A fluorescência NIR tem mostrado grande potencial em biociências, mas o baixo rendimento quântico impediu amplamente a pesquisa sobre a maioria dos fluoróforos NIR. Aqui, cientistas na China usam nanoantenas plasmônicas assimétricas para aumentar drasticamente a intensidade de fluorescência de uma única molécula do corante NIR. A assimetria fornece um parâmetro de ajuste adicional que oferece novas possibilidades para modular propriedades de campo próximo e campo distante dos modos plasmônicos, melhorando assim a fluorescência sem comprometer a fotoestabilidade da molécula. Este trabalho fornece um esquema universal para a engenharia de fluorescência de molécula única de NIR.

A detecção de fluorescência de molécula única (SMFD) é capaz de sondar, uma molécula de cada vez, processos dinâmicos que são cruciais para a compreensão dos mecanismos funcionais em biossistemas. Fluorescência no infravermelho próximo (NIR) oferece melhor relação sinal-ruído (SNR), reduzindo o espalhamento, absorção e autofluorescência de amostras biológicas celulares ou de tecido, e portanto, fornece alta resolução de imagem com maior profundidade de penetração no tecido, o que é importante para aplicações biomédicas. Contudo, a maioria dos emissores NIR sofre de baixo rendimento quântico e o sinal de fluorescência NIR fraco torna a detecção extremamente difícil.

As nanoestruturas plasmônicas são capazes de converter energia eletromagnética localizada em radiação livre e vice-versa. Essa capacidade os torna nanoantenas eficientes para modular a fluorescência molecular. A nano-antena plasmônica geralmente aumenta a fluorescência de uma molécula próxima, aumentando a taxa de excitação e o rendimento quântico da molécula. A fim de otimizar a fluorescência, o modo plasmônico da nano-antena deve 1) acoplar-se fortemente à molécula e 2) irradiar fortemente para o espaço livre. A satisfação simultânea dos dois requisitos representa um desafio impossível de superar no convencional, nanoestruturas plasmônicas simétricas.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , cientistas do Laboratório Estadual de Física de Superfície, Departamento de Física da Universidade Fudan, China, estabelece um romance, abordagem universal para aumentar a fluorescência de molécula única no regime NIR sem comprometer a fotoestabilidade da molécula.

Eles constroem nanoantenas assimétricas consistindo em duas barras com comprimentos desiguais (Fig. 1) que fornecem modos plasmônicos múltiplos com frequências de ressonância sintonizáveis ​​que combinam com as frequências de excitação e emissão do fluoróforo. O parâmetro de ajuste adicionado, ou seja, a proporção dos comprimentos das barras, em tais estruturas assimétricas oferece novas possibilidades para modular as propriedades de campo próximo e campo distante dos modos plasmônicos, assim, melhorando ainda mais os processos de excitação e emissão. Como resultado, eles adquirem experimentalmente um fator de intensificação de fluorescência de molécula única até 405 (Fig. 2), e os cálculos teóricos correspondentes indicam que o rendimento quântico pode ser tão alto quanto 80%. Como o rendimento quântico desempenha um papel importante nesta configuração, esse aprimoramento é obtido sem sacrificar o tempo de sobrevivência das moléculas sob irradiação a laser.

Além disso, em comparação com grupos de referência de moléculas localizadas no substrato de vidro, os autores observaram um tempo de fotobranqueamento significativamente aumentado em moléculas localizadas em torno de nanoantenas de barra dupla assimétricas (Fig. 3), indicando um número muito maior de fótons de fluorescência emitidos por essas moléculas. As nanoantenas são, Portanto, capaz de suprimir drasticamente o fotodegradação. Como o aprimoramento de campo local não melhora a fotoestabilidade, a supressão vem principalmente do aumento do rendimento quântico como resultado da competição entre a taxa de fotodegradação e a taxa de transferência de energia para a antena.