p A imagem na escala de uma única molécula ganhou muito interesse de pesquisa recente em diversos campos da biologia molecular, física e nanotecnologia. Os pesquisadores usaram microscopia de super-resolução para acessar a resolução de subdifração, mas a técnica não se aplica a estruturas de dímero de nanopartículas plasmônicas que formam áreas intensas de intensificação de campo, também conhecidas como pontos quentes plasmônicos, devido ao acoplamento plasmônico (interação entre duas ou mais partículas plasmônicas) e à perda de informações posicionais. Em um estudo recente, Matthew J. Horton e uma equipe de pesquisadores interdisciplinares do NanoPhotonics Center da Universidade de Cambridge, Blackett Laboratory no Imperial College of London, e a Escola de Física e Astronomia da Universidade de Birmingham, REINO UNIDO., reconstruiu as localizações das moléculas dentro de um hotspot plasmônico com precisão de 1 nm. p Para conseguir isso, eles usaram uma lente nanobola plasmônica e estabeleceram nanocavidades plasmônicas como uma ferramenta nanoscópica e espectroscópica. O trabalho abre novas possibilidades para estudar o comportamento de moléculas que vão desde algumas moléculas até uma única molécula dentro de um nano-ressonador plasmônico, enquanto simultaneamente rastreia seu movimento e características espectrais. Os nanolenos plasmônicos recentemente desenvolvidos são úteis para nanossensibilização, nanoquímica e bioimagem - o trabalho agora está publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América (PNAS). Nesse trabalho, Horton et al. usaram nanogaps plasmônicos ultrafinos para oferecer suporte a conjuntos de modos completos que influenciam fortemente os padrões de emissão de campo distante de emissores fotônicos incorporados, para reconstruir posições dipolo com precisão de 1 nm. Com base em suas localizações em um ponto de acesso plasmônico, os emissores irradiaram três tipos de distribuição de espalhamento para formar manchas, anéis e imagens de halo tortas; para destacar o potencial de imagem dessas "bolas de cristal" plasmônicas.

p A nanofotônica pode confinar e acoplar luz a objetos em nanoescala. Por exemplo, os pesquisadores podem colocar um emissor de luz em uma cavidade óptica de alta qualidade e confinar a luz por um longo tempo para que ocorra o acoplamento entre a matéria e a luz. O acoplamento pode produzir novas formas de luz para facilitar a imagem, localização e manipulação de nanoobjetos no nível de emissores de fóton único para muitas aplicações e estudos fundamentais. A capacidade de confinar campos ópticos é significativa para detecção em nanoescala, espectroscopias avançadas, aplicações biológicas, óptica de átomo único, interruptores de baixa potência, redes de informação quântica e óptica não linear. No presente trabalho, Horton et al. arquitetura plasmônica cuidadosamente selecionada para controlar modos ópticos confinados, permitindo que eles acessem informações posicionais de campo próximo, com base em medições de padrão de radiação de campo distante, em última análise, para facilitar as aplicações técnicas avançadas.

p Para gerar alta qualidade, dados de alto volume, eles exploraram uma nova arquitetura que continha uma nanopartícula de ouro (AuNP) acoplada às suas cargas de imagem em um espelho de ouro (Au) para formar a arquitetura de nanopartícula sobre espelho (NPoM), separados por uma camada molecular auto-montada. A arquitetura era extremamente robusta, formação de nanocavidades plasmônicas confiáveis ​​por meio de automontagem para estudar milhares de nanoestruturas idênticas em um único substrato. A equipe de pesquisa colocou os AuNPs quase esféricos (diâmetros de 60 ou 80 nm) em espelhos planos de Au depois de revesti-los uniformemente com moléculas de corante azul de metileno (MB). Eles encapsularam a configuração dentro de um recipiente molecular de cucúrbita [7] urila (CB [7]). O CB [7] se ligou fortemente ao Au para formar um espaçamento constante de 0,9 nm entre o AuNP e o espelho de Au abaixo, ao mesmo tempo que protege as moléculas de corante e sua orientação vertical na configuração.

