Avbildning i skala av en enskild molekyl har fått mycket nyligen forskningsintresse inom olika områden av molekylärbiologi, fysik och nanoteknik. Forskare har använt superupplösningsmikroskopi för att komma åt subdiffraktionsupplösning, men tekniken gäller inte för plasmoniska nanopartikeldimerstrukturer som bildar intensiva områden av fältförstärkning, även kända som plasmoniska hot spots, på grund av plasmonisk koppling (interaktion mellan två eller flera plasmoniska partiklar) och förlust av positionsinformation. I en nyligen genomförd studie, Matthew J. Horton och ett team av tvärvetenskapliga forskare vid NanoPhotonics Center vid University of Cambridge, Blackett Laboratory vid Imperial College of London, och School of Physics and Astronomy vid University of Birmingham, STORBRITANNIEN., rekonstruerade placeringen av molekyler i en plasmonisk hotspot med 1 nm precision.

För att åstadkomma detta, de använde en plasmonisk nanobolllins och etablerade plasmoniska nanokaviteter som ett nanoskopiskt och spektroskopiskt verktyg. Arbetet öppnar nya möjligheter att studera beteendet hos molekyler från ett fåtal molekyler ner till en enda molekyl i en plasmonisk nano-resonator, samtidigt som de spårar deras rörelse och spektrala egenskaper. De nyutvecklade plasmoniska nanolenerna är användbara för nanosensing, nanokemi och bioimaging—arbetet publiceras nu i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). I det här arbetet, Horton et al. använde ultratunna plasmoniska nanogap för att stödja kompletta lägesuppsättningar som starkt påverkar fjärrfältsemissionsmönster för inbäddade fotoniska sändare, att rekonstruera dipolpositioner med 1 nm precision. Baserat på deras placering i en plasmonisk hotspot, strålarna utstrålade tre spridningsfördelningstyper för att bilda fläckar, ringar och skeva halobilder; för att belysa avbildningspotentialen hos dessa plasmoniska "kristallkulor".

Nanofotonik kan begränsa och koppla ljus till objekt i nanoskala. Till exempel, forskare kan placera en ljussändare i en högkvalitativ optisk kavitet och begränsa ljuset under lång tid för att kopplingen ska kunna ske mellan materia och ljus. Kopplingen kan producera nya former av ljus för att underlätta avbildning, lokalisering och manipulering av nanoobjekt på nivån av enstaka fotonemitters för många tillämpningar och grundläggande studier. Förmågan att begränsa optiska fält är viktig för avkänning i nanoskala, avancerade spektroskopier, biologiska tillämpningar, enatomsoptik, lågeffektbrytare, kvantinformationsnätverk och icke-linjär optik. I detta arbete, Horton et al. noggrant utvald plasmonisk arkitektur för att kontrollera begränsade optiska lägen, ger dem tillgång till positionsinformation i närområdet, baserat på mätningar av fjärrfältstrålningsmönster, ytterst för att underlätta avancerade tekniska tillämpningar.

För att skapa hög kvalitet, data i hög volym, de utforskade en ny arkitektur som innehöll en guldnanopartikel (AuNP) kopplad till dess bildladdningar på en guldspegel (Au) för att bilda nanopartikel-på-spegel-arkitekturen (NPoM), separerade av ett självmonterat molekylärt lager. Arkitekturen var extremt robust, bildar tillförlitliga plasmoniska nanokaviteter via självmontering för att studera tusentals identiska nanostrukturer på ett enda substrat. Forskargruppen placerade de nära sfäriska AuNP:erna (diametrar på 60 eller 80 nm) på platta Au-speglar efter att ha jämnt belagt dem med molekyler av metylenblått (MB) färgämne. De kapslade in uppsättningen i en molekylär behållare av cucurbit[7]uril (CB[7]). CB[7] band starkt till Au för att bilda ett konstant avstånd på 0,9 nm mellan AuNP och Au-spegeln under, samtidigt som det skyddar färgämnesmolekylerna och deras vertikala orientering i uppställningen.

