Esquema de la configuración experimental para imágenes de fotoluminiscencia de una sola molécula con resolución subnanométrica. Crédito:Yang Ben, Huang Wen y col.
El profesor Dong Zhenchao y el profesor Hou Jianguo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China (CAS) han mejorado la resolución espacial de 8 nm a ~ 8 Å de las imágenes de fotoluminiscencia. Esto ha logrado una resolución submolecular con imágenes de fotofluorescencia de una sola molécula por primera vez.
Este estudio fue publicado en Fotónica de la naturaleza el 10 de agosto.
Alcanzar la resolución atómica con la luz siempre ha sido uno de los objetivos finales de la nanoóptica, y el advenimiento de la microscopía óptica de campo cercano de barrido (SNOM) encendió las esperanzas de alcanzar este objetivo.
El profesor Dong y sus colegas demostraron con éxito una resolución espacial a escala subnanométrica en imágenes de espectroscopia Raman de una sola molécula con efecto de mejora local de un campo de plasmón de nanocavidad en un estudio en 2013.
Sin embargo, a diferencia del proceso de dispersión Raman, la fluorescencia se apagará en las inmediaciones de los metales, lo que detiene el desarrollo de la resolución de SNOM en alrededor de 10 nm.
Las propiedades de radiación (fluorescencia) de las moléculas en la nanocavidad metálica se ven afectadas directamente por la densidad de fotones de la nanocavidad. y la densidad de fotones de la nanocavidad está estrechamente relacionada con la estructura de la punta de la sonda. Por lo tanto, es clave modificar la estructura de la sonda y el estado electrónico de las moléculas en la nanocavidad para evitar la extinción de la fluorescencia y lograr imágenes de fotofluorescencia de alta resolución.
El equipo de Dong afinó aún más la nanocavidad de plasmón, especialmente en la fabricación y control de la estructura a nivel atómico de la punta de la sonda. Construyeron un ápice de punta de Ag con una protuberancia atomística y emparejaron la resonancia del plasmón de nanocavidad con la energía efectiva del láser incidente y la luminiscencia molecular.
Luego, Los investigadores utilizaron una capa dieléctrica ultrafina (NaCl de tres átomos de espesor) para aislar la transferencia de carga entre las moléculas de nanocavidad y el sustrato metálico. logrando una resolución sub-nanométrica de la imagen de fotoluminiscencia de una sola molécula.
Descubrieron que con la sonda acercándose a la molécula, incluso si su distancia es inferior a 1 nm, la intensidad de la fotoluminiscencia sigue aumentando monótonamente. Y la extinción de la fluorescencia desaparece por completo.
Las simulaciones teóricas mostraron que cuando la punta de la protuberancia atomística y el sustrato metálico forman una nanocavidad de plasmón, la respuesta de resonancia del plasmón de nanocavidad y el efecto de pararrayos de la estructura de protuberancia atomística tendrían un efecto sinérgico. El efecto sinérgico genera un campo electromagnético fuerte y altamente localizado que comprime el volumen del modo de cavidad por debajo de 1 nm. 3 , lo que aumenta enormemente la densidad de fotones localizados de estados y la tasa de desintegración de la radiación molecular. Estos efectos no solo inhiben la extinción de la fluorescencia, pero también realiza imágenes de fotoluminiscencia con resolución sub-nanométrica.
Para lograr una resolución espacial subnanométrica, el tamaño de la punta y la distancia entre la punta y la muestra deben estar en la escala subnanométrica.
Los investigadores realizaron además imágenes hiperespectrales de fotoluminiscencia de resolución submolecular con información espectral, y demostró los efectos de la interacción plasmón-excitón local sobre la intensidad de la fluorescencia, posición de pico y ancho de pico en la escala subnanométrica.
Esta investigación logró el tan esperado objetivo de utilizar la luz para analizar la estructura interna de las moléculas en SNOM, y proporcionó un nuevo método técnico para detectar y modular el entorno localizado de moléculas e interacciones luz-materia en la escala subnanométrica.
Los revisores de Fotónica de la naturaleza decir que este trabajo será un artículo importante en su campo, que tiene un significado rector para llevar a cabo investigaciones de microscopía espectroscópica ultrasensible con luz a escala atómica.
