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  • Afilado del nanofocus:los investigadores utilizan nanoantenas para mejorar la detección plasmónica

    La figura superior muestra moléculas de hidrógeno (rojo) absorbidas en una nanopartícula de paladio, resultando en una dispersión de luz débil y cambios espectrales apenas detectables. La figura inferior muestra una antena dorada que mejora la dispersión de la luz y produce un desplazamiento espectral fácil de detectar. Crédito:Imagen cortesía del grupo Alivisatos

    (PhysOrg.com) - Capacidades técnicas tan codiciadas como la observación de procesos catalíticos individuales en nanoreactores, o la detección óptica de bajas concentraciones de agentes bioquímicos y gases son un paso importante hacia la realización. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en colaboración con investigadores de la Universidad de Stuttgart en Alemania, informan sobre la primera demostración experimental de detección de gas mejorada por antena a nivel de una sola partícula. Al colocar una nanopartícula de paladio en la punta de enfoque de una nanoantena de oro, pudieron detectar claramente cambios en las propiedades ópticas del paladio tras la exposición al hidrógeno.

    "Hemos demostrado la detección de hidrógeno de una sola partícula mejorada por antena resonante en la región visible y presentamos un enfoque de fabricación para el posicionamiento de una sola nanopartícula de paladio en el nanofoco de una nanoantena de oro, "dice Paul Alivisatos, Director de Berkeley Lab y líder de esta investigación. "Nuestro concepto proporciona un plan general para amplificar las señales de detección plasmónica a nivel de una sola partícula y debería allanar el camino para la observación óptica de reacciones químicas y actividades catalíticas en nanoreactores, y para la biodetección local ".

    Alivisatos, quien también es el Profesor Larry y Diane Bock de Nanotecnología en la Universidad de California, Berkeley, es el autor correspondiente de un artículo en la revista Materiales de la naturaleza describiendo esta investigación. El artículo se titula "Detección de gas mejorada con nanoantenas en un único nanofoco personalizado". Los coautores del artículo con Alivisatos fueron Laura Na Liu, Ming Tang, Mario Hentschel y Harald Giessen.

    Uno de los campos más novedosos de la tecnología actual es la plasmónica:el confinamiento de las ondas electromagnéticas en dimensiones más pequeñas que la mitad de la longitud de onda de los fotones incidentes en el espacio libre. Normalmente, esto se hace en la interfaz entre nanoestructuras metálicas, generalmente oro, y un dieléctrico, generalmente aire. El confinamiento de las ondas electromagnéticas en estas nanoestructuras metálicas genera ondas superficiales electrónicas llamadas "plasmones". Una coincidencia de la frecuencia de oscilación entre los plasmones y las ondas electromagnéticas incidentes da lugar a un fenómeno conocido como resonancia de plasmones de superficie localizada (LSPR), que puede concentrar el campo electromagnético en un volumen inferior a unos pocos cientos de nanómetros cúbicos. Cualquier objeto introducido en este campo confinado localmente, denominado nanofoco, influirá en el LSPR de una manera que se puede detectar mediante microscopía de campo oscuro.

    "El nanofoco tiene implicaciones inmediatas para la detección plasmónica, "dice Laura Na Liu, autor principal del artículo de Nature Materials que en el momento en que se realizó el trabajo era miembro del grupo de investigación de Alivisatos, pero ahora está en la Universidad de Rice. "Las nanoestructuras metálicas con esquinas y bordes afilados que forman una punta puntiaguda son especialmente favorables para la detección plasmónica porque las intensidades de campo de las ondas electromagnéticas se mejoran mucho en un volumen de detección tan extremadamente pequeño".

    La detección plasmónica es especialmente prometedora para la detección de gases inflamables como el hidrógeno, donde el uso de sensores que requieren mediciones eléctricas plantean problemas de seguridad debido a la amenaza potencial de chispas. Hidrógeno, por ejemplo, puede encenderse o explotar en concentraciones de sólo el cuatro por ciento. El paladio fue visto como un candidato principal para la detección plasmónica de hidrógeno porque absorbe rápida y fácilmente hidrógeno que altera sus propiedades eléctricas y dieléctricas. Sin embargo, los LSPR de las nanopartículas de paladio producen amplios perfiles espectrales que dificultan enormemente la detección de cambios.

    Esta es una imagen de microscopía electrónica de barrido que muestra una nanopartícula de paladio con una antena de oro para mejorar la detección plasmónica. Imagen cortesía del grupo Alivisatos

    "En nuestro esquema de antena resonante mejorada, utilizamos la litografía de doble haz de electrones en combinación con un procedimiento de doble despegue para colocar con precisión una sola nanopartícula de paladio en el nanofoco de una nanoantena de oro, "Dice Liu." Los campos cercanos de plasmón de partículas de oro fuertemente mejorados pueden sentir el cambio en la función dieléctrica de la nanopartícula de paladio proximal a medida que absorbe o libera hidrógeno. La luz dispersada por el sistema es recolectada por un microscopio de campo oscuro con espectrómetro adjunto y el cambio de LSPR se lee en tiempo real ".

    Alivisatos, Liu y sus coautores descubrieron que el efecto de mejora de la antena se podía controlar cambiando la distancia entre la nanopartícula de paladio y la antena de oro. y cambiando la forma de la antena.

    "Al amplificar las señales de detección a nivel de una sola partícula, eliminamos las características estadísticas y promedio inherentes a las mediciones de conjuntos, "Dice Liu". Además, Nuestra técnica de detección plasmónica mejorada por antena comprende un esquema no invasivo que es biocompatible y se puede utilizar en entornos acuosos. haciéndolo aplicable a una variedad de materiales físicos y bioquímicos ".

    Por ejemplo, reemplazando la nanopartícula de paladio con otros nanocatalizadores, como el rutenio, platino, o magnesio, Liu dice que su esquema de detección plasmónica con antena mejorada se puede usar para monitorear la presencia de muchos otros gases importantes además del hidrógeno. incluidos el dióxido de carbono y los óxidos nitrosos. Esta técnica también ofrece una alternativa de detección plasmónica prometedora a la detección fluorescente de catálisis, que depende de la desafiante tarea de encontrar fluoróforos apropiados. La detección plasmónica mejorada por antena también tiene potencial para la observación de eventos químicos o biológicos individuales.

    "Creemos que nuestra técnica de detección mejorada por antena puede servir como un puente entre la plasmónica y la bioquímica, "Dice Liu." La detección plasmónica ofrece una herramienta única para sondear ópticamente procesos bioquímicos que son ópticamente inactivos por naturaleza. Además, Dado que las nanoestructuras plasmónicas hechas de oro o plata no se blanquean ni parpadean, permiten una observación continua, una capacidad esencial para el seguimiento in situ del comportamiento bioquímico ".


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