Kapaciteten hos olika ädelmetaller och dielektrika att förbättra fluorescens har jämförts av A*STAR-forskare, med sikte på känsligare teknologier för att skapa nya tillämpningar inom biologi och medicin.
Fluorescens uppstår när en elektron, efter excitation från en fluorofor molekyl, faller tillbaka från det exciterade tillståndet tillbaka till sitt grundtillstånd och avger en foton av ljus. Utnyttja detta fenomen, fluorescerande märkning, en mycket känslig och oförstörande teknik, möjliggör bindning till en specifik region eller funktionell grupp på en målmolekyl, såsom ett protein eller enzym.
Fluorescerande märkning används ofta för att spåra biologiska eller kemiska föreningar inom mineralogi, kriminalteknik, och medicin. Dess tillämpning i DNA-sekvensering, molekylär och cellbiologi, och livsmedelssäkerhetsindustrin väcker också stort intresse, men förlitar sig på ljus som sänds ut av en enda fluorofor, som i allmänhet är svag, motverkar dess känslighet.
Detta driver på sökandet efter teknologier som förstärker fluorescensen, sporrar Bai Ping och kollegor från avdelningen för elektronik och fotonik vid A*STAR Singapore Institute of High Performance Computing att jämföra de fluorescensförbättrande egenskaperna hos dielektriska nanopartiklar och plasmoniska metallnanopartiklar av silver och guld.
"Tidigare, metaller har använts eftersom de kan begränsa ljuset till ett litet område, producerar en starkare signal, " förklarar Bai. "Men, när metallen placeras nära fluoroforen, en del av ljuset återabsorberas av metallen - kallad släckning - vilket minskar dess fluorescensförbättrande förmåga."
Eftersom dielektriska material inte genomgår släckning, särskilt i området för synligt ljus, de har också använts; men har sämre inneslutningsförmåga jämfört med metaller.
"En hybrid som kombinerar fördelarna med båda materialen behövs, " säger Bai. "Vårt arbete jämför prestandan för båda materialen genom att ta hänsyn till deras strukturer och driftsmiljöer, ger en objektiv jämförelse."
På grund av de små avstånden mellan materialen och fluoroforerna, en experimentell jämförelse är mycket utmanande. Forskarna använde en simulering baserad på en enkel sfärisk nanopartikelmodell, och observerade fluorescensförbättringen i en luft- och vattenmiljö. Detta gjorde det möjligt för dem att observera de olika fysiska inneslutningsegenskaperna för varje material.
"Våra resultat visar att i luft är dielektrikumet bättre, men i vatten fungerar metallerna bättre, " säger Bai. "Detta gav oss kunskap för att utforska nya material och strukturer som kunde kombinera fördelarna med båda materialen, med potential för känsligare teknik."
