(a) Esquema de nano-antena de doble barra recubierta con moléculas AIEE1000 (flechas negras de doble punta) en PMMA (azul claro) sobre sustrato de vidrio (gris claro). El recuadro muestra la estructura química de AIEE1000. (b-g) Imágenes SEM de nano antenas fabricadas con diferentes longitudes de barra. Crédito:Wenqi Zhao, Xiaochaoran Tian, Colmillo Zhening, Shiyi Xiao, Meng Qiu, Qiong He, Wei Feng, Fuyou Li, Yuanbo Zhang, Lei Zhou, y Yan-Wen Tan
La fluorescencia NIR ha mostrado un gran potencial en biociencia, pero el bajo rendimiento cuántico ha impedido en gran medida la investigación sobre la mayoría de los fluoróforos NIR. Aquí, Los científicos de China utilizan nano antenas plasmónicas asimétricas para mejorar drásticamente la intensidad de fluorescencia de una sola molécula de un colorante NIR. La asimetría proporciona un parámetro de ajuste adicional que ofrece nuevas posibilidades para modular las propiedades de campo cercano y campo lejano de los modos plasmónicos, mejorando así la fluorescencia sin comprometer la fotoestabilidad de la molécula. Este trabajo proporciona un esquema universal para la ingeniería de fluorescencia de una sola molécula NIR.
La detección de fluorescencia de molécula única (SMFD) es capaz de sondear, una molécula a la vez, Procesos dinámicos que son cruciales para comprender los mecanismos funcionales en los biosistemas. La fluorescencia en el infrarrojo cercano (NIR) ofrece una relación señal / ruido mejorada (SNR) al reducir la dispersión, absorción y autofluorescencia de muestras biológicas celulares o de tejido, y por lo tanto, proporciona una alta resolución de imágenes con una mayor profundidad de penetración en los tejidos que son importantes para las aplicaciones biomédicas. Sin embargo, la mayoría de los emisores NIR sufren de un bajo rendimiento cuántico y la señal de fluorescencia NIR débil hace que la detección sea extremadamente difícil.
Las nanoestructuras plasmónicas son capaces de convertir energía electromagnética localizada en radiación libre y viceversa. Esta capacidad las convierte en nano antenas eficientes para modular la fluorescencia molecular. La nanoantena plasmónica generalmente mejora la fluorescencia de una molécula cercana al mejorar la tasa de excitación y el rendimiento cuántico de la molécula. Para mejorar de manera óptima la fluorescencia, el modo plasmónico de la nano-antena tiene que 1) acoplarse fuertemente a la molécula y 2) irradiar fuertemente al espacio libre. Satisfacer simultáneamente los dos requisitos plantea un desafío imposible de superar en los nanoestructuras plasmónicas simétricas.
(a) Histograma de mejora de la fluorescencia con antenas asimétricas de doble barra. Cada histograma muestra la distribución de la mejora de la fluorescencia procedente de moléculas cercanas a antenas asimétricas de doble barra con diferentes longitudes de barra. Los máximos de mejora simulada se indican con líneas de puntos y rayas azules (b) Imagen de fluorescencia de AIEE1000 en PMMA sin antenas. (c) Imagen de fluorescencia de una antena asimétrica (mitad izquierda) y una matriz de antena simétrica (mitad derecha) recubierta con AIEE1000 en PMMA. Crédito:Wenqi Zhao, Xiaochaoran Tian, Colmillo Zhening, Shiyi Xiao, Meng Qiu, Qiong He, Wei Feng, Fuyou Li, Yuanbo Zhang, Lei Zhou, y Yan-Wen Tan
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , científicos del Laboratorio Estatal Clave de Física de Superficies, Departamento de Física de la Universidad de Fudan, Porcelana, establece una novela, enfoque universal para mejorar la fluorescencia de una sola molécula en el régimen NIR sin comprometer la fotoestabilidad de la molécula.
Construyen nano antenas asimétricas que constan de dos barras con longitudes desiguales (Fig. 1) que proporcionan múltiples modos plasmónicos con frecuencias de resonancia sintonizables que coinciden con las frecuencias de excitación y emisión del fluoróforo. El parámetro de ajuste agregado, es decir., la relación de las longitudes de las barras, en tales estructuras asimétricas ofrece nuevas posibilidades para modular las propiedades de campo cercano y campo lejano de los modos plasmónicos, mejorando así aún más los procesos de excitación y emisión. Como resultado, adquieren experimentalmente un factor de mejora de la fluorescencia de una sola molécula hasta 405 (Fig.2), y los cálculos teóricos correspondientes indican que el rendimiento cuántico puede llegar al 80%. Debido a que el rendimiento cuántico juega un papel importante en esta configuración, esta mejora se logra sin sacrificar el tiempo de supervivencia de las moléculas bajo irradiación láser.
La medición del tiempo de blanqueo en vidrio en función de la densidad de potencia de excitación muestra una relación proporcional inversa (cuadrados grises y línea gris). Mientras que el tiempo de blanqueo de las moléculas en la matriz de antenas es más largo que el de las correspondientes en el vidrio (los símbolos de color representan los tiempos de blanqueo en la estructura correspondiente). Crédito:Wenqi Zhao, Xiaochaoran Tian, Colmillo Zhening, Shiyi Xiao, Meng Qiu, Qiong He, Wei Feng, Fuyou Li, Yuanbo Zhang, Lei Zhou, y Yan-Wen Tan
Además, en comparación con los grupos de referencia de moléculas ubicadas en el sustrato de vidrio, los autores han observado un aumento significativo del tiempo de fotoblanqueo en moléculas ubicadas alrededor de nano antenas asimétricas de doble barra (Fig.3), lo que indica un número mucho mayor de fotones de fluorescencia emitidos por esas moléculas. Las nano antenas son, por lo tanto, capaz de suprimir drásticamente el fotoblanqueo. Debido a que la mejora del campo local no mejora la fotoestabilidad, la supresión proviene principalmente del aumento del rendimiento cuántico como resultado de la competencia entre la tasa de fotoblanqueo y la tasa de transferencia de energía a la antena.
