycka fotoblekning. Eftersom den lokala fältförbättringen inte förbättrar fotostabiliteten, undertryckningen kommer främst från det ökade kvantutbytet som ett resultat av konkurrens mellan fotoblekningshastighet och energiöverföringshastighet till antennen.