Teori och simuleringar

Enligt tidigare studier med NPoMs, ljus i kaviteten skulle kunna kopplas ut via en av två antennmoder innehållande antingen en transversell partikelmod eller en vertikal-fältsgapmod med längre våglängd. I detta fall, emissionen från molekyler inom plasmoniska luckor i nanoskala berodde på icke försumbara bidrag från ett stort antal nanokavitetslägen. Kopplingen av lägena förlitade sig på den exakta positionen för molekylerna i gapet, så att de kan tolkas från fjärrfältsfördelning av det utkopplade ljuset. Horton et al. utforskade denna komplexitet med finita element-metoder och bekräftade liknande emissionsmönster med hjälp av finita-skillnads-tidsdomänsimuleringar. Det var typiskt att observera en facettstorlek (defektstorlek) på 20 nm för 80 nm NPoMs, med MB-färgämnen i detta arbete. Tekniskt, teamet kunde placera en plasmonisk Au-sfär ovanpå en sändare för att fungera som en nanolens eller plasmonisk brytande glob för att utöka det upplösbara synfältet i regionen.

Experimentet

Teamet placerade därför en plasmonisk Au-sfär ovanpå en sändare för att fungera som en nanolens eller plasmonisk brytande glob för att utöka det upplösbara synfältet i regionen. För att observera den beskrivna nanoleneffekten, Horton et al. växelvis registrerade mörkfältsspridning och ljusemission från samma NPoM i tid. De använde en radiellt polariserad kontinuerlig våglaser med en våglängd på 633 nm och en effekttäthet på 150 µW.µm ^-2 i fokus, för att excitera gapläget och individuellt avbilda hundratals NP:er. De analyserade dem spektroskopiskt efter att rumsligt förstorat det emitterade ljuset (~3, 500 gånger) in i ingångsslitsen på en monokromator (ett smalbandigt våglängdsfilter med justerbar transmissionsvåglängd) efter spektral filtrering av excitationslaserns våglängd på 633 nm.

Den mörka fältbilden som bildas via vitljusspridning från varje NPoM, antog vanligtvis formen av en ring. Dock, på grund av polarisationskänsligheten hos det optiska systemet, forskarna observerade små asymmetrier i mörka fältbilder. Oelastisk ljusemission observerad på grund av en kombination av fotoluminescens (PL), ytförstärkt resonans Raman-spridning (SERRS) och elektronisk Raman-spridning i bakgrunden från Au bildade också mycket olika rumsliga former (fläckar, ringar och skeva glorier).

Den oelastiska emissionen visade också liknande emissionsspektra, vilket antyder att de alla härstammar från samma färgämnesmolekyler. Under långvariga observationer av en enda NPoM, teamet noterade att emissionsintensiteten och fördelningen av en partikel varierar med tiden under belysning. Nanopartikeldiametern bestämde facettbredden, som kontrollerade spektral inställning av NPoM-gaplägena inom experimentuppställningen.

Teamet föreslår vidare en spännande applikation som använder Au nanoconstructs som nanolenser för att rekonstruera djupa subvåglängdsbilder i realtid, för att spåra sändarens rörelse inuti nanogap. De kan också kombinera denna metod för att lösa enskilda molekyler med befintliga metoder som lokaliseringsmikroskopi, som tidigare använts för att erhålla bildruta-för-bildruta-bilder av varje emitterad foton. Horton et al. observerade det komplexa samspelet mellan facettstorlek och emitterposition för att producera olika former i detta arbete. Vidare, de mindre NP:erna (40 nm) hade en mindre spridningsstyrka, vilket gjorde deras emission för svag för att spatialt lösas. Forskargruppen förväntar sig starkt kopplade system för att underlätta observationer av koherenta interaktioner mellan utsändare och nanokavitet. Arbetet kommer att erbjuda en väg att titta in i solvatiserade molekyl-metallgränssnitt under omgivande förhållanden och lösa upp molekyler inom några nanometer. Dessa nanokavitets gaplägen kan leverera precision i nanometerskala från enstaka ramar för att lokalisera enstaka molekyler, lösa hur flera aktiva sändare är fördelade och hur de förändras rumsligt i tiden.

© 2020 Science X Network