p Teoria e simulações

p De acordo com estudos anteriores com NPoMs, a luz na cavidade pode ser acoplada por meio de um dos dois modos de antena contendo um modo de partícula transversal ou um modo de intervalo de campo vertical de comprimento de onda mais longo. Nesse caso, a emissão de moléculas dentro de lacunas plasmônicas em nanoescala dependia de contribuições não desprezíveis de um grande número de modos de nanocavidade. O acoplamento dos modos dependia da posição precisa das moléculas na lacuna, permitindo que eles sejam interpretados a partir da distribuição de campo distante da luz acoplada externamente. Horton et al. explorou essa complexidade usando métodos de elementos finitos e confirmou padrões de emissão semelhantes usando simulações no domínio do tempo de diferenças finitas. Era típico observar um tamanho de faceta (tamanho do defeito) de 20 nm para NPoMs de 80 nm, com corantes MB neste trabalho. Tecnicamente, a equipe poderia colocar uma esfera plasmônica de Au no topo de um emissor para atuar como nanolens ou globo refrator plasmônico para expandir o campo de visão resolvível na região.

p O experimento

p A equipe, portanto, colocou uma esfera de Au plasmônica em cima de um emissor para atuar como um nanolens ou globo refrator plasmônico para expandir o campo de visão resolvível na região. Para observar o efeito nanolens descrito, Horton et al. dispersão de campo escuro gravada alternadamente e emissão de luz do mesmo NPoM no tempo. Eles usaram um laser de onda contínua radialmente polarizada com comprimento de onda de 633 nm e densidade de potência de 150 µW.µm ^-2 no foco, para excitar o modo de lacuna e individualmente centenas de imagens de NPs. Eles os analisaram espectroscopicamente após ampliar espacialmente a luz emitida (∼3, 500 vezes) na fenda de entrada de um monocromador (um filtro de comprimento de onda de banda estreita com comprimento de onda de transmissão ajustável) após filtrar espectralmente o comprimento de onda de 633 nm do laser de excitação.

p A imagem de campo escuro formada por espalhamento de luz branca de cada NPoM, normalmente assumia a forma de um anel. Contudo, devido à sensibilidade de polarização do sistema óptico, os cientistas observaram ligeiras assimetrias nas imagens do campo escuro. Emissão de luz inelástica observada devido a uma combinação de fotoluminescência (PL), espalhamento Raman ressonante aprimorado por superfície (SERRS) e espalhamento Raman eletrônico de fundo de Au também formaram formas espaciais muito diferentes (manchas, anéis e halos tortos).

p A emissão inelástica também mostrou espectros de emissão semelhantes, implicando que todos eles se originaram das mesmas moléculas de corante. Durante observações prolongadas de um único NPoM, a equipe observou que a intensidade de emissão de campo distante e a distribuição de uma partícula variam com o tempo sob iluminação. O diâmetro da nanopartícula determinou a largura da faceta, que controlava o ajuste espectral dos modos de intervalo NPoM dentro da configuração experimental.

p A equipe propõe ainda uma aplicação intrigante usando nanoconstrutos de Au como nanolenses para reconstruir imagens profundas de sub-ondas em tempo real, para rastrear o movimento dos emissores dentro do nanogap. Eles também podem combinar este método para resolver moléculas únicas com abordagens existentes, como microscopia de localização, anteriormente usado para obter imagens quadro a quadro de cada fóton emitido. Horton et al. observaram a interação complexa entre o tamanho da faceta e a posição do emissor para produzir formas diferentes neste trabalho. Além disso, os NPs menores (40 nm) tiveram uma menor força de espalhamento, o que tornava sua emissão muito fraca para ser resolvida espacialmente. A equipe de pesquisa espera sistemas fortemente acoplados para facilitar as observações de interações coerentes entre os emissores e a nanocavidade. O trabalho oferecerá uma rota para perscrutar interfaces molécula-metal solvatadas sob condições ambientais e resolver moléculas dentro de alguns nanômetros. Esses modos de intervalo de nanocavidade podem fornecer precisão em escala nanométrica a partir de quadros únicos para localizar moléculas individuais, resolver como vários emissores ativos são distribuídos e como eles mudam espacialmente no tempo. p © 2020 Science X